同位素示蹤

同位素示蹤法是利用放射性核素或稀有穩定核素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，示蹤實驗的創建者是Hevesy。Hevesy於1923年首先用天然放射性212Pb研究鉛鹽在豆科植物內的分布和轉移。繼後Jolit和Curie於1934年發現了人工放射性，以及其後生產方法的建立（加速器、反應堆等），為放射性同位素示蹤法的更快的發展和廣泛套用提供了基本的條件和有力的保障。

基本介紹

• 中文名：同位素示蹤法
• 利用：放射性核素
• 方法：微量分析方法
• 創建者：Hevesy

簡介

用放射性核素或稀有穩定核素作為示蹤劑，研究化學、生物或其他過程的方法。

放射性核素或稀有穩定核素的原子、分子及其化合物，與普通物質的相應原子、分子及其化合物具有相同的化學、生物學性質。例如，含有放射性核素的食物、藥物或代謝物質，與相應的非放射性的食物、藥物或代謝物質在生物體內所發生的化學變化及生物學過程完全相同。可以利用放射性核素的原子作為一種標記，製成含有這種標記核素的食物、藥物或代謝物質。由於放射性核素能不斷地發射具有一定特徵的射線；通過放射性探測方法，可以隨時追蹤含有放射性核素的標記物在體內或體外的位置及其數量的運動變化情況。如果用穩定核素原子作為標記，則通過探測該原子的特徵質量的方法追蹤。

示蹤原子(又稱標記原子)，是其核物理特徵易於探測的原子。含有示蹤原子的化合物稱為標記化合物。在特殊情況下，有時也採用標記的細胞、微生物、動植物等各類標記物。

1912年G.C.de赫維西首先試用同位素示蹤技術，並陸續作了許多工作。由於其開創性貢獻赫維西1943年獲得了諾貝爾化學獎。從30年代開始隨著重氫同位素和人工放射性核素的發現，同位素示蹤方法大量套用於生命科學、醫學、化學等領域。同位素示蹤一方面使人們的觀察和識別本領提高到分子水平，另一方面廣泛套用於地球環境的各類問題，甚至包括其他星球是否有生命存在之類的問題，為人們認識世界開闢了一個新的途徑。國際原子能機構的一份公報指出：“從對技術影響的廣度而論，可能只有現代電子學和數據處理才能與同位素相比”。

基本原理和特點

同位素示蹤所利用的放射性核素（或穩定性核素）及它們的化合物，與自然界存在的相應普通元素及其化合物之間的化學性質和生物學性質是相同的，只是具有不同的核物理性質。因此，就可以用同位素作為一種標記，製成含有同位素的標記化合物（如標記食物，藥物和代謝物質等）代替相應的非標記化合物。利用放射性同位素不斷地放出特徵射線的核物理性質，就可以用核探測器隨時追蹤它在體內或體外的位置、數量及其轉變等，穩定性同位素雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應同位素的質量之差，通過質譜儀，氣相層析儀，核磁共振等質量分析儀器來測定。放射性同位素和穩定性同位素都可作為示蹤劑（tracer），但是，穩定性同位素作為示蹤劑其靈敏度較低，可獲得的種類少，價格較昂貴，其套用範圍受到限制；而用放射性同位素作為示蹤劑不僅靈敏度，測量方法簡便易行，能準確地定量，準確地定位及符合所研究對象的生理條件等特點：

同位素示蹤

靈敏度高

放射性示蹤法可測到10^-14－10^-18克水平，即可以從1015個非放射性原子中檢出一個放射性原子。它比目前較敏感的重量分析天平要敏感10⁸-10⁷倍，而迄今最準確的化學分析法很難測定到10^-12克水平。

方法簡便

放射性測定不受其它非放射性物質的干擾，可以省略許多複雜的物質分離步驟，體內示蹤時，可以利用某些放射性同位素釋放出穿透力強的r射線，在體外測量而獲得結果，這就大大簡化了實驗過程，做到非破壞性分析，隨著液體閃爍計數的發展，14C和3H等發射軟β射線的放射性同位素在醫學及生物學實驗中得到越來越廣泛的套用。

