基本介紹
- 中文名：放射性同位素
- 外文名：Radioactive isotope
- 特點：原子核很不穩定
- 公式：N=N0e- λt
- 符號：Bq
- 作用：把物體內部的情況顯示在照片上等
- 發展方向：利用它的射線等
- 學科：核地質學
基礎知識,主要作用,主要方面,發展方向,套用,
基礎知識
為什麼同位素具有放射性
不久，就從不同放射性元素得到一種鉛的相對原子質量是206.08，另一種則是208。1897年英國物理學家W.湯姆遜發現了電子，1912年他改進了測電子的儀器，利用磁場作用，製成了一種磁分離器（質譜儀的前身）。當他用氖氣進行測定時，無論氖怎樣提純，在屏上得到的卻是兩條拋物線，一條代表質量為20的氖，另一條則代表質量為22的氖。這就是第一次發現的穩定同位素，即無放射性的同位素。當F.W.阿斯頓製成第一台質譜儀後，進一步證明，氖確實具有原子質量不同的兩種同位素，並從其他70多種元素中發現了200多種同位素。到目前為止，己發現的元素有109種，只有20種元素未發現穩定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。大多數的天然元素都是由幾種同位素組成的混合物，穩定同位素約300多種，而放射性同位素竟達1500種以上。
放射性同位素的特點
放射性同位素（radioisotope）是不穩定的，它會“變”。放射性同位素的原子核很不穩定，會不間斷地、自發地放射出射線，直至變成另一種穩定同位素，這就是所謂“核衰變”。放射性同位素在進行核衰變的時候，可放射出α射線、β射線、γ射線和電子俘獲等，但是放射性同位素在進行核衰變的時候並不一定能同時放射出這幾種射線。核衰變的速度不受溫度、壓力、電磁場等外界條件的影響，也不受元素所處狀態的影響，只和核素本身有關。放射性同位素衰變的快慢，通常用“半衰期”來表示。半衰期（half-life）即一定數量放射性同位素原子數目減少到其初始 值一半時所需要的時間。如P(磷)－32的半衰期是14.3天，就是說，假使原來有100萬個P(磷)－32原子，經過14.3天后，只剩下50萬個了。半衰期越長，說明衰變得越慢，半衰期越短，說明衰變得越快。半衰期是放射性同位素的一特徵常數，不同的放射性 同位素有不同的半衰期，衰變的時候放射出射線的種類和數量也不同。
放射性強度及其度量單位
放射性同位素原子數目的減少服從指數規律。隨著時間的增加，放射性原子的數目按幾何級數減少，用公式表示為： N=N0e- λt這裡，N為經過t時間衰變後，剩下的放射性原子數目，N0為初始的放射性原子數目，λ為衰變常數，是與該种放射性同位素性質有關的常數，λ=y(t) =e-0.693t/τ，其中τ指半衰期。對放射性強度等計算單位採用了國際單位制（SI）， 我國於1986年正式執行。在SI中，放射性強度單位用貝柯勒爾（becquerel）表示，簡稱貝可，為1秒鐘內發生一次核衰變，符號為Bq。1Bq=1dps=2.703×10-11Ci該單位在實 際套用中減少了換算步驟，方便了使用。
射線與物質的相互作用
放射性同位素放射出的射線碰到各種物質的時候，會產生各種效應，它包括射線對物質的作用和物質對射線的作用兩個相互聯繫的方面。例如，射線能夠使照相底片 和核子乳膠感光；使一些物質產生螢光；可穿透一定厚度的物質，在穿透物質的過程 中，能被物質吸收一部分，或者是散射一部分，還可能使一些物質的分子發生電離； 另外，當射線輻照到人、動物和植物體時，會使生物體發生生理變化。射線與物質的 相互作用，對核射線來說，它是一種能量傳遞和能量損耗過程，對受照射物質來說， 它是一種對外來能量的物理性反應和吸收過程。
