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同位素示踪法是利用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法,示踪实验的创建者是Hevesy。Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性,以及其后生产方法的建立(加速器、反应堆等),为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。

简介

放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂,研究化学、生物或其他过程的方法。
放射性核素或稀有稳定核素的原子、分子及其化合物,与普通物质的相应原子、分子及其化合物具有相同的化学、生物学性质。例如,含有放射性核素的食物、药物或代谢物质,与相应的非放射性的食物、药物或代谢物质在生物体内所发生的化学变化及生物学过程完全相同。可以利用放射性核素的原子作为一种标记,制成含有这种标记核素的食物、药物或代谢物质。由于放射性核素能不断地发射具有一定特征的射线;通过放射性探测方法,可以随时追踪含有放射性核素的标记物在体内或体外的位置及其数量的运动变化情况。如果用稳定核素原子作为标记,则通过探测该原子的特征质量的方法追踪。
示踪原子(又称标记原子),是其核物理特征易于探测的原子。含有示踪原子的化合物称为标记化合物。在特殊情况下,有时也采用标记的细胞、微生物、动植物等各类标记物。
1912年G.C.de赫维西首先试用同位素示踪技术,并陆续作了许多工作。由于其开创性贡献赫维西1943年获得了诺贝尔化学奖。从30年代开始随着重氢同位素和人工放射性核素的发现,同位素示踪方法大量应用于生命科学、医学、化学等领域。同位素示踪一方面使人们的观察和识别本领提高到分子水平,另一方面广泛应用于地球环境的各类问题,甚至包括其他星球是否有生命存在之类的问题,为人们认识世界开辟了一个新的途径。国际原子能机构的一份公报指出:“从对技术影响的广度而论,可能只有现代电子学和数据处理才能与同位素相比”。

基本原理和特点

同位素示踪所利用的放射性核素(或稳定性核素)及它们的化合物,与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的,只是具有不同的核物理性质。因此,就可以用同位素作为一种标记,制成含有同位素的标记化合物(如标记食物,药物和代谢物质等)代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质,就可以用核
同位素示踪

同位素示踪

探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等,稳定性同位素虽然不释放射线,但可以利用它与普通相应同位素的质量之差,通过质谱仪,气相层析仪,核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂(tracer),但是,稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低,可获得的种类少,价格较昂贵,其应用范围受到限制;而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度,测量方法简便易行,能准确地定量,准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点:

灵敏度高

放射性示踪法可测到10-14-10-18克水平,即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍,而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。

方法简便

放射性测定不受其它非放射性物质的干扰,可以省略许多复杂的物质分离步骤,体内示踪时,可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线,在体外测量而获得结果,这就大大简化了实验过程,做到非破坏性分析,随着液体闪烁计数的发展,14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。

定位定量准确

放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些形态学技术相结合(如病理组织切片技术,电子显微镜技术等),可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布,并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。

符合生理条件

在放射性同位素实验中,所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的,它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的,体内生理过程仍保持正常的平衡状态,获得的分析结果符合生理条件,更能反映客观存在的事物本质。 放射性同位素示踪法的优点如上所述,但也存在一些缺陷,如从事放射性同位素工作的人员要受一定的专门训练,要具备相应的安全防护措施和条件,在目前个别元素(如氧、氮等)还没有合适的放射性同位素等等。在作示踪实验时,还必须注意到示踪剂的同位素效应和放射效应问题。所谓同位素效应是指放射性同位素(或是稳定性同位素)与相应的普通元素之间存在着化学性质上的微小差异所引起的个别性质上的明显区别,对于轻元素而言,同位素效应比较严重。因为同位素之间的质量判别是倍增的,如3H质量是1H的三倍,2H是1H的两倍,当用氚水(3H2O)作示踪剂时,它在普通H2O中的含量不能过大,否则会使水的物理常数、对细胞膜的渗透及细胞质粘性等都会发生改变。但在一般的示踪实验中,由同位素效应引起的误差,常在实验误差内,可忽略不计。放射性同位素释放的射线利于追踪测量,但射线对生物体的作用达到一定剂量时,会改变机体的生理状态,这就是放射性同位素的辐射效应,因此放射性同位素的用量应小于安全剂量,严格控制在生物机体所能允许的范围之内,以免实验对象受辐射损伤,而得错误的结果。

应用

在生命科学中的应用

同位素示踪方法的应用,使人们可以从分子水平动态地观察生物体内或细胞内生理、生化过程,认识生命活动的物质基础。例如,用C、O等同位素研究光合作用,可以详细地阐明叶绿素如何利用二氧化碳和水,什么是从这些简单分子形成糖类等大分子的中间物,以及影响每步生物合成反应的条件等。又如,通过采用C、H、P等同位素对核酸同蛋白质相互关系的研究,不但可以了解生物体内生成核酸和蛋白质的复杂过程,甚至可以了解生物遗传是如何实现的,乃至探讨人工改造遗传特征的可能性,因而产生了分子遗传学及遗传工程等新学科(见同位素示踪在生命科学中的应用)。