定位定量準確

放射性同位素示蹤法能準確定量地測定代謝物質的轉移和轉變,與某些形態學技術相結合（如病理組織切片技術，電子顯微鏡技術等），可以確定放射性示蹤劑在組織器官中的定量分布，並且對組織器官的定位準確度可達細胞水平、亞細胞水平乃至分子水平。

符合生理條件

在放射性同位素實驗中，所引用的放射性標記化合物的化學量是極微量的，它對體內原有的相應物質的重量改變是微不足道的，體內生理過程仍保持正常的平衡狀態，獲得的分析結果符合生理條件，更能反映客觀存在的事物本質。 放射性同位素示蹤法的優點如上所述，但也存在一些缺陷，如從事放射性同位素工作的人員要受一定的專門訓練，要具備相應的安全防護措施和條件，在目前個別元素（如氧、氮等）還沒有合適的放射性同位素等等。在作示蹤實驗時，還必須注意到示蹤劑的同位素效應和放射效應問題。所謂同位素效應是指放射性同位素（或是穩定性同位素）與相應的普通元素之間存在著化學性質上的微小差異所引起的個別性質上的明顯區別，對於輕元素而言，同位素效應比較嚴重。因為同位素之間的質量判別是倍增的，如3H質量是1H的三倍，2H是1H的兩倍，當用氚水（3H2O）作示蹤劑時，它在普通H2O中的含量不能過大，否則會使水的物理常數、對細胞膜的滲透及細胞質粘性等都會發生改變。但在一般的示蹤實驗中，由同位素效應引起的誤差，常在實驗誤差內，可忽略不計。放射性同位素釋放的射線利於追蹤測量，但射線對生物體的作用達到一定劑量時，會改變機體的生理狀態，這就是放射性同位素的輻射效應，因此放射性同位素的用量應小於安全劑量，嚴格控制在生物機體所能允許的範圍之內，以免實驗對象受輻射損傷，而得錯誤的結果。

套用

在生命科學中的套用

同位素示蹤方法的套用，使人們可以從分子水平動態地觀察生物體內或細胞內生理、生化過程，認識生命活動的物質基礎。例如，用C、O等同位素研究光合作用，可以詳細地闡明葉綠素如何利用二氧化碳和水，什麼是從這些簡單分子形成糖類等大分子的中間物，以及影響每步生物合成反應的條件等。又如，通過採用C、H、P等同位素對核酸同蛋白質相互關係的研究，不但可以了解生物體內生成核酸和蛋白質的複雜過程,甚至可以了解生物遺傳是如何實現的,乃至探討人工改造遺傳特徵的可能性，因而產生了分子遺傳學及遺傳工程等新學科（見同位素示蹤在生命科學中的套用）。

在工業上的套用

在工業生產中，示蹤原子為使用多種高效能的檢驗方法及生產過程自動控制的方法提供了可能性，解決了不少技術上和理論上的問題。下面列舉幾種主要套用。 確定擴散速度 　金屬間擴散的速度隨溫度而變。如用電鍍的方法將Ag、 Cu或 Zn沉積在另一種金屬片的表面上,在特定溫度中處理一定時間後,再從該金屬片依序切下許多薄層，用探測儀器或放射自顯影法測定每層的放射性，便可確定銀、銅或鋅在上述金屬片內擴散的速度，以及溫度對各種金屬穿透深度的影響。

測定機械磨損 　用中子照射使易磨損部位的材料活化，通過測定磨下的碎屑的放射性，即可測定磨損量。

測定流體流速 　某一時刻在流管上端某處注入少量示蹤劑，在流管下端另一處測定示蹤劑的到達時間，再根據兩處的距離即可測定流體的流速。如測定石油在輸油管中的流速等。

合金結構分析 　在一定比例的鎳、鉻、鎢混合物中，加入少量放射性W,經熔煉後，將合金表面磨光，上面覆蓋底片，進行放射自顯影。所得圖譜顯示，鎢在合金中分布成樹枝狀的斑紋。用這種方法，可以研究金屬在不同冶煉過程中（或合金在熱處理前後）的結構變化。

