核技术应用及进展(3同位素示踪)

同位素示踪

IsotopicTracer

1重点同位素示踪法的原理。同位素示踪法的关键性技术。同位素示踪法的应用。常用同位素及其特性。20示踪的定义水产专家为中华鲟装“GPS”通过卫星进行跟踪定位外，配有温度、光强、压力、电压等探头，可对中华鲟游经区域的环境因子进行全方位的实时监测。

30示踪的定义寻找地下河道，用颜料作“标记”。40示踪的定义踪：就是踪迹、痕迹、标记，等等。示：就是展示、揭示、揭露，等等。示踪：是指给观察对象加上“标记”，再引入被研究的系统，观察标记对象在该系统内的运动和转化规律。51同位素示踪的定义如何标记原子？要观察到原子，人需缩小几十亿倍。61同位素示踪的定义应用放射性同位素对普通原子或分子加以标记，利用高灵敏，无干扰的放射性测量技术研究被标记物所显示的性质和运动规律，以便追踪发生的过程、运行状况或研究物质结构等的科学手段。71同位素示踪的定义用示踪原子标记待研究的物质，追踪其化学变化或在有机体内的运动规律。将示踪原子与待研究物质完全混合。然后追踪示踪原子。比如，研究河流中泥沙迁移规律，山坡地上水土流失规律，管道中液体的输运过程等。81同位素示踪的定义将示踪原子加入待研究对象中，然后跟踪。比如炼铁高炉炉衬烧损程度的监测等。91同位素示踪的定义放射性同位素及探测技术的出现，使幻想成为现实。科学研究中，通常使用核素作为标记物，所以示踪也称核素示踪，其中采用放射性核素标记时，称为放射性示踪(或同位素示踪)。101同位素示踪的定义将可探测的放射性核素添入化学、生物或物理系统中，标记研究材料，以便追踪发生的过程、运行状况或研究物质结构等的科学手段。111同位素示踪的定义在被研究的样品中加“示踪剂”(放射性同位素和标记化合物)，然后通过测定示踪剂的位置和数量，追踪探测样品内部示踪原子放射性水平的变化及其活动情况来显示被研究样品的运动和变化规律，它能使我们在极复杂和隐蔽的化学和物理过程中来研究运动。122同位素示踪的原理

同位素(及其化合物)与普通元素(及其化合物)之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是核物理性质不同。因此，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。通过核仪器探测放射性同位素不断地放出特征射线，就可以随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。132同位素示踪的原理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。

这些方法不像测量放射性的方法那样灵敏。142同位素示踪的原理化学标记：放射性示踪核素处于被研究系统组分相同的化合物中，跟踪特定元素的运动，反应或代谢过程，以得出关于该系统化学变化的信息。152同位素示踪的原理物理标记：放射性示踪核素不是被追踪系统的基本部分，而是以某种方式附着在被研究的对象或介质上，它的辐射可以用某种方法被探测，但其化学性质表现并不重要。163同位素示踪的发展史“tracer”的概念是G.deHevesy(赫维西)在1923年提出的。1911年，Hevesy在英国卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，他在剩菜中放上微量的放射性钍(Th)，然后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他每次都能准确地判断出他所吃的菜是剩菜还是新菜。173同位素示踪的发展史1923年，Hevesy在丹麦玻尔实验室工作期间，将豆科植物浸泡在含有天然放射性核素210Pb(RaD)和212Pb(ThB)的铅盐溶液中，研究植物吸收铅的机制(分布和转移)。结果发现：铅全部被吸附在根部。183同位素示踪的发展史1934年，Curie夫妇发现人工放射现象，获得具生物意义的32P、45Ca等。32P示踪：1935年，将32P注入大白鼠中，证明骨骼中的矿物质成分会再补充。1936年，Lawrence&JHLawrence兄弟将人工放射性同位素P-32注射入人体进行白血病的治疗。193同位素示踪的发展史1940年，Ruben等用18O示踪发现光合作用O2来自于水的光解。14C示踪：1949年，Calvin用14C揭示了光合作用，表明植物根部也能够发生光合作用。