在工业上的应用

在工业生产中,示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性,解决了不少技术上和理论上的问题。下面列举几种主要应用。 确定扩散速度  金属间扩散的速度随温度而变。如用电镀的方法将Ag、 Cu或 Zn沉积在另一种金属片的表面上,在特定温度中处理一定时间后,再从该金属片依序切下许多薄层,用探测仪器或放射自显影法测定每层的放射性,便可确定银、铜或锌在上述金属片内扩散的速度,以及温度对各种金属穿透深度的影响。
测定机械磨损  用中子照射使易磨损部位的材料活化,通过测定磨下的碎屑的放射性,即可测定磨损量。
测定流体流速  某一时刻在流管上端某处注入少量示踪剂,在流管下端另一处测定示踪剂的到达时间,再根据两处的距离即可测定流体的流速。如测定石油在输油管中的流速等。
合金结构分析  在一定比例的镍、铬、钨混合物中,加入少量放射性W,经熔炼后,将合金表面磨光,上面覆盖底片,进行放射自显影。所得图谱显示,钨在合金中分布成树枝状的斑纹。用这种方法,可以研究金属在不同冶炼过程中(或合金在热处理前后)的结构变化。

在医学上的应用

在医学上,同位素示踪主要用于诊断疾病。例如,利用同位素示踪剂被稀释的原理测定水容量、血容量;利用示踪剂移动及其速度测定血流量、肾功能、心脏功能、血栓形成、消化道失血;利用组织器官摄取示踪剂的数量检查甲状腺功能、发现肿瘤;利用示踪剂在组织器官的分布获得脏器影像、胎盘定位;利用示踪剂同相应被测物质对某一试剂竞争结合的原理或体内元素被粒子、光子等活化的原理测定体内或血、尿等标本中的微量成分;利用示踪剂在体内被代谢的程度或速度测定胃肠道吸收、肝功能、红细胞生成及其寿命。已用于医学的同位素不下一百余种,其中最常用的有Tc、I、I、I、P、Cr、Fe、H、In 等(见核医学)。

在农业及畜牧业上的应用

示踪方法广泛应用于农业科学研究,并产生了巨大的经济效益。最主要的成果有施肥途径和肥效的研究;杀虫剂、除莠剂对昆虫和杂草的生物作用;植物激素,生长刺激素对农作物代谢和功能的影响;激素、维生素、微量元素、饲料、药物对家畜生长和发育的影响;以及用同位素标记昆虫、寄生虫、鱼及动物等所发现的这些大小动物的生命周期、迁徙规律、交配和觅食习性等(见放射性同位素在农业上的应用)。

其他应用

在物理、化学等自然科学和日益受到重视的环境科学中,示踪方法也得到广泛应用。下面是一些主要的应用例子。 超薄厚度的测定  例如在用暗视野检查的电子显微镜标本上,常用真空蒸发的方法涂一层镉的薄膜。加微量具有放射性的Cr到镉中,测定一定面积薄膜的放射性。另外把含有不同重量的同一标记物的溶液在相同面积上蒸干并计数,作为标准。比较薄膜样品和标准的放射性,就可测出薄膜的重量,从而求出其厚度。此法可测出厚度薄至2.5×10m的量级。
溶解度的测定  把已知放射性比活度(见放射性)的Ba标记的硫酸钡溶于水中;当溶液达到饱和以后,取出一小部分来测量其放射性比活度。从测得的放射性比活度,就可算出单位体积内硫酸钡的含量或硫酸钡的溶解度。
化学反应的历程  例如在酯类的水解过程中,究竟是酰基-氧键(a)断裂,还是烷基-氧键(b)断裂呢,用含有
同位素示踪

同位素示踪

的氢氧化钠水溶液进行皂化后发现,标记原子进入到水后生成酸分子,而不进入到醇分子中去。这充分证明了,反应中被打开的是酰基-氧键,即是在a处断开的。
环境污染的检查  例如在制造荧光灯等接触汞的工业,需要探测空气中汞的浓度,以保证工人不会发生汞中毒。很方便的方法,就是用Hg来标记汞,然后用探测仪器测量车间空气中的放射性,检查汞有否超过最高允许浓度。
放射性核素也可用作监测沿海污染的手段。例如,以Br标记的溴化铵作为示踪剂,模拟释放到海洋中去的污水。将此示踪剂被注入到污水出口处,它的扩散和途径,反映了污水在大海中的稀释和运输。在不同水路测出的放射性位置及强度,代表特定情况下的水流图案。最后,依靠稀释曲线、水流方向及速度以及污染指示剂的消失率等数据,编成海岸不同位置的污染统计资料。
水利学考察  海洋湍流和大风对水流泥沙迁徙的影响是水利学工作经常需要考察的对象之一。有一种方法是将 Sc吸附在离子交换树脂,其大小接近于天然砂粒,然后将其投入河口或海岸附近水中,用放射性探测仪器追踪,便可研究各种自然条件的变化(如刮风)对砂流的影响,乃至泥砂淤积的地点和速度等。
放射性碳纪年法  见碳-14测定年代。
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