1、13-1 放射性核素示踪法的一般原理一、示踪剂1、示踪剂：一种带有特殊标记的物质。当它加入到被研究的对象中后，可以根据示踪剂的运动和变化，来洞悉原来不易或不能被辨认的研究对象的运动和变化规律。2、放射性核素示踪法的特点 灵敏度高：即使极微量的反射性物质也可以被相当准确的测定。一般可测至10-14-10-13g.最低可测到10-19g.测量简便，易分辨：不受非放射性杂质干扰，省略分离提纯工作。能揭示某些物质运动的真实变化过程，得出正确的结论。如平衡态下物质的运动和变化规律，化学反应机理以及医学和生物学上研究生理变化过程等。特效性强：各种放射性核素的半衰期、射线类型和能量各不相同，不会受到干扰。简
2、单示踪作用。在研究的物质中，混合少量的放射性后，即被“标记”，然后通过测定放射性，便可对这种物质在任何一种机械、化学或生物系统内的运动进行追踪和观察。利用完全物理性混合的示踪作用。即将示踪剂和被示踪剂均匀混合，使整个示踪过程中二者的比例保持不变，通过测定示踪剂的放射性，可以了解被示踪物的性质和行为。利用同位素化学性质一致性的示踪作用。即将比标记化合物加到被研究体系中去，可以通过测定放射性的方法，研究标记化合物的变化来了解被研究化合物的变化情况。半衰期：根据实验目的及周期长短选择适合半衰期的放射性核素。太长太短都不好。医用大多选择半衰期为几小时到十几天之间。辐射类型和能量：常用和，测量效率高，且
3、容易防护。对需穿过较厚物质层则需用射线。如脏器的扫描和照相。对于，要求E=0.01-2Mev;对于，E=100-600Kev。放射性比活度：原始放射性比活度要足够高，才能使稀释后的试样满足测量要求。一般根据实验过程中被同位素稀释的倍数和最后分离出试样的量以及测量效率等因素来选择适当的放射性比活度。实验中各参数之间的关系可用下式表示：ACK/DB 式中：A-原始放射性比活度。C-原始放射性核素示踪剂用量。K-测量效率。B-本底计数。D-同位素稀释的倍数。放射性核素的纯度：在放射性核素的生产过程中，由于副反应和靶子物中存在杂质，使放射性不纯，这样会影响试验结果，甚至导致错误的结论。此外，放射性杂质
4、会增加病人的吸收剂量，影响诊断结果和治疗效应，甚至会危害病人的健康，因此要求放射性纯度和放射化学纯度符合要求。放射性核素的毒性：尽可能使用低毒的放射性核素。如90Sr高毒性，而85Sr和89Sr毒性较小，为避免90Sr进入人体，可选用毒性较小者。1、工农业方面：各种核仪器仪表，放射性探伤，工业CT，集装箱检测等。2、医学和生物方面：医学上的诊断，治疗；光合作用等生物过程研究。3、化学研究方面：分子结构研究；化学反应机理研究；各种动力学参数测定；热力学平衡常数等的测定；分析元素含量等。如：每分钟计数（根据测量误差而定）为A，则要求示踪原子的毫居里数q：q=A(V0/V)(100/p)(100/g
5、)(1/3.710760)(13-2)V0-所研究体系的体积。V-所测量样品的体积。p-示踪原子进入研究过程的百分数。q-核辐射探测器的计数率（%）。一、鉴别化学反应中有关的反应物大多数反应是分步进行的，存在中间过程，特别是生化反应。如：14CO2参加的植物光合作用中，在植物见光后的短时间内，可以从该植物中分离得到30多种含14C的化合物。二、鉴别化学反应的中间产物假如反应经过A B C，从A到C是否经过了中间产物B。可采取以下步骤：在体系中加入A*，检查B中是否有A*出现。在体系中加入B*，检查C中是否有B*出现。在体系中加入大量非放射性的B，检查C中的B*是否减少。如果答案是肯定的，说明有
6、中间过程（应排除同位素交换）；如果答案是否定的，则无中间过程。例如：从铬酸盐溶液电解制金属铬，是否有Cr(III)中间产物。将51Cr标记在铬酸盐(A)上，沉积物(C)有放射性，但将51Cr标记在Cr(III)上(B)，沉积物中没有放射性，已经证明Cr(III)与铬酸盐的同位素交换非常慢，因此可以证明Cr(III)不是中间产物。其它举例见讲义P137。例：已知碘化物进入人体后，可生成一碘铬氨酸、二碘铬氨酸和甲状腺素，为了研究这一过程，可将用I-131标记的碘化物注入动物体内，在不同时间测出动物体内上述三种有机物的比放射性活度，结果发现：在开始的短时间内（10分钟），一碘铬氨酸的放射性最强，几小