203同位素示踪的发展史1952年，Hershey和Chase使用35S和32P双标记噬菌体感染实验证明DNA是遗传信息的载体，在50年代还利用14C确定了光合作用最初产物是PGA，并提出了卡尔文循环。60年代，使用14C、13C、18O等，发现了植物光呼吸作用。1977年，Sanger等采用放射性标记技术和ARG技术，成功地进行了DNA序列测定。……214放射性示踪法的特点灵敏度高目前，化学分析只能达到10-9g(很难达到10-12g)可探测<1nCi,或10-1410-18g，从1015个非放射性原子中查出一个放射性原子比重量分析天平敏感107-108倍测量简便、易分辨不受非放杂质干扰，活体研究，体外测量224放射性示踪法的特点提供原子、分子水平的研究手段微观作用机理、动态变化过程合乎生理条件不扰乱体内生理过程的平衡状态定位、定量准确核显像技术，组织器官、细胞、亚细胞水平定量定位235同位素示踪技术的关键选好示踪剂(TRACER)一种带有特殊标记的物质，当它加入到被研究对象中后，人们可根据其运动和变化来洞悉原来不易或不能辨认的被研究对象的运动和变化规律。同位素化学性质相同，可正确反映研究对象在物理、化学和生物过程中的性质和行为。核素的放射特性不改变物质的物理和化学性质。选好显象剂(IMAGINGAGENT)或核素测量技术245.1放射性示踪剂的选择放射性核素：天然58种，人工约1300种。大多数放射性核素不能用作放射性示踪剂。原因：制备困难、半衰期不合适、放射性不足。255.1放射性示踪剂的选择放射性示踪剂的选择依据：放射性半衰期辐射类型和能量放射性比活度放射性核素的纯度放射性核素的毒性示踪剂的生物半衰期265.1放射性示踪剂的选择一、放射性半衰期

一般要选择最适宜的半衰期τ的放射性同位素，使τ足够长，从而使衰变校正有意义或干脆不必作衰变校正，同时又要足够短，能较安全地进行示踪实验，并使得放射性废物容易处理。

275.1放射性示踪剂的选择一、放射性半衰期在实际工作中，使用的放射性同位素的半衰期应该与实验需要持续的时间t相适应，如对于某个实验：当t／τ＝0.04时，应选放射性同位素的衰变校正为3.5％；当t／τ＝0.10时，应选放射性同位素的衰变校正为6.6％；当t／τ＝0.15时，应选用其衰变校正为10％。

285.1放射性示踪剂的选择一、放射性半衰期

体外示踪一般选用半衰期较长而射线强度适中，既利于探测，又易于防护和保存的放射性示踪剂。

体内示踪时，若实验周期短，应选用半衰期短，且能放出一定强度γ射线物放射性同位素，若实验周期长，如需要将动物活杀后对组织脏器分别测定的，则应选用半衰期较长放射性同位素。

295.1放射性示踪剂的选择一、放射性半衰期此外，根据实验目的来选用定位的或不定位的标记示踪剂。例如研究氨基酸的脱羧反应，14Ｃ应标记在羧基上，只有这种定位标记的氨基酸，才能在脱羧后产生14CO2。而有些实验不要求特定位置标记，只须均匀标记即可。

305.1放射性示踪剂的选择二、辐射类型和能量探测效率高，易于防护；32P;14C,3H

穿透性好，100-600keV;99Tc,111In,201Tl三、放射性比活度原始比活度足够高；315.1放射性示踪剂的选择四、放射性核素的纯度检验放射性纯度和放射化学纯度；提纯。在示踪剂制备期间、贮存期间，试验体系中所使用的溶剂、化学试剂、酶等可能会产生化学杂质、放射化学杂质及辐射自分解引起的放射性杂质，这些杂质的存在，使得示踪实验中使用的示踪剂不“纯”，而或多或少影响实验的结果，甚至会导致错误结论。