在醫學上的套用

在醫學上，同位素示蹤主要用於診斷疾病。例如，利用同位素示蹤劑被稀釋的原理測定水容量、血容量；利用示蹤劑移動及其速度測定血流量、腎功能、心臟功能、血栓形成、消化道失血；利用組織器官攝取示蹤劑的數量檢查甲狀腺功能、發現腫瘤;利用示蹤劑在組織器官的分布獲得臟器影像、胎盤定位;利用示蹤劑同相應被測物質對某一試劑競爭結合的原理或體內元素被粒子、光子等活化的原理測定體內或血、尿等標本中的微量成分；利用示蹤劑在體內被代謝的程度或速度測定胃腸道吸收、肝功能、紅細胞生成及其壽命。已用於醫學的同位素不下一百餘種,其中最常用的有Tc、I、I、I、P、Cr、Fe、H、In 等（見核醫學）。

在農業及畜牧業上的套用

示蹤方法廣泛套用於農業科學研究，並產生了巨大的經濟效益。最主要的成果有施肥途徑和肥效的研究；殺蟲劑、除莠劑對昆蟲和雜草的生物作用；植物激素，生長刺激素對農作物代謝和功能的影響；激素、維生素、微量元素、飼料、藥物對家畜生長和發育的影響；以及用同位素標記昆蟲、寄生蟲、魚及動物等所發現的這些大小動物的生命周期、遷徙規律、交配和覓食習性等（見放射性同位素在農業上的套用）。

其他套用

在物理、化學等自然科學和日益受到重視的環境科學中，示蹤方法也得到廣泛套用。下面是一些主要的套用例子。 超薄厚度的測定 　例如在用暗視野檢查的電子顯微鏡標本上，常用真空蒸發的方法塗一層鎘的薄膜。加微量具有放射性的Cr到鎘中,測定一定面積薄膜的放射性。另外把含有不同重量的同一標記物的溶液在相同面積上蒸乾並計數，作為標準。比較薄膜樣品和標準的放射性，就可測出薄膜的重量，從而求出其厚度。此法可測出厚度薄至2.5×10m的量級。

溶解度的測定 　把已知放射性比活度(見放射性)的Ba標記的硫酸鋇溶於水中；當溶液達到飽和以後，取出一小部分來測量其放射性比活度。從測得的放射性比活度，就可算出單位體積內硫酸鋇的含量或硫酸鋇的溶解度。

化學反應的歷程 　例如在酯類的水解過程中，究竟是醯基-氧鍵(a)斷裂，還是烷基-氧鍵(b)斷裂呢，用含有的氫氧化鈉水溶液進行皂化後發現,標記原子進入到水後生成酸分子，而不進入到醇分子中去。這充分證明了,反應中被打開的是醯基-氧鍵,即是在a處斷開的。

同位素示蹤

環境污染的檢查 　例如在製造螢光燈等接觸汞的工業，需要探測空氣中汞的濃度，以保證工人不會發生汞中毒。很方便的方法，就是用Hg來標記汞，然後用探測儀器測量車間空氣中的放射性，檢查汞有否超過最高允許濃度。

放射性核素也可用作監測沿海污染的手段。例如，以Br標記的溴化銨作為示蹤劑,模擬釋放到海洋中去的污水。將此示蹤劑被注入到污水出口處，它的擴散和途徑,反映了污水在大海中的稀釋和運輸。在不同水路測出的放射性位置及強度，代表特定情況下的水流圖案。最後，依靠稀釋曲線、水流方向及速度以及污染指示劑的消失率等數據，編成海岸不同位置的污染統計資料。

水利學考察 　海洋湍流和大風對水流泥沙遷徙的影響是水利學工作經常需要考察的對象之一。有一種方法是將 Sc吸附在離子交換樹脂，其大小接近於天然砂粒，然後將其投入河口或海岸附近水中，用放射性探測儀器追蹤，便可研究各種自然條件的變化（如颳風）對砂流的影響，乃至泥砂淤積的地點和速度等。

放射性碳紀年法 　見碳－14測定年代。