7、时后，一碘铬氨酸与二碘铬氨酸的比放射性几乎相同，但比甲状腺素强，直到2-3天后，最终产物的放射性比活度与前两个产物相等，因而可得中间产物顺序为：碘化物-一碘铬氨酸-二碘铬氨酸-甲状腺素在研究化合物降解时，常常需要知道化学键断裂的位置。例如：丙酸氧化时，产物为CH3COOH和CO2，到底断开的是哪一个C-C键，可以用示踪方法确定。又如分子重排反应机理，也常用示踪原子方法。举例见讲义P139.示踪原子方法在研究大分子在生物体中形成过程中有很重要的意义。例如：研究动物脂肪酸的形成过程，将CH3*COOH注射到山羊体内，分析羊乳脂肪样品，发现脂肪酸中的丁酸在羧基和碳原子上有*C，分子式为：CH3*CH
8、2*COOH，这表明丁酸是由两个醋酸分子缩合而成的。还发现己酸中的*C是间隔出现在碳链上，且-*COOH上特别强。这表明，己酸是分步合成的。即：先生成有*C的丁酸，随后被非放射性的丁酸所稀释，最后与第三个醋酸分子缩合。分配比(distribution ratio)：两相中各种形式总浓度之比。Di=i/Ci i-mmol/g 分配系数(distribution coefficient)：两相中平衡浓度之比。i=Mi/Ci Mi-mmol/ml分配比和分配系数都是用来表示交换反应中某一离子在平衡分配时的参数，其区别在于固相浓度的表示方式不同，因而其应用场合不同。选择系数(selectivity c
9、oefficient)：表示两种离子对树脂亲和力的差别。例如：对反应 a A+b B a A+b B KAB=Aa Bb/Aa Bb 选择系数的数值因采用的浓度单位不同而异。选择系数越大，表示A、B两种离子对树脂的亲和力差别越大。分离因数(separation factor)：分离因数表示两种离子在达成离子交换平衡后所取得的富集效果。AB=(A/B)/(A/B)=DA/DB 分离因数从数值上等于平衡分配时A和B组分在树脂相的浓度比对溶液相的浓度比的商值。分离因数和选择系数的差别在于它与参加交换的离子价数无关。用放射性示踪原子的办法，可以很容易测得上述各种参数。方法是：将放射性标记的待测核素配成
10、溶液，然后加入一定量的树脂，分别测量原始溶液和平衡时溶液的放射性活度，即可计算出平衡时固液两相的放射性活度，以此可以可以计算出分配比等参数。一、测定原理（见讲义）关键是引入配合度和函数。然后逐级外推，即可求得1、2n。二、实验方法：通常是先用实验求得无配体时的分配比D和有配体时的分配比D，再按照(13-19)式，以log(D/D-1)对logL作图，从直线截距可求得logn，由斜率求得配位数n。由于示踪原子方法灵敏度高，可以在中心离子浓度非常低时进行。在浓度不均匀的体系中，发生物质的均匀扩散(浓差扩散)，可用Fick第一定律来描述 J=-D(c/x)(13-22)J是扩散物质的流量，c为扩散物
11、质的浓度，x为扩散方向上的坐标(距离)，D为扩散系数。负号表示扩散是沿着浓度减小(c/x0)的方向进行。如果描述扩散引起浓度随时间的变化，可用Fick第二定律。见P236.在通常情况下，扩散系数为扩散物的浓度及浓度梯度的函数，D与时间及坐标位置都有关系。因此，在Fick第二定律表达式(13-23)中不能将D写在偏导数符号之前。自扩散是指同位素之间的扩散，因此在自扩散研究中，不存在化学浓度梯度。只有在这种情况下，自扩散系数D才是一定值，不随时间和坐标位置而变化。D可以写在偏导数符号之前。（13-24）式。测定溶液中的自扩散系数的实验方法之一是开端毛细管法（无限稀释法）：在一端封闭，另一端开口的长