325.1放射性示踪剂的选择五、放射性核素的毒性尽量选择低毒组核素；90Sr

高毒,89Sr

中毒。六、示踪剂的生物半衰期选择生物半衰期短的示踪剂，减少辐射剂量。33最常用的放射性示踪核素核素CAS登录号ChemicalAbstractServiceT1/2比活度（Bq/mMl）射线能量（Mev）衰变产物生物半衰期d14C14762-75-55.730y0.156,100%14N103H10028-17-812.3y0.018,100%3He1235S15117-53-086.7d0.17,100%35Cl9032P14596-37-314.3d1.7,100%32S257125I14158-31-760.2d0.03,90%125Te138许多标记化合物都是14C和3H为基础制取的.迄今,作为商品出售的放射性标记化合物已达1000多种,其中,14C标记化合物约600多种,3H约300多种,125I和131I标记有100多种.345.2放射性同位素测量方法的选择一、探测器的选择

取决于射线种类，对于α射线通常可用硫化锌晶体、电离室、核乳胶；对能量高的β射线可用云母窗计数管、塑料闪烁晶体及核乳胶测定，对于能量低的β射线可用液体闪烁计数器测量；对于γ射线则用G-M计数管，碘化钠（铊）闪烁晶体探测。目前大多数实验室主要采用晶体闪烁计数法和液体闪烁计数法两种测量方式。355.2放射性同位素测量方法的选择二、最佳测量条件的选择同一台探测仪器对不同量的示踪剂具有不同的最佳工作条件，在实验准备阶段要检查探测器是否已调到所用示踪同位素的工作条件，否则需要用一定量的示踪剂作为放射源(或选用该同位素的标准源)，把探测器的最佳工作条件调整好，并且要保证探测器性能处于稳定可靠的状态。365.2放射性同位素测量方法的选择二、最佳测量条件的选择坪曲线最好的品质因素测量时间和测量次数剂量及给入途径的选择通常小于1～几μCi，用量控制在最大允许剂量之内，避免辐射效应。样品中所含放射性强度的要求，是使其放射性计数率大于或等于本底计数的10～20倍。376同位素示踪的应用化学：反应过程；生命科学：代谢、物质转化、生命现象；医学：免疫化学、疾病的诊断；农、牧学：代谢、灭害；地质科学：地下水流向和流速、油田开发；

工程问题：地下管网渗漏、机械磨损；..........386.1在化学研究中的应用分子结构的研究：同位素交换反应。

不发生化学反应，只在不同化学物质的同位素重新分配所引起的同位素分馏作用。常见的反应有：12CO2+13CH4=13CO2+12CH413CO2+H12CO3--=12CO2+H13CO339因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发生变化，从而引起光谱谱线位移，因此可以进行分子结构的研究。化学反应机理研究：化学键的形成方式。反应中发生的分子重排、异构、裂解、水解过程。催化反应中吸附催化机理、吸附分子寿命。40同位素稀释法

原理：放射示踪剂与待测物混合→分离→测量实例：P&G公司测定洗衣粉中主要成分的残留量放射分析法

原理：泛指用放射示踪剂测定浓度的各种方法实例：50万年前北京猿人会不会用火416.2在生物学中的应用17世纪：光学显微镜发明标志着生物医学发展中的里程碑20世纪：放射性示踪技术的诞生对生物学推进同样重要426.2在生物学中的应用研究植物的营养生理、对营养元素以及农药的吸附、转运、分配和积累规律。研究人和动物体内物质的吸收、分布、代谢和排泄情况。为分子生物学提供原子和分子水平的研究手段应用于基因工程

。43放射自显影术用于研究标记化合物在机体、组织和细胞中的分布、定位、排出以及合成、更新、作用机理、作用部位等等。其原理是将放射性同位素（如14C和3H）标记的化合物导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织中的放射性即可使乳胶感光。44然后经过显影、定影处理显示还原的黑色银颗粒，即可得知标本中标记物的准确位置和数量，放射自显影的切片还可再用染料染色，这样便可在显微镜下对标记上放射性的化合物进行定位或相对定量测定。45卡尔文循环（光合碳循环）：

