知识卡：放射性同位素

放射性同位素
基础知识
为什么同位素具有放射性
自19世纪末发现了放射性以后，到20世纪初，人们发现的放射性元素已有30多种，而且证明，有些放射性元素虽然放射性显著不同，但化学性质却完全一样。

1910年英国化学家F索迪提出了一个假说，化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些变种应处于周期表的同一位置上，称做同位素。

不久，就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是，另一种则是208。

1897年英国物理学家W汤姆逊发现了电子，1912年他改进了测电子的仪器，利用磁场作用，制成了一种磁分离器（质谱仪的前身）。

当他用氖气进行测定时，无论氖怎样提纯，在屏上得到的却是两条抛物线，一条代表质量为20的氖，另一条则代表质量为22的氖。

这就是第一次发现的稳定同位素，即无放射性的同位素。

当阿斯顿制成第一台质谱仪后，进一步证明，氖确实具有原子质量不同的两种同位素，并从其他70多种元素中发现了200多种同位素。

到目前为止，己发现的元素有109种，只有20种元素未发现稳定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。

大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物，稳定同位素约300多种，而放射性同位素竟达1500种以上。

1932年提出原子核的中子一质子理论以后，才进一步弄清，同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。

由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数），并具有相同电子层结构。

因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质（如放射性等），也有所不同。

一般来说，质子数为偶数的元素，可有较多的稳定同位素，而且通常不少于3个，而质子数为奇数的元素，一般只有一个稳定核素，其稳定同位素从不会多于两个，这是由核子的结合能所决定的。

同位素的发现，使人们对原子结构的认识更深一步。

这不仅使元素概念有了新的含义，而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革，再一次证明了决定元素化学性质的是质子数（核电荷数），而不是原子质量数。

放射性同位素的特点
放射性同位素
（radioisoto1mCi=×107d1μCi=×104d1977年国际放射防
护委员会（ICR），一张普通纸就能将α射线完全挡住，但
α射线的能量能被组织和器官全部吸收。

β射线也能引起物质电离和激发，与α射线的能量相同的β射线，在同一物质中的射程比α要长得多，如>1MeVrβ射线，在空气中的射程是10米，高能量快速运动的β粒子，如磷－，能量为遇到物质，特别是突然被原子序数高的物质（如铅，原子序数为82）阻止后，运动方向会发生改变，产生轫致辐射。

轫致辐射是一种连续的电磁辐射，它发生的几率与β射线的能量和物质的原子序数成正比，因此在防护上采用低密度材料，以减少轫致辐射。

β射线能被不太厚的铝层等吸收。

γ射线的穿透力最强，射程最大，1MeV的r射线在空气中的射程约有米之远，r射线作用于物质可产生光电效应、康普顿效应和电子对效应，它不会被物质完全吸收，只会随着物质厚度的增加而逐渐减弱。

主要方面
1射线照相技术，可以把物体内部的情况显示在照片上。

2测定技术方面的应用，古生物年龄的测定，对生产过程中的材料厚度进行监视和控制等。

3用放射性同位素作为示踪剂。

4用放射性同位素的能量，作为航天器、人造心脏能源等。

5利用放射性同位素的杀伤力，转恶为善，治疗癌症、灭菌消毒以及进行催化反应等。

发展方向
放射性同位素的应用是沿着以下两个方向展开的．
1利用它的射线
放射性同位素也能放出α射线、β射线和r射线．γ射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹，所用的设备叫α射线探伤仪．α射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电．生物体内的DNA脱氧核糖核酸承载着物种的遗传密码，但是DNA 在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种．射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫．人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗”．
和天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状，特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处
理．由于这些优点，在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，不用天然放射性物质．
2作为示踪原子
一种放射性同位素的原子核跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子只是中子的数量不同，因此核外电子的数量也相同,由此可知，一种元素的各种同位素都有相同的化学性质．这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”，用仪器可以探测出来．这种原子叫做示踪原子．
棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上也能吸收．但是，什么时候的吸收率最高、磷能在作物体内存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究．如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决．
人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病．
近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，几乎都要借助于放射性同位素．
同位素示踪法（isotoethod）是利用放射性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212／mol或ci／mol）。

