示蹤元素

示蹤元素是用於追蹤物質運行和變化過程的同位素。常用的有碳14（14C）、磷32(32P)、硫35(35S)、碘131(131I)、氫3(3H)放射性同位素，氫（H），碳（C），磷（P），硫（S），和碘（I）在生化反應中用來追蹤路徑，被廣泛的使用著。詞條詳細介紹了上述示蹤元素的基本情況以及套用領域。

基本介紹

• 中文名：示蹤元素
• 外文名：Tracer element
• 套用領域：生物、化學、醫學
• 涉及學科：核化學

詳細說明

示蹤元素是用於追蹤物質運行和變化過程的同位素。以示蹤元素標記的化合物，其化學性質不變，而可根據放射性或原子質量差異予以追蹤。用示蹤元素研究化學反應、生物代謝途徑等的方法，稱“同位素標記法”。廣泛套用於生物學、醫學、農業、工業和科學研究。

常用的有碳14（14C）、磷32(32P)、硫35(35S)、碘131(131I)、氫3(3H)放射性同位素氫（H），碳（C），磷（P），硫（S），和碘（I）在生化反應中用來追蹤路徑，被廣泛的使用著。示蹤元素也可用於追蹤於天然系統（natural system）中的分布，例如細胞或組織。還可以用來確認天然氣冒出的位置，進而使用水力壓裂（hydraulic fracturing）技術得到天然氣。示蹤元素成為了各種成像系統的基礎，例如：正電子發射計算機斷層掃描（Positron emission tomography，簡稱PET），單光子發射計算機斷層掃描（Single-photon emission computed tomography ，簡稱SPECT，或SPET）。放射性碳定年法（Radiocarbon dating）就是使用天然存在的碳14同位素作為大自然創造的任何生物的同位素標記物。

氫

化學性質

氚（音‘chuān’），英文名稱：Tritium，亦稱超重氫，是氫的同位素之一，元素符號為T或3H。它的原子核由一個質子和兩個中子所組成，並帶有放射性，會發生β衰變，其半衰期為12.43年，原子量3.016u。

氚是通過Li的中子輻射產生：
Li + n →He +H

氚的半衰期為 4500±8天（大約為12.32年），它是由β衰變而成。電子產生的平均能量有5.7 keV。因為所發射的電子具有相對較低的能量，經由閃爍計數的檢測效率是相當低的。但是，氫原子因有存在於所有有機化合物中這個特性，因此氚經常在生化研究中作為示蹤劑。

套用

由於氚不僅具有適宜的核物理性質，並具有價廉、毒性較低、比活度較高和放射自顯影良好等優點，所以氚及其標記化合物在軍事、工業、水文、地質，以及各個科學研究領域裡均起著重要的作用；在生命科學的許多研究工作中，氚標記化合物則是必不可少的研究工具。例如，酶的作用機理和分析、細胞學、分子生物學、受體結合研究、放射免疫分析、藥物代謝動力學，以及癌症的診斷和治療等，都離不開氚標記化合物。在使用氚標記化合物進行示蹤實驗時，必須注意氫的同位素效應、自輻解和在實驗條件下氚標記化合物的穩定性問題，以求獲得正確的實驗結果。

碳

化學性質

碳14是碳元素的一種具放射性的同位素，它是透過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生。碳-14原子核由6個質子和8箇中子組成。其半衰期約為5,730±40年，衰變方式為β衰變，碳14原子轉變為氮-14原子。

碳14是 自然界中碳素有三種同位素，即穩定同位素12C、13C和放射性同位素14C。 14C的半衰期為5730年，14C的套用主要有兩個方面：一是在考古學中測定生物死亡年代，即放射性測定年代法的一種，其他常用的還有鉀-氬法測定，鉀-氬法測定，熱釋光測定等；二是以14C標記化合物為示蹤劑，探索化學和生命科學中的微觀運動。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在，有大約1%的碳以碳-13的形式存在，只有兆分之一（0.0000000001%）是碳-14，存在於大氣中，由大氣中氮與宇宙射線作用生成，其豐度基本保持不變，是生物圈中碳-14的來源。