12、度为l的毛细管中，加入示踪原子标记的一定浓度的待测溶液，然后将毛细管浸在不断搅拌的体积比毛细管大的多的同一浓度的非放射性溶液中，毛细管中的示踪原子即开始向外扩散，经过相当长的时间后，测量留在毛细管中的示踪原子的分数。根据这一份数和时间，按照起始条件(13-25)和边界条件(13-26)，解(13-24)式，得其解式(13-27)。进而求出留在毛细管中的示踪原子的分数(13-28)。只要知道起始放射性活度A0和t时刻放射性活度A，即可求得自扩散系数D。一、原理如果扩散在球形固体中沿半径方向进行，其扩散方程可用球坐标表示的Fick第二定律处理(13-29)，按照起始条件(13-30)和边界条件(1
13、3-30)，并定义交换度F(13-31)，可解得F的表达式(13-32)，令：B=2n2/r2按照实验误差取适当的n(自然数)值，计算出不同交换度F时的Bt值，列出F-Bt表。二、实验方法：1、由实验测得t=0和t和t时刻固体中的放射性活度，即可按(13-31)式求得交换度F2、由计算出的F-Bt表查出Bt值。3、由t值计算出B。为了得到平均值，一般是测量不同时刻的F，由表中查出一系列Bt值，做Bt-t曲线，应为一条直线，直线斜率即B4、再根据固体半径r求得自扩散系数。一、必须满足的条件1、示踪原子从晶体表面向晶体内部扩散的速度要足够小。2、重结晶速度足够慢。二、测定原理同位素交换达到平衡时，
14、晶体表面上和溶液中的同位素组成是相同的。即：晶体表面上和溶液中的可交换离子(或原子)的总量之比等于晶体表面和溶液中该离子的放射性同位素的量之比。由此可得关系式(13-34)、(13-35)晶体比表面0的定义是：单位质量晶体的表面积。（13-36）晶体中每个可交换离子所占据的有效立方体的边长l可按(13-37)式计算。溶液中可交换离子的摩尔数按照(13-38)式。因此，只要知道晶体的组成、重量、密度和溶解度，晶体的比表面可按(13-39)式求得。必须注意每个公式中各个符号的含义。三、实验方法：在含有放射性同位素标记的饱和溶液中，加入待测晶体(含非放射性同位素)，分别测量起始和平衡时的放射性活度I
15、0*和Is*。按照（13-39）式计算晶体的比表面。注意各符号所代表的物理意义及其单位。利用示踪原子方法可以方便地测量难溶化合物的溶解度。因为难溶化合物的溶解度很小，一般化学方法达不到所要求的测量灵敏度。方法一：将被测化合物制成放射性标记化合物，测定其放射性比活度I0(Bq/g)。取p克该放射性标记的饱和溶液，测定其放射性比活度I，按照(13-40)式计算溶解度。方法二：连续沉淀法。如：测量化合物AB的溶解度。将含有a mol A离子的物质溶解在一定体积的溶剂中，向该溶液中加入少量示踪原子A*，其放射性活度为I0，再加入含有B离子的沉淀剂，使AB沉淀出来。分离，测沉淀的放射性活度为I1，滤液体
16、积为V1升。重复上述操作，测得第二次沉淀的放射性活度I2，第二次滤液体积为V2，则可按照(13-41)-(13-44)求得溶解度x(mol/L)。当V1=V2=V时，(13-44)简化为(13-45)。因此，只需测量两次沉淀的放射性活度比，就可求得溶解度x。一般用相对测量方法。对同位素组成相同的未知样品和已知被测元素含量的标准样品在相同条件下进行测量，比较两者的放射性计数，按照 mx/mst=Ax/Ast (13-47)求得被测元素含量。通常对一系列元素含量不同的标准样品测样品放射性计数，作放射性计数对元素含量的标准曲线，测量未知样品的放射性计数，从标准曲线上求得样品中该元素的含量。对只有稳定
17、同位素的元素可用活化分析来测定其含量。用中子或带电粒子都可以使元素活化，其中中子活化分析最常用。类似于上一节方法，做相对测量。将未知样品和与之化学组成相同的已知被测元素含量为mst克的样品在相同条件下进行照射，按照 mx/mst=Ax/Ast 求出mx。一、用放射性核素诊断体外诊断：放射性免疫法测抗原。体内诊断：1、用外部辐射源：如肺部透视，消化器官吞入造影剂后透视。（主要用x射线，这里不做讨论）2、体内注射：向体内注射选择性地在受检器官沉积的放射性核素。这种诊断是放射性核素应用的最重要领域。器官的诊断检查包括功能检查和定位检查（如肿瘤）。通常的做法是把放射性药物注射到病人的血管（静脉注射），