其中，λ＝-dＮ’dt／Ｎ’为该处放射性原子核的衰变常数。

q＝Ｎ’／n’，表示n’个该化学形式分子为Ｎ’个放射性原子所标记。

δ＝n’／n表示放射性标记的分子数n’与总分子数（标记的加未标记的）n之比。

采用放射性同位素示踪技术来实现所研究课题预期目的全部或一部分，一般须经过实验准备阶段，实验阶段和放射性废物处理三个步骤。

（一）实验准备阶段
1示踪剂的选择
选定放射性示踪剂的比活度λqδ的值必须足够大，以保证实验所需要的灵敏度，而又要尽可能地小，使得在该实验条件下辐射自分解可忽略。

一般情形是根据实验目的和实验周期长短，来选择具有合适的衰变方式，辐射类型和半衰期，且放射毒性低的放射性同位素。

至今已确定的放射性核素包括天然的58种和人工制造的约1300种，其中大多数
不常能用作放射性示踪剂。

主要原因是制备困难、半衰期不合适及放射性不足以定量。

在任何一种生产方法中，生产步骤很可能包含或多或少的化学处理，因而示踪实验人员需要了解某个核素及其周围的那些元素的化学性质，因为它们有可能成为此放射性同位素的杂质。

放射性同位素都衰变（经过或不经过中间状态）到处于基态的子体核素，衰变时伴随各种形式的能量辐射，如α、β-、β、γ、X放射等。

在选择示踪剂时，示踪实验人员要仔细研究衰变纲图，根据实验条件和计数条件来决定那一种辐射，在衰变纲变内，代表核能级的两条水平线之间和距离表示能量差，↑或↓表示能级同伴随原子序数增或减少的能量，↓表示从激发态至基态的同质异能跃迁。

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，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，t／τ＝时，应所选放射性同位素的衰变校正为％；而t／τ＝时，应选放射性同位素的衰变校正为％。

t／τ＝时，应选用其衰变校正为10％。

在体外示踪条件，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
内示踪条件下，若实验周期短，应选用半衰期短，且能放出一定强度r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。

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。

选择放射性示踪剂还必须同时满足高化学纯度，高放射性核纯度的要求。

在示踪剂制备期间、贮存期间以用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。

氚标记的胸腺嘧啶核苷（3H－TdR）和尿嘧啶核苷（3H－UR）是两种常用的示踪剂，前者有效地结合到DNA中，后者则掺入到RNA中，它们的辐射分解速度随比较放射性的增高及保存时间的延长而增加，在不同温度和不同溶液中的稳定性也不同。

经保存八年的3H-TdR约有35％辐射分解为3H－胸腺嘧啶，并导致二醇和水合物的形式，在实验中这杂质会很快掺入细胞并与大分子（很可能是蛋白质）结合，而不是与DNA和RNA相结合，这些杂质用DNA酶和RNA酶处理细胞都不除去。

3H－TdR
和3H－UR贮存在-20℃的冷冻溶液中辐射分离速度要比2℃增加3－4倍，但低温度（-140℃）对贮存也有利，在允许对示踪实验人员在选择保存放射性示踪剂时会有所启发；
2放射性同位素测量方法的选择
测量方法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、核乳胶等方法探测；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。

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有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。

探测最佳工作条件的选择方法：一种是测“坪曲线”，另一种是找最好的品质因素。

对于光电倍增管，在理论上不存在“坪”（aimunissibledose），以免因剂量过大所造成的辐射效应，给实验带来较大的误差；
2选择示踪剂给入途径
整体示踪实验时，应根据实验目的，选择易吸收、易操作的给入途径，一般给予的数量体积小，要求给予的剂量准确，防止可能的损失和不必要的污染。