用放射性示踪技术研究植物的光合作用过程，发现植物吸收CO2以及CO2被还原为碳水化合物并转化为葡萄糖。由于每一次放射性衰变能够指示出单个原子所处的位置，因此在各个化学反应的各个阶段，通过高灵敏度的探测器可以一直跟踪某种放射性核素的径迹，从而可以窥视用其他技术不能发现的反应机理和历程。461961，卡尔文获得诺贝尔化学奖。获奖原因：研究光合作用的化学过程。光合作用的概念和公式47叶绿体与光合作用的过程48光反应与暗反应的比较项目光反应暗反应区别反应部位类囊体膜上叶绿体基质中与光关系光引起，光下进行光激活某些酶反应步骤①光能吸收、转换

②水光解、放氧

③ATP生成与供能

④电子与[H]传递⑤CO2固定

⑥C3酸还原

⑦C6糖合成

⑧C5糖再生主要产物O2、ATP、[H]葡萄糖、氨基酸等反应实质光能→电能→化学能同化CO2形成储能有机物两者联系光反应为暗反应提供ATP和[H]，暗反应继续完成储能过程491642年，赫尔蒙特(J.B.vanHelmont)五年后柳树增重74.47kg土壤减少0.06kg水分是建造植物体的唯一原料501771年，普里斯特利(JosephPriestley)1、蜡烛燃烧和小白鼠呼吸需要的是什么气体？2、这个实验说明什么问题？绿色植物在光照下产生了氧气511864年，萨克斯(JuliusvonSachs)1、为什么对天竺葵先进行暗处理？

2、为什么让叶片的一半曝光，另一半遮光呢？绿叶在光合作用中产生了淀粉521880年，恩吉尔曼(C.Engelmann)1、为什么选用水绵作为实验材料2、为什么选用黑暗并且没有空气的环境？叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所

53光合作用释放的O2到底是来自H2O，还是CO2呢，还是两者兼而有之？541930年，范尼特(vanNiet)

551941年，鲁本(S.Ruben)1、同位素标记法2、同位素标记进行光合作用的实验，是为了弄清楚在光合作用中产生的氧到底是来自水还是二氧化碳？还是两者兼而有之？考虑一下，应标记哪一种元素？如何设计这个实验呢？56用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2,使它分别成为H218O和C18O2。

进行两组光合作用的实验：57光合作用的反应式586.3在生物化学研究的应用生物体内的物质代谢。确定代谢途径或中间代谢环节。找出代谢物在体内发生变化之后的产物。找出体内存在的各种生化物质的前身。596.3在生物化学研究的应用传统实验方法整体实验。离体实验。 传统实验方法的缺点。同位素示踪法示踪量，不破坏体内生理过程的平衡。3H（T1/2=12.3y),14C(T1/2=5730y)。液体闪烁测量;加速器质谱法（AMS）。60研究光合作用单细胞绿藻悬液+光+14CO2纯化悬液，提取内含物双向纸层析分离放射自显影14C-3-磷酸甘油酸14C-1，3-二磷酸甘油酸14C-葡萄糖1940，Calvin确定了碳固定循环，并发现了相应的酶。1961，获诺贝尔奖6.3在生物化学研究的应用61目前全世界80%的同位素用于医学核药物的分类诊断核药物：进入体内的示踪剂，产生γ射线，通过体外监测装置记录示踪剂在体内的位置、不同器官浓度及随时间的变化。如：扫描机、γ相机、SPECT（单光子发射计算机断层技术）、PET（正电子发射计算机断层技术）显象：平面显象、三维断层显象、动态显象6.4在医学上的应用62