各種射線由於其本身的性質不同，與物質的相互作用各有特點。這種特點還常與物質的密度和原子序數有關。α射線通過物質時，主要是通過電離和激發把它的輻射能量轉移給物質，其射程很短，在空氣中的射程 約1.0厘米，在鉛金屬中只有23微米（μm）。當電子經過原子核附近時受庫倫場的加速會輻射電磁波，稱為軔致輻射。軔致輻射是一種連續的電磁輻射，它發生的幾率與β射線的能量和物質的原子序數成正比，因此在防護上採用低密度材料，以減少軔致輻射。β射線能被不太厚的鋁層等吸收。γ射線的穿透力最強，射程最大，1MeV的r射線 在空氣中的射程約有米之遠，r射線作用於物質可產生光電效應、康普頓效應和電子對效應，它不會被物質完全吸收，只會隨著物質厚度的增加而逐漸減弱。
主要作用
主要方面
1.射線照相技術，可以把物體內部的情況顯示在照片上。
放射性同位素電池
放射性同位素電池2.測定技術方面的套用，古生物年齡的測定，對生產過程中的材料厚度進行監視和控制等。
發展方向
放射性同位素的套用是沿著以下兩個方向展開的。
1.利用它的射線
2.作為示蹤原子一种放射性同位素的原子核跟這種元素其他同位素的原子核具有相同數量的質子(只是中子的數量不同)，這種化合物的原子跟通常的化合物一樣參與所有 化學反應，卻帶有“放射性標記”，用儀器可以探測出來。這種原子叫做示蹤原子。
棉花在結桃、開花的時候需要較多的磷肥，把磷肥噴在棉花葉子上也能吸收。但是，什麼時候的吸收率最高、磷能在作物體記憶體留多長時間、磷在作物體內 的分布情況等，用通常的方法很難研究。如果用磷的放射性同位素製成肥料噴在棉花葉面，然後每隔一定時間用探測器測量棉株各部位的放射性強度，上面的問題就很容易解決。
人體甲狀腺的工作需要碘。碘被吸收後會聚集在甲狀腺內。給人注射碘的放射性同位素碘-131，然後定時用探測器測量甲狀腺及鄰近組織的放射強度，有助於診斷甲狀腺的器質性和功能性疾病。
近年來，有關生物大分子的結構及其功能的研究，幾乎都要藉助於放射性同位素。
套用
同位素示蹤法（isotopic tracer method）是利用放射性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Pb-212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。
同位素示蹤法基本原理和特點
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。 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：
1.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；
2.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，C-14和H-3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；
3.定位定量準確
4.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，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。
示蹤實驗的設計原則
設計一個放射性同位素的示蹤實驗應從實驗的目的性，實驗所具備的條件和對放射性的防護水平三方面著手考慮。δ =n’/n表示放射性標記的分子數n’與總分子數（標記的加未標記的）n之比。採用放射性同位素示蹤技術來實現所研究課題預期目的全部或一部分，一般須經 過實驗準備階段，實驗階段和放射性廢物處理三個步驟。
（一）實驗準備階段
1.示蹤劑的選擇
選定放射性示蹤劑的比活度λqδ的值必須足夠大，以保證實驗所需要的靈敏度，而又要儘可能地小，使得在該實驗條件下輻射自分解可忽略。一般情 形是根據實驗目的和實驗周期長短，來選擇具有合適的衰變方式，輻射類型和半衰期，且放射毒性低的放射性同位素。在任何一種生產方法中，生產步驟很可能包含或多或少的化學處理，因而示蹤實驗人員需要了解某個核素及其周圍的那些元素的化學性質，因為它們有可能成為此放射性同位素的雜質。