体外示踪实验时，应根据实验设计的实验步骤的某个环节加入一定剂量的示踪到反应系统中去，力求操作准确，仔细；
3放射性生物样品的制备
根据实验目的和示踪剂的标记放射性同位素的性质制备放射性生物样品，其中放射性同位素的性质是生物样品制备形式的主要依据。

若是释放r射线的示踪剂，则样品制备比较容易，只要定量地取出被测物放入井型NaI（TL）晶体内就能测定；若是释放出硬β射线的示踪剂，须将生物样品制成厚度较薄的液体，或将液体铺样后烘干，也可灰化后铺样，放入塑料晶体闪烁仪内测定，或用钟罩型盖一革计数管探测；若标记同位素仅释放软β射线，那么样品应制成液体闪烁样品（详见放射性测量”一章），在液体闪烁计数器内测量。

不论采用何种测量方法，都应该对样品作定量采集。

对某些放射性分散的样品，应当作适当浓集，如测定组织内蛋白质的放射性，应对蛋白质作提取处理然后制备成相应的测量样品。

有些样品需采用灰化法，但灰化法对易挥发的同位素或易挥发的组织样品不合适；
4放射性样品的测量
测量方法分为绝对测量和相对测量。

绝对测量是对样品的实有放射性强度作测量，求出样品中标记同位素的实际衰变率，在作绝对测量时，要纠正一些因素对测量结果的影响，这些因素包括仪器探头对于放射源的相对立体角、射线被探头接收后被计数的几率、反散射、放射源的自吸收影响等等。

而相对测量只是在某个固定的探测仪器上作放射性强度的相对测量，不追求它的实际衰变率。

在一般的示踪实验中，大多采用相对测量的方法，比较样品间的差异。

在相对测量时，要注意保持样品与探测器之间的几何位置固定。

几何条件的影响是放射性测量中最重要的影响因素。

当两个放射性强度相同的样品在测量中所置的几何位置不一，或样品制备过程造成的几何条件差异，其计数会相差很多，尤其当样品与探头之间距离较近时，两者计数率相差会很大。

但是当样品与探头之间相距较远时，由于样品与探头之间形成的相对立体角较小，所以两者计数率的差异会显著减小。

在用纸片法测量3H标记物的放射性强度时，要注意纸片在闪烁瓶中的位置，一批样品应该一致，如果是将滤纸剪成圆状作支持物，圆片的直径最好与闪烁瓶底的直径相等，保证滤纸在闪烁瓶内的位置固定。

减小几何条件对放射性测量的影响可以从三方面入手：⑴选择探测窗大的探测器，如光电倍增管作探头的探测器；⑵在样品制备时，注意尽量将样品做成
点状源，这样当样品的放射性强度较弱时，由于距离探测窗较近而有可能造成的水平位移的影响就可以忽略；⑶无论样品距离探测窗远近，样品都应置于探测窗的垂直轴线上，以减少样品与探测窗之间的相对立体角。

（三）放射性去污染和放射性废物处理
放射性实验，无论是每次实验或阶段性实验结束后，都可能有不同程度的放射性污染和放射性废物的出现，因此，在实验结束后，要作去污染处理和放射性废物处理。

必要时在实验过程进行中，就要作除污染和清理放射性废物的工作。

在生物化学和分子生物学中的应用
放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。

近几年来，同位素示踪技术在原基础上又有许多新发展，如双标记和多标记技术，稳定性同位素示踪技术，活化分析，电子显微镜技术，同位素技术与其它新技术相结合等。

由于这些技术的发展，使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平，阐明了一系列重大问题，如遗传密码、细胞膜受体、RNA-DNA 逆转录等，使人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。

下面仅就同位素示踪技术在生物化学和分子生物学中应用的几个主要方面作一介绍。

1物质代谢的研究
体内存在着很多种物质，究竟它们之间是如何转变的，如果在研究中应用适当的同位素标记物作示踪剂分析这些物质中同位素含量的变化，就可以知道它们之间相互转变的关系，还能分辩出谁是前身物，谁是产物，分析同位素示踪剂存在于物质分子的哪些原子上，可以进一步推断各种物质之间的转变机制。