C衰變經由正電子發射發生，半衰期為20分鐘。C是其中一種常用於正電子發射斷層掃描（positron emission tomography）的同位素。

C的衰變是通過β衰變而成，半衰期為5730年。它在地球的大氣層上層會不斷地生產，所以地表的環境中其含量非常微量。然而，利用自然產生的C來做示蹤物研究並不實際。相反地，它是由可自然產生、占所有C的1.1%的同位素C的中子輻照製成。C非常廣泛地用於追蹤有機分子通過代謝途徑的發展。

套用

碳-14標記化合物廣泛套用於化學、生物學、醫學領域中，採用放射性標記化合物進行示蹤，具有方法簡單、易於追蹤、準確性和靈敏性高等特點。

氮

化學性質

自然界中氮元素含14N和15N 2種穩定同位素，其中15N含量為0.365%(原子百分比)，14N為99.635%。氮釣放射性同位素壽命短，壽命最長的是13N，它的半衰期也僅10min，套用不便，因此15N作為氮化合物的示蹤原子在農業、醫學和生物化學方面獲得了廣泛的套用。分離15N最有效的方法是一氧化氮/硝酸體系的化學交換法，在德國採用該法可生產250種以上15n標記化合物。另一方法是一氧化氮精餾法，也可獲得15N，但同時得到17O和18O。

N衰變經由正電子發射發生，半衰期為9.97分鐘。且它是由核反應產生的。
H +O →N +He

套用

N適用在正電子發射斷層掃描（PET掃描）。

氟

化學性質

F衰變經由正電子發射發生，半衰期為109分鐘。它是經由回旋加速器或線性粒子加速器，用此以發生質子撞擊製成O。它在放射性藥物業界是一個占有一席之地的同位素。

套用

它在PET掃描中被用來標記氟脫氧葡萄糖（fluorodeoxyglucose，FDG）。

磷

化學性質

元素磷的一种放射性同位素。符號婥P，簡寫為P。磷32是1935年用鐳鈹中子源照射二硫化碳首次製得的。磷32是純β衰變核素，β射線的最大能量為1.711兆電子伏。半衰期為14.3天。3.7×10貝可的磷32重3.49×10毫克。

P是通過S的中子撞擊而得：
S + n →P + p
它的衰變是經由β衰變而成，半衰期為14.29天。它通常用於生物化學上，研究蛋白質磷酸化激酶。

P在P之間的中子撞擊中相對產率較低。這其實也是一種β發射，其半衰期為25.4天。雖然比P更昂貴，但其所發射的電子能量較低，因而可以擁有更高的辨識率，例如DNA定序。

套用

P和P兩種同位素在標記核苷酸和其他含有一個磷酸基團的物種方面非常有用。

在農業上，磷32可用作示蹤原子，研究植物的營養吸收、分布和代謝機理，研究農藥的吸收、轉運、積累、降解、殘留、排除等的規律,為合理施肥、農藥選擇和安全使用提供科學依據。

硫

化學性質

硫-35是質量數為35的硫的放射性核素，半衰期87.48天，發射βˉ輻射。最大能量0.167兆電子伏。可從反應堆中以中子轟擊S-34或Cl-35製得。用作化學反應和蛋白質代謝等研究的示蹤劑，製備標記化合物以及治療軟骨肉瘤

S是經由Cl之間的中子撞擊取得：
Cl + n →S + p
它通過β衰變而成，半衰期為87.51天。

套用

它被用於標記含硫胺基酸（amino-acids）甲硫氨酸（methionine）和半胱氨酸（cysteine）。當硫原子在一核苷酸的磷酸基上取代氧原子，接著一個硫代基產生，所以S能也可以用於追蹤磷酸基團。