選擇放射性示蹤劑還必須同時滿足高化學純度，高放射性核純度的要求。在示蹤劑製備期間、貯存期間以用試驗體系中所使用的溶劑、化學試劑、酶 等可能會產生化學雜質、放射化學雜質及輻射自分解引起的放射性雜質，這些雜質的存在，使得示蹤實驗中使用的示蹤劑不“純”，而或多或少影響實驗的結果，甚至會導致錯誤結論。 氚標記的胸腺嘧啶核苷（3H－TdR）和尿嘧啶核苷（3H－UR）是兩種常用的示蹤劑，前者有效地結合到DNA中，後者則摻入到 RNA中，它們的輻射分解速度隨比較放射性的增高及保存時間的延長而增加，在不同溫度和不同溶液中的穩定性也不同。經保存八年的3H-TdR約有35%輻 射分解為3H－胸腺嘧啶，並導致二醇和水合物的形式，在實驗中這雜質會很快摻入細胞並與大分子（很可能是蛋白質）結合，而不是與DNA和RNA相結合，這些雜質用DNA酶和RNA酶處理細胞都不除去。3H－TdR和3H－UR貯存在-20℃的冷凍溶液中輻射分離速度要比+2℃增加3－4倍，但低溫度（- 140℃）對貯存也有利，在允許對示蹤實驗人員在選擇保存放射性示蹤劑時會有所啟發；
測量方法的選擇取決於射線種類，對於α射線通常可用硫化鋅晶體、電離室、核乳膠等方法探測；對能量高的β射線可用雲母窗計數管、塑膠閃爍晶體及核乳膠測定，對於能量低的β射線可用液體閃爍計數器測量：對於γ射線則用G-M計數管，碘化鈉（鉈）閃爍晶體探測。目前大多數實驗室主要採用晶體閃爍計數法和液體閃爍計數法兩種測量方式。
同一台探測儀器對不同量的示蹤劑具有不同的最佳工作條件，在實驗準備階段要檢查探測器是否已調有所用示蹤同位素的工作條件，否則需要用一定量的示蹤劑作為放射源（或選用該同位素的標準源），把探測器的最佳工作條件調整好，並且要保證探測器性能處於穩定可靠的狀態。
探測最佳工作條件的選擇方法：一種是測“坪曲線”，另一種是找最好的品質因素。對於光電倍增管，在理論上不存在“坪”（plateau）。但隨著高壓的增 加，在一定範圍內，脈衝數變化較小，形成一段坡度較小的電壓脈衝曲線，通常也稱其為坪。測坪曲線的方法：固定放射源，根據其射線能量的大小，初選 一個廣 大器增益（放大倍數）和甄別器閾值。不斷地改變高壓（由低到高，均勻增加伏度），每改變一次高壓，都測定一次本底和放射源的計數率，最後作出高壓本底計數 率和高壓放射源計數曲線。用同樣的方法，作另一個甄別閾值（放大倍數不變）下的高壓計數率曲線，這樣反覆多作幾條曲線。相品質因素f=ns/nb 式中ns指某种放射性樣品的計數率。找最好品質因素的方法與 測坪曲線一樣，作出幾條高壓－F（或f）的關係曲線，在幾條曲線中選擇峰值最高的曲線。這根曲線的峰值所對應的條件：高壓，甄別閾，放大倍數等，就是該儀 器對被測同位素的最佳工作條件。最佳品質因素不一定恰好落在“坪”上，有的在“坪”附近，有的卻在“坪”的下端。著眼於把同位素的整個能譜峰都計下來的示 蹤實驗者主張取“坪”所對應的工作條件，而著眼於優值者，主張取最佳品質因素所對應的工作條件，也有人折衷。如果某儀器本底很低，光電倍增管噪音很低和能 譜分辯高，二者應該相差不大。同一台儀器的最佳工作條件，隨儀器的使用期延長而有所改變，不同的放射性同位素，其最佳工作條件不同。因此核探測儀器的最佳 工作條件具有專屬性，並且要經常通過選擇其不同時期的最佳工作條件。更不能不問被測同位素的種類，而千篇一律地使用同一個工作條件。
為了達到準確地計數，可以長時間一次計數，或短時間多次測量，兩者達到的標準誤基本相同，為避免外界因素的影響，在實際工作中，取短時間多 次測量較為合理適用。在測量樣品的放射性時，本底是一個重要影響因素。本底高，則標準誤和標準誤差都增大，尤其在樣品計數較低時，本底對標準誤和標準誤差 的影響就愈大，從而影響實驗結果的精度，而且為了達到一定的精度，勢別要增加樣品的測量時間。根據核衰變的統計規律，在實驗中如果樣品數量少，選擇tN= 1.4tb的比例（式中tN為樣品放射性測量時間，tb為本底測量時間）較為合理；如果樣品數量較多是一大批樣品，則延長本底測量時間tb，取tb的時間均值，而tN則可相對短，這樣可節省時間，有利於縮短實驗周期。對於示蹤實驗設計來說，樣品中所含放射性強度的要求，是使其放射性計數率大於或等於本底計 數的10－20倍；