为了研究胆固醇的生物合成及其代谢，采用标记前身物的方法，揭示了胆固醇的生成途径和步骤，实验证明，凡是能在体内转变为乙酰辅酶A的化合物，都可以作为生成胆固醇的原料，从乙酸到胆固醇的全部生物合成过程，至少包括36步化学反应，在鲨烯与胆固醇之间，就有二十个中间物，胆固醇的生物合成途径可简化为:乙酸→甲基二羟戊酸→胆固醇又如在研究肝脏胆固醇的－胆固醇作静脉注射的示踪实验说明，放射性大部分进入肝脏，再出现在粪中，且甲状腺素能加速这个过程，从而可说明肝脏是处理血浆胆固醇的主要器官，甲状腺能降低血中胆固醇含量的机理，在于它对血浆胆固醇向肝脏转移过程的加速作用；
2物质转化的研究
物质在机体内相互转化的规律是生命活动中重要的本质内容，在过去的物质转化研究中，一般都采用用离体酶学方法，但是离体酶学方法的研究结果，不一定能代表整体
情况，同位素示踪技术的应用，使有关物质转化的实验的周期大大缩短，而且在离体、整体、无细胞体系的情况下都可应用，操作简化，测定灵敏度提高，不仅能定性，还可作定量分析。

在阐明核糖苷酸向脱氧核糖核苷酸转化的研究中，采用双标记法，对产物作双标记测量或经化学分离后分别测量其放射性。

如在鸟嘌呤核苷酸（GMmunoassay）技术是一种超微量的分析方法，它可测定的物质300多种，其中激素类居多，包括类固醇激素，多肽类激素，非肽类激素，蛋白质物质，环核苷酸，酶，肿瘤相关的抗原，抗体以及病原体，微量药物等其它物质；
5最近邻序列分析法
（Nearestneighbour-sequenceanalysismethod）
放射性同位素示踪技术，是分子生物学研究中的重要手段之一，对蛋白质生物合成的研究，从DNA复制、RNA 转录到蛋白质翻译均起了很大的作用。

最近邻序列分析法应用同位素示踪技术结合酶切理论和统计学理论，研究证实了DNA分子中碱基排列规律，在体外作合成DNA的实验：分四批进行，每批用一种不同的32P标记脱氧核苷三磷酸，32P标记在戊糖5'C的位置上，在完全条件下合成后，用特定的酶打开5'C－P键，使原碱基上通过戊糖5'C相连的32P移到最邻近的另一单核苷酸的3'C上。

用最近邻序列分析法首次提出
了DNA复制与RNA转录的分子生物学基础，从而建立了分子杂交技术，例如以噬体T2-DNA为模板制成[32P]RNA，取一定量T2-DNA和其它一些DNA加入此[32P]RNA中，经加热使DNA 双链打开，并温育，用密度梯度离心或微孔膜分离出
DNA-[32P]RNA复合体测其放射性，实验结果只有菌体T2的DNA能与该[32P]RNA形成放射性复合体。

从而证明了RNA与DNA模板的碱基呈特殊配对的互补关系，用分子杂交技术还证实了从RNA到DNA的逆转录现象。

此外，放射性同位素示踪技术对分子生物学的贡献还表现在：⑴对蛋白质合成过程中三个连续阶段，即肽链的起始、延伸和终止的研究；⑵核酸的分离和纯化；⑶核酸末端核苷酸分析，序列测定；⑷核酸结构与功能的关系；⑸RNA中的遗传信息如何通过核苷酸的排列顺序向蛋质中氨基酸传递的研究等等。

为了更好地应用放射性同位素示踪技术，除了有赖于示踪剂的高质量和核探测器的高灵敏度外，关键还在于有科学根据的设想和创造性的实验设计以及各种新技术的综合应用。