18、在一定时间后测定受检器官发射的射线，根据射线的空间分布，通过计算机做出有关器官的彩色闪烁图。常用下列两种方法：SPECT(单粒子发射计算机断层照相法Single Particle Emission Computer Tract-photograph)法：用仪器记录下放射性核素发射的各个量子。几乎所有的器官和骨骼都可以用合适的放射性核素进行诊断。如用I-131标记的马尿酸进行肾功能检查，通过从肾脏发出的辐射随时间的变化过程，可以判断肾功能。又如换气检查：病人吸入含有少量81mKr(t1/2=13s)的空气，从记录到的辐射可知道肺叶的工作能力，还可以为肿瘤定位。再如用I-125进行甲状腺病理诊断等
19、。PET法(正电子发射断层照相法Positron Emission Tract-photograph)：用相对布置的探测器对正电子湮没释放出的0.51Mev的量子进行符合测定。多个探测器布置成环形。设置的探测器越多，则同时得到器官的放射性断面图越多。这种方法最重要的应用是心脏和脑部诊断 心脏诊断：用13N标记的*NH3测定心脏的血流量，再用2-氟代-2-脱氧葡萄糖-18F来测定心脏的葡萄糖代谢。如果心脏区血流量降低，而葡萄糖代谢正常或提高，则表示此时梗塞区不仅血流量降低了，而且脂肪酸代谢也降低了，需要做手术。脑疾病的诊断：用11C标记葡萄糖，可指示脑的某些部位出现了老年痴呆症的症状。1、癌症的
20、辐射治疗：通常用辐射源(60Co源)或高能电子(电子加速器)照射肿瘤，用辐射的高能量使肿瘤细胞破坏。但这些辐射源不能避免对周围组织造成比较高的辐射剂量。2、中子俘获肿瘤疗法：向病人提供一种无毒的硼化物(含浓缩10B)，而这种化合物能被恶性肿瘤富集，因而在该处的浓度比血液和周围组织浓度高，再用热中子去照射肿瘤，使发生10B(n,)7Li反应，生成的高能粒子和7Li核迁到细胞核把细胞杀死。慢中子本身对人体实际上不造成损伤，因为构成细胞的各种原子俘获中子的几率很低。目前由于要找到恶性肿瘤中富集的硼化物不易，因此现只在下列两个领域中得到应用：治疗神经纤维瘤。所用的硼化物为Na2B12H11SH 治疗恶
21、性黑变病(皮肤变黑的特别恶性肿瘤)。所用的硼化物有两种：A、5-二羟基硼氧基-2-硫代尿嘧啶(BTU)。B、对-二羟基硼氧基-苯基丙氨酸(BPA)。3、标记单克隆体法：用放射性核素(常用131I、211At)标记单克隆体。这些克隆体停留在肿瘤细胞的表面上，发射辐射而破坏肿瘤细胞。此法现正在研究中。放射性核素放射性药物治疗或诊断I-131碘化钠甲状腺机能亢进P-32磷酸钠慢性白血病红细胞增多症转移性骨癌处理腹膜腹水磷酸锆处理胸膜腹水Au-198金丝处理腹膜腹水处理胸膜腹水C0-60针丝同上，癌症中间植入Sr-90敷贴器处理眼疾Ir-192铱-192籽源肿瘤间照射Ta-182Ta-182籽源膀胱肿
22、瘤I-125碘血清蛋白血溶量检测碘代脂肪酸血溶量检测、心肌梗塞等I-131碘化钠甲状腺功能碘玫瑰红钠肝放射性核素放射性药物治疗或诊断I-131邻碘马尿酸钠肾图、肾扫描碘血清白蛋白血溶量、胎盘碘大颗粒聚合白蛋白肺部疾病碘化胆固醇肾上腺Kr-85Kr-85心脏和心外血流比Mg-28氯化镁镁代谢K-42氯化钾钾的分布和代谢Se-75Se疍氨酸胰腺Na-22氯化钠钠的分布和代谢Sr-85绿化锶或硝酸锶骨骼Sr-87m硝酸锶骨癌Tc-99m锝血清蛋白心血池、胎盘锝聚合血清蛋白肺部放射性核素放射性药物诊断或治疗Tc-99m高锝酸钠脑、甲状腺锝硫胶体肝和脾锝青霉素胺-乙酰唑磺胺配合物肾锝-DMT-乙酰唑磺胺配合物肝、胆H-3氚水测定人体水量Xe-133气体肺和脑血流量Tl-201氯化亚铊心血管病、甲状腺