3.進行非放射性的模擬實驗，把實驗全過程預演一遍
同位素示蹤實驗要求準確、仔細，稍有疏忽或考慮不周就匆忙進行正式實驗，既容易導致實驗失敗，又會造成示蹤劑和其它實驗用品的浪費，還會增加 放射性廢物，增加實驗室本底水平，使實驗者接受不必要的輻射劑量，所以模擬實驗不僅可以檢查正式實驗中所用器材，藥品是否合格，又可以操作人員進行訓練， 以保證正式實驗能順利進行。
（二）正式實驗階段
1.選擇放射性同位素的劑量
同位素必須能經得起稀釋，使其最後樣品的放射性不能低於本底，一般來說放射性同位素在生物體內不是完全均勻地被稀釋，可能在某些器官、組織、 細胞、某些分子中有選擇性地蓄積，蓄積的部分放射性就會很強，在這種情況下，應以相關部位對示蹤劑的蓄積率來考慮示蹤劑用量。在細胞培養，切片保溫，酶反 應等示蹤實驗中，應依據實驗目的、反應時間及反應體積的不同來考慮示蹤劑的用量，通常小於一個微居里或幾個微居里。 由於放射性同位素存在輻射效應，應該根據使用的放射性核素的種類，將用量控制在最大允許劑量之內（maximun permissible dose），以免因劑量過大所造成的輻射效應，給實驗帶來較大的誤差；
2.選擇示蹤劑給入途徑
整體示蹤實驗時，應根據實驗目的，選擇易吸收、易操作的給入途徑，一般給予的數量體積小，要求給予的劑量準確，防止可能的損失和不必要的污染。體外示蹤實驗時，應根據實驗設計的實驗步驟的某個環節加入一定劑量的示蹤到反應系統中去，力求操作準確，仔細；
3.放射性生物樣品的製備
根據實驗目的和示蹤劑的標記放射性同位素的性質製備放射性生物樣品，其中放射性同位素的性質是生物樣品製備形式的主要依據。不論採用何種測量方法，都應該對樣品作定量採集。對某些放射性分散的樣品，應當作適當濃集，如測 定組織內蛋白質的放射性，應對蛋白質作提取處理然後製備成相應的測量樣品。有些樣品需採用灰化法，但灰化法對易揮發的同位素或易揮發的組織樣品不合適；
4.放射性樣品的測量
測量方法分為絕對測量和相對測量。絕對測量是對樣品的實有放射性強度作測量，求出樣品中標記同位素的實際衰變率，在作絕對測量時，要糾正一些 因素對測量結果的影響，這些因素包括儀器探頭對於放射源的相對立體角、射線被探頭接收後被計數的幾率、反散射、 放射源的自吸收影響等等。但是當樣品與探頭之間相距較遠時，由於樣品 與探頭之間形成的相對立體角較小，所以兩者計數率的差異會顯著減小。在用紙片法測量3H標記物的放射性強度時，要注意紙片在閃爍瓶中的位置，一批樣品應該 一致，如果是將濾紙剪成圓狀作支持物，圓片的直徑最好與閃爍瓶底的直徑相等，保證濾紙在閃爍瓶內的位置固定。減小幾何條件對放射性測量的影響可以從三方面 入手：⑴選擇探測窗大的探測器，如光電倍增管作探頭的探測器；⑵在樣品製備時，注意儘量將樣品做成點狀源，這樣當樣品的放射性強度較弱時，由於距離探測窗 較近而有可能造成的水平位移的影響就可以忽略；⑶無論樣品距離探測窗遠近，樣品都應置於探測窗的垂直軸線上，以減少樣品與探測窗之間的相對立體角。
（三）放射性去污染和放射性廢物處理
放射性實驗，無論是每次實驗或階段性實驗結束後，都可能有不同程度的放射性污染和放射性廢物的出現，因此，在實驗結束後，要作去污染處理和放射性廢物處理。必要時在實驗過程進行中，就要作除污染和清理放射性廢物的工作。
在生物化學和分子生物學中的套用
放射性同位素示蹤法在生物化學和分子生物學領域套用極為廣泛，它為揭示體內和細胞內理化過程的秘密，闡明生命活動的物質基礎起了極其重要的作用。近幾年來，同位素示蹤技術在原基礎上又有許多新發展，如雙標記和多標記技術，穩定性同位素示蹤技術，活化分析，電子顯微鏡技術，同位素技術與其它新技術相結合等。由於這些技術的發展，使生物化學從靜態進入動態，從細胞水平進入分子水平，闡明了一系列重大問題，如遺傳密碼、細胞膜受體、RNA-DNA逆 轉錄等，使人類對生命基本現象的認識開闢了一條新的途徑。下面僅就同位素示蹤技術在生物化學和分子生物學中套用的幾個主要方面作一介紹。