鎝

化學性質

鎝（Technetium），中國大陸稱鎝、港澳稱鍀、台灣稱鎝，元素符號Tc，為銀白色金屬，原子序數43，原子量98.9062。

Tc是一種用途很廣的放射性同位素。它很容易在鎝-99m發生器中經由Mo衰變產生。
Mo →Tc + e+ Ve
鉬（molybdenum）同位素具有大約66小時（2.75天）的半衰期，所以，發生器大約有兩個星期的使用壽命。大多數商業用Tc發生器採用柱色譜法（柱層析，Column chromatography），在Mo還處於鉬酸的形式──MoO4時會吸附在酸化氧化鋁上（Al2O3）。當Mo衰變時，形成過鎝酸鹽 TcO4，由於其單電荷，所以不太能與氧化鋁緊密結合。通過固定化柱，生理鹽水溶液Mo洗脫可溶性Tc，導致在含有鹽溶液的Tc作為高鎝酸鹽的溶解鈉鹽。過鎝酸鹽須利用還原劑如Sn和配體（Ligand）來處理。不同的配體形成配合物（coordination complexes ）而使鎝在人體特定部位產生更強的親和力。

Tc衰變是經由γ射線形成，半衰期為6.01小時。其極短的半衰期確保檢體內濃度的放射性同位素在幾天之內有效的下降到零濃度。

套用

因為同位素Tc-97具有260萬年的長半衰期，故用於化學研究。過鎝酸鹽是鋼的良好緩蝕劑。鎝在冶金中用作示蹤劑，還用於低溫化學及抗腐蝕產品中，亦用作核燃料燃耗測定。

鎝99m，一種鎝的半衰期極短的不穩定同位素，是核醫學臨床診斷中套用最廣的醫用核素，常用鎝(Tc-99m)焦磷酸鹽注射液拼音名 （TECHNETIUM [99mTc] PYROPHOSPHATE INJECTION）。用99Tcm標記的用於診斷臟器疾病和功能的放射性顯像劑。從99Mo-99Tcm-發生器用生理鹽水淋洗得到的是99TcmO4-，用於甲狀腺顯像。但多數情況下用還原劑還原成+1，+3，+4和+5價離子與含O，N，S，P等供體原子的化合物反應製成放射性藥的。99Tcm放射性藥物不僅用於狀態圖像診斷，而且還可用於功能(如腦、心肌，肝功能等)診斷，已占診斷用放射性顯像劑的約85%，可用於診斷腦、心肌和腫瘤等疾病和幾乎所有臟器疾病。

碘

化學性質

元素周期表53號元素碘，在化學元素周期表中位於5周期系ⅦA族是鹵族元素之一。碘-131是元素碘的一种放射性同位素，為人工放射性核素（核裂變產物），符號為I-131，半衰期為8.3天。正常情況下自然界是不會存在的

I是由Xe的質子照射產生。銫同位素產生時並不穩定，且會衰減到I。同位素通常會在稀氫氧化鈉溶液中以高同位素純度提供碘化物和次碘酸。I也已經被橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratories）通過Te的質子撞擊生產成功。

I衰變是經由電子捕獲產生，其半衰期為13.22小時。其所發射之159keV的γ射線被用於單光子發射計算機斷層顯像（SPECT）。127keV的γ射線也有射出。I經常採用放射免疫測定，因為它擁有相對長的半衰期（59天）和其通過γ計數器來檢測具有高感測度的功能。

I與核武器有著莫大的關係。俄羅斯的車諾比核災以及福島核災就是非常著名的例子。I的半衰期為1570萬年，它用其低能量的β和伽瑪射線放射，進行緩慢的衰變過程。它不能用作示蹤劑，儘管它可以用在生物體上，包括人類，可能會被偵測出對生物體有害的γ射線的存在。

套用

還可用來標記許多化合物，供體內或體外診斷疾病用。如碘131標記的玫瑰紅鈉鹽和馬尿酸鈉就是常用的肝、膽和腎等的掃描顯像劑。除了核醫學方面的套用外，碘131還可用來尋找地下水和測定地下水的流速、流向，查找地下管道泄漏；測定油田注水井各油層吸水能力及其變化，以便及時有效地採取措施，調節水流的分配，保持油井的高產穩產等。