治疗核药物：利用放射性核素衰变时产生射线的辐照效应达到治疗的目的。多为α、β衰变剂量定位在体内某特定部位如：131I-NaI：治疗甲亢、甲状腺癌63常用的放射性药物64放射性药物99mTc

（锝）生产便利，（99mTc标记物占80%）物理特性：

T1/2=6.02h；γ辐射，E=141keV，适用于γ相机和SPECT临床应用：可标记多种化合物→脏器显象剂心肌显象、脑显象656.4在医学上的应用

——Na131I诊断甲状腺功能口服示踪量Na131I

，在甲状腺部位测量放射性，求131I吸收率。66定义：应用放射示踪剂测定体液中生物活性物质含量的体外检测技术。原理：放射性标记抗原和非标记抗原对限量特异性抗体的竞争抑制反应。常见分析方法：测量X和γ射线样品的放免计数器测量软β射线样品的液体闪烁计数器

6.4医学上的应用

——放射免疫分析（RIA）67糖尿病人血浆中胰岛素浓度；125I-T4,血清中甲状腺素浓度；内分泌学,肿瘤学,免疫学,病毒学等;测定300多种人体活性物质和药物,灵敏度达10-910-12g

6.4医学上的应用

——放射免疫分析（RIA）68

放射性示踪剂以某种化合物的形式给药.诊断是根据这些放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。131I59Fe32P99Tc23Na

8.1d45.1d14.3d6.0h14.8h

甲状腺红血细胞眼,肝,瘤心脏,骨,肝,肺循环系统辐射源半衰期检查部位696.5环境同位素示踪体系研究我国城市和乡村环境污染查定体系较为健全，但环境污染源的确定，尚无人开展。特别是重金属是否侵入体内及其它污染源的确定。运用同位素理论，进行城市环境污染同位素示踪研究，确定贵金属是否侵入人体内，以便为环境治理提供决策依据。706.5环境同位素示踪体系研究地下水渗透和水库泄漏同位素示踪体系研究。我国南方大量发育碳酸盐岩地层，这种地层不易保存水，因此地下水和水库坝区水容易渗透或泄漏，运用同位素示踪的方法可以较快查明渗透或泄漏过程及其区域，给综合治理提供决策依据。716.5环境同位素示踪体系研究大气环境过程中同位素鉴别，我国南方大部分工业城市大气污染较为严重，这些污染的发源地一直难以鉴别，同位素示踪可以很好解决这个问题。72133Xe-地下管道检漏6.5环境同位素示踪体系研究736.6放射自显影技术原理：

放射性核素的电离辐射使照相乳胶感光，显示样品中的放射性分布，从而给出定位和定量信息。747放射性核素的来源反应堆生产：131I、133Xe、24Na、99Mo中子流→靶材料产额决定于中子能量、通量密度、靶核数、核反应截面、照射时间等。加速器生产：11C、13N、15O带电粒子（p、He、α等）→靶材料。小型化、投资少、结构紧凑。75放射性核素发生器-Mo-Tc母牛7放射性核素的来源767放射性核素的来源此装置是将母体核素99Mo（钼）吸附在一定的吸附柱上，用合适的洗脱剂（一般是用生理盐水）将子体核素99mTc（锝）洗脱下来应用于临床，此过程形似“挤牛奶”，每天可洗脱2～3次，洗脱下来的99mTc（锝）液可直接供临床使用或制备成放射性药物。777放射性核素的来源具体过程：由235U的裂变产物经过多次分离纯化，得到99Mo—钼酸铵溶液，然后装入有酸性Al2O3吸附剂的色谱柱上，发生如下反应