1.物質代放謝的研究
體記憶體在著很多種物質，究竟它們之間是如何轉變的，如果在研究中套用適當的同位素標記物作示蹤劑分析這些物質中同位素含量的變化，就可以知道 它們之間相互轉變的關係，還能分辯出誰是前身物，誰是產物 ，分析同位素示蹤劑存在於物質分子的哪些原子上，可以進一步推斷各種物質之間的轉變機制。為了 研究膽固醇的生物合成及其代謝，採用標記前身物的方法，揭示了膽固醇的生成途徑和步驟，實驗證明，凡是能在體內轉變為乙醯輔酶A的化合物，都可以作為生成 膽固醇的原料，從乙酸到膽固醇的全部生物合成過程，至少包括36步化學反應，在鯊烯與膽固醇之間，就有二十個中間物，膽固醇的生物合成途徑可簡化為:乙酸 →甲基二羥戊酸→膽固醇 又如在研究肝臟膽固醇的來源時，用放射性同位素標記物3H－膽固醇作靜脈注射的示蹤實驗說明，放射性大部分進入肝臟，再出現在糞 中，且甲狀腺素能加速這個過程，從而可說明肝臟是處理血漿膽固醇的主要器官，甲狀腺能降低血中膽固醇含量的機理，在於它對血漿膽固醇向肝臟轉移過程的加速作用；
2.物質轉化的研究
物質在機體內相互轉化的規律是生命活動中重要的本質內容，在過去的物質轉化研究中，一般都採用用離體酶學方法，但是離體酶學方法的研究結果， 不一定能代表整體情況，同位素示蹤技術的套用，使有關物質轉化的實驗的周期大大縮短，而且在離體、整體、無細胞體系的情況下都可套用，操作簡化，測定靈敏 度提高，不僅能定性，還可作定量分析。結果發現它們的兩部分的放射性比值基本相等，從而證明了產物 dGMP的戊糖就原標記物GMP的戊糖，而沒有別的來源，否則產物dGMP的鹼基和核糖的比值一定與原標記物GMP的兩部分比值有顯著差別。這個實驗說明 戊糖脫氧是在鹼基與戊糖不分記的情況下進行的，從而證明了脫氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸直接轉化而來的，並不是核糖核苷酸先分解成核糖與鹼基，鹼基再重新接上脫氧杭核糖。無細胞的示蹤實驗可以分析物質在細胞內的轉化條件，例如以3H-dTTP為前身物作DNA摻入的示蹤實驗，按一定的實驗設計摻入後，測定 產物DNA的放射性，作為新合成的DNA的檢出指標；
3.動態平衡的研究
4.生物樣品中微量物質的分析
在放射性同位素示蹤技術被套用之前，由於製備樣品時的丟失而造成回收率低以及測量靈敏度不高等問題，使得對機體正常功能起很重要作用的微量物 質不易被測定。近年來迅速發展、套用愈來愈廣泛的放射免疫分析（radioimmunoassay）技術是一種超微量的分析方法，它可測定的物質300多種，其中激素類居多，包括類固醇激素，多肽類激素，非肽類激素，蛋白質物質，環核苷酸，酶，腫瘤相關的抗原，抗體以及病原體，微量藥物等其它物質；
5.最近鄰序列分析法（Nearest neighbour-sequence analysis method）
放射性同位素示蹤技術，是分子生物學研究中的重要手段之一，對蛋白質生物合成的研究，從DNA複製、RNA轉錄到蛋白質翻譯均起了很大的作 用。最近鄰序列分析法套用同位素示蹤技術結合酶切理論和統計學理論，研究證實了DNA分子中鹼基排列規律，在體外作合成DNA的實驗：分四批進行，每批用 一種不同的32P標記脫氧核苷三磷酸，32P標記在戊糖5'C的位置上，在完全條件下合成後，用特定的酶打開5'C－P鍵，使原鹼基上通過戊糖5'C相連 的32P移到最鄰近的另一單核苷酸的3'C上 。此外，放 射性同位素示蹤技術對分子生物學的貢獻還表現在：⑴對蛋白質合成過程中三個連續階段，即肽鏈的起始、延伸和終止的研究；⑵核酸的分離和純化；⑶核酸末端核 苷酸分析，序列測定；⑷核酸結構與功能的關係；⑸RNA中的遺傳信息如何通過核苷酸的排列順序向蛋質中胺基酸傳遞的研究等等。為了更好地套用放射性同位素示蹤技術，除了有賴於示蹤劑的高質量和核探測器的高靈敏度外，關鍵還在於有科學根據的構想和創造性的實驗設計以及各種新技術的綜合套用。
