[科普中國(guó)]-示蹤元素

簡(jiǎn)介

示蹤元素是用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行和變化過(guò)程的同位素。以示蹤元素標(biāo)記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變，而可根據(jù)放射性或原子質(zhì)量差異予以追蹤。用示蹤元素研究化學(xué)反應(yīng)、生物代謝途徑等的方法，稱(chēng)“同位素標(biāo)記法”。廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和科學(xué)研究1。

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(yīng)中用來(lái)追蹤路徑，被廣泛的使用著2。示蹤元素也可用于追蹤于天然系統(tǒng)（natural system）中的分布，例如細(xì)胞或組織。還可以用來(lái)確認(rèn)天然氣冒出的位置，進(jìn)而使用水力壓裂（hydraulic fracturing）技術(shù)得到天然氣。示蹤元素成為了各種成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如：正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Positron emission tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)PET），單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Single-photon emission computed tomography ，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chuàng)造的任何生物的同位素標(biāo)記物。

氫簡(jiǎn)介氚3（音‘chuān’），英文名稱(chēng)：Tritium，亦稱(chēng)超重氫，是氫的同位素之一，元素符號(hào)為T(mén)或3H。它的原子核由一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子所組成，并帶有放射性，會(huì)發(fā)生β衰變，其半衰期為12.43年，原子量3.016u。

氚是通過(guò)Li的中子輻射產(chǎn)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(chǎn)生的平均能量有5.7 keV。因?yàn)樗l(fā)射的電子具有相對(duì)較低的能量，經(jīng)由閃爍計(jì)數(shù)的檢測(cè)效率是相當(dāng)?shù)偷摹５?，氫原子因有存在于所有有機(jī)化合物中這個(gè)特性，因此氚經(jīng)常在生化研究中作為示蹤劑。

應(yīng)用由于氚不僅具有適宜的核物理性質(zhì)，并具有價(jià)廉、毒性較低、比活度較高和放射自顯影良好等優(yōu)點(diǎn)4，所以氚及其標(biāo)記化合物在軍事、工業(yè)、水文、地質(zhì)，以及各個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域里均起著重要的作用；在生命科學(xué)的許多研究工作中，氚標(biāo)記化合物則是必不可少的研究工具。例如，酶的作用機(jī)理和分析、細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)、受體結(jié)合研究、放射免疫分析、藥物代謝動(dòng)力學(xué)，以及癌癥的診斷和治療等，都離不開(kāi)氚標(biāo)記化合物。在使用氚標(biāo)記化合物進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須注意氫的同位素效應(yīng)、自輻解和在實(shí)驗(yàn)條件下氚標(biāo)記化合物的穩(wěn)定性問(wèn)題，以求獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

碳簡(jiǎn)介碳143是碳元素的一種具放射性的同位素，它是透過(guò)宇宙射線(xiàn)撞擊空氣中的氮原子所產(chǎn)生。碳-14原子核由6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)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(zhuǎn)變?yōu)榈?14原子。

碳14是 自然界中碳素有三種同位素，即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。 14C的半衰期為5730年，14C的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：一是在考古學(xué)中測(cè)定生物死亡年代，即放射性測(cè)定年代法的一種，其他常用的還有鉀-氬法測(cè)定，鉀-氬法測(cè)定，熱釋光測(cè)定等；二是以14C標(biāo)記化合物為示蹤劑，探索化學(xué)和生命科學(xué)中的微觀(guān)運(yùn)動(dòng)。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，存在于大氣中，由大氣中氮與宇宙射線(xiàn)作用生成，其豐度基本保持不變，是生物圈中碳-14的來(lái)源。

C衰變經(jīng)由正電子發(fā)射發(fā)生，半衰期為20分鐘。C是其中一種常用于正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography）的同位素。

C的衰變是通過(guò)β衰變而成，半衰期為5730年。它在地球的大氣層上層會(huì)不斷地生產(chǎn)，所以地表的環(huán)境中其含量非常微量。然而，利用自然產(chǎn)生的C來(lái)做示蹤物研究并不實(shí)際。相反地，它是由可自然產(chǎn)生、占所有C的1.1%的同位素C的中子輻照制成。C非常廣泛地用于追蹤有機(jī)分子通過(guò)代謝途徑的發(fā)展。

應(yīng)用碳-14標(biāo)記化合物廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，采用放射性標(biāo)記化合物進(jìn)行示蹤，具有方法簡(jiǎn)單、易于追蹤、準(zhǔn)確性和靈敏性高等特點(diǎn)5。

氮簡(jiǎn)介自然界中氮元素含14N和15N 2種穩(wěn)定同位素3，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(zhǎng)的是13N，它的半衰期也僅10min，應(yīng)用不便，因此15N作為氮化合物的示蹤原子在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。分離15N最有效的方法是一氧化氮/硝酸體系的化學(xué)交換法，在德國(guó)采用該法可生產(chǎn)250種以上15n標(biāo)記化合物。另一方法是一氧化氮精餾法，也可獲得15N，但同時(shí)得到17O和18O。