99MoO42-+2R+

R299MoO4R++R99TcmO4-

用生理盐水淋洗，可将结合弱的单电荷99TcmO4-离子淋洗下来，而2个电荷的99MoO42-

离子仍牢固的保留在柱上。787放射性核素的来源99mTc有合适的半衰期（6.02H)和良好的辐射特性,病人所受的辐射剂量小，140keV的单光子显像分辨率高；同时99mTc有良好的化学性质，可与多种含氧、氮、硫的有机或无机物作用成络合物。这些络合物无论在体内或体外均较稳定，可用于人体多种组织器官的疾病诊断。797放射性核素的来源在发生器内，随着母体核素99Mo的衰变，子体核素99mTc不断增长、衰变，直到达到放射性平衡，使用化学分离方法从母体中获得无载体的子体。发生器可在一定时间内重复运行，直到母体核素的放射性活度减到很弱为止。这一现象恰似从母牛中挤奶，故放射性核素发生器俗称“母牛”。以99mTc标记的核药物几乎占临床所用的放射性药物的80%以上。808示踪在考古中的应用基本原理公式母核素P的衰变常数为λ，初始时核数为N0，t时刻为Np，子核素的核数Nd，则有：818示踪在考古中的应用用于年代测量的天然放射性核素母核子核母核半衰期（年）87Rb铷87Sr锶(4.072±0.04)×1010238U206Pb(4.468±0.002)×10940K40Ar+40Ca(1.277±0.008)×109235U208Pb(7.038±0.005)×10836Cl36Ar(3.00±0.02)×10514C14N5730±403H3He12.28±0.00382碳14测定技术20世纪80年代末，全世界的基督徒都在奔走相告，原来，教会用高科技澄清了一个历史大悬案，这就是关于耶稣裹尸布的真伪鉴定，鉴定证明了那块使人崇敬了多年的裹尸布是假的，它的原料纤维是13世纪才种出来的，而此时耶稣已被钉在十字架上1200多年了。这个轰动世界的年代鉴定是由碳14做出的。

83利用碳的放射性同位素碳－14的放射性测定生物体遗骸及其他地质样品的绝对年代的是W.F.利比于1947年创立,他也因此获得1960年的诺贝尔化学奖。基本原理：宇宙线的中子同大气中的氮-14反应，产生具有放射性的碳-14,其平均寿命τ＝8266±30年。由于产生和衰变之间的平衡，加上碳-14的平均寿命较长和大气、海洋等巨大的碳的交换贮存库的调剂,因此大气中的CO2的碳-14的放射性比活度基本保持为一不变的常数A0。84生物体同大气进行气体交换，其体内的碳-14的放射性比活度也十分接近为A0。一旦生物体死亡,它同大气的交换停止,其碳-14的放射性比活度A就按指数规律减少A=A0e-t/τ测量A和A0的值,就能定出生物体从死亡至今的绝对年代t。85碳-14测年法分为常规碳-14测年法和加速器质谱碳-14测年法两种。当时，Libby发明的就是常规碳-14测年法。碳-14测定年代主要是采用低本底、低能量（碳-14的最大能量为0.156MeV）的β测量技术。因为天然碳中的碳-14放射性比活度很低，A0为2.25×102Bq/kg，而样品年代愈古老,A值愈低。目前常用的探测器有正比计数器和液体闪烁计数器。测量时采用屏蔽，宇宙线反符合环，假信号甄别等方法来降低探测器的本底。目前碳-14方法的最大可测年限约为三万年，测量精确度一般为一百年左右。86用加速器的超灵敏质谱仪直接测定样品中的碳-14原子数目，有可能将碳-14方法的最大可测年代增至近十万年。87加速器质谱碳-14测年法具有明显的独特优点。一是样品用量少，只需1～5毫克样品就可以了，如一小片织物、骨屑、古陶瓷器表面或气孔中的微量碳粉都可测量；而常规碳-14测年法则需1～5克样品，相差3个数量级。二是灵敏度高，其测量同位素比值的灵敏度可达10-15至10-16；而常规碳-14测年法则与之相差5～7个数量级。三是测量时间短，测量现代碳若要达到1%的精度，只需10～20分钟；而常规碳-14测年法却需12～20小时。88碳-14测定年代方法的可靠性已经被对已知年代的考古样品和生物样品(树木年轮)的测定所证实，并在考古学、人类学、地质学等领域中得到广泛的