N衰變經(jīng)由正電子發(fā)射發(fā)生，半衰期為9.97分鐘。且它是由核反應(yīng)產(chǎn)生的。
H +O →N +He

應(yīng)用
N適用在正電子發(fā)射斷層掃描（PET掃描）6。

氟簡(jiǎn)介F3衰變經(jīng)由正電子發(fā)射發(fā)生，半衰期為109分鐘。它是經(jīng)由回旋加速器或線(xiàn)性粒子加速器，用此以發(fā)生質(zhì)子撞擊制成O。它在放射性藥物業(yè)界是一個(gè)占有一席之地的同位素。

應(yīng)用它在PET掃描中被用來(lái)標(biāo)記氟脫氧葡萄糖（fluorodeoxyglucose，F(xiàn)DG）6。

磷簡(jiǎn)介元素磷3的一種放射性同位素。符號(hào)婥P，簡(jiǎn)寫(xiě)為P。磷32是1935年用鐳鈹中子源照射二硫化碳首次制得的。磷32是純?chǔ)滤プ兒怂兀律渚€(xiàn)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(guò)S的中子撞擊而得：
S + n →P + p
它的衰變是經(jīng)由β衰變而成，半衰期為14.29天。它通常用于生物化學(xué)上，研究蛋白質(zhì)磷酸化激酶。

P在P之間的中子撞擊中相對(duì)產(chǎn)率較低。這其實(shí)也是一種β發(fā)射，其半衰期為25.4天。雖然比P更昂貴，但其所發(fā)射的電子能量較低，因而可以擁有更高的辨識(shí)率，例如DNA定序。

應(yīng)用P和P兩種同位素在標(biāo)記核苷酸和其他含有一個(gè)磷酸基團(tuán)的物種方面非常有用。

在農(nóng)業(yè)上，磷32可用作示蹤原子7，研究植物的營(yíng)養(yǎng)吸收、分布和代謝機(jī)理，研究農(nóng)藥的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累、降解、殘留、排除等的規(guī)律,為合理施肥、農(nóng)藥選擇和安全使用提供科學(xué)依據(jù)。

硫硫-353是質(zhì)量數(shù)為35的硫的放射性核素，半衰期87.48天，發(fā)射βˉ輻射。最大能量0.167兆電子伏?？蓮姆磻?yīng)堆中以中子轟擊S-34或Cl-35制得。用作化學(xué)反應(yīng)和蛋白質(zhì)代謝等研究的示蹤劑，制備標(biāo)記化合物以及治療軟骨肉瘤

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

應(yīng)用它被用于標(biāo)記含硫氨基酸（amino-acids）甲硫氨酸（methionine）和半胱氨酸（cysteine）。當(dāng)硫原子在一核苷酸的磷酸基上取代氧原子，接著一個(gè)硫代基產(chǎn)生，所以S能也可以用于追蹤磷酸基團(tuán)。

锝簡(jiǎn)介锝3（Technetium），中國(guó)大陸稱(chēng)锝、港澳稱(chēng)鍀、臺(tái)灣稱(chēng)鎝，元素符號(hào)Tc，為銀白色金屬，原子序數(shù)43，原子量98.9062。

Tc是一種用途很廣的放射性同位素。它很容易在锝-99m發(fā)生器中經(jīng)由Mo衰變產(chǎn)生。
Mo →Tc + e+ Ve
鉬（molybdenum）同位素具有大約66小時(shí)（2.75天）的半衰期，所以，發(fā)生器大約有兩個(gè)星期的使用壽命。大多數(shù)商業(yè)用Tc發(fā)生器采用柱色譜法（柱層析，Column chromatography），在Mo還處于鉬酸的形式──MoO4時(shí)會(huì)吸附在酸化氧化鋁上（Al2O3）。當(dāng)Mo衰變時(shí)，形成過(guò)鎝酸鹽 TcO4，由于其單電荷，所以不太能與氧化鋁緊密結(jié)合。通過(guò)固定化柱，生理鹽水溶液Mo洗脫可溶性Tc，導(dǎo)致在含有鹽溶液的Tc作為高鎝酸鹽的溶解鈉鹽。過(guò)鎝酸鹽須利用還原劑如Sn和配體（Ligand）來(lái)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(chǎn)生更強(qiáng)的親和力。

Tc衰變是經(jīng)由γ射線(xiàn)形成，半衰期為6.01小時(shí)。其極短的半衰期確保檢體內(nèi)濃度的放射性同位素在幾天之內(nèi)有效的下降到零濃度。

應(yīng)用因?yàn)橥凰豑c-97具有260萬(wàn)年的長(zhǎng)半衰期，故用于化學(xué)研究。過(guò)锝酸鹽是鋼的良好緩蝕劑。锝在冶金中用作示蹤劑，還用于低溫化學(xué)及抗腐蝕產(chǎn)品中，亦用作核燃料燃耗測(cè)定。

锝99m，一種锝的半衰期極短的不穩(wěn)定同位素，是核醫(yī)學(xué)臨床診斷中應(yīng)用最廣的醫(yī)用核素，常用锝(Tc-99m)焦磷酸鹽注射液拼音名 （TECHNETIUM [99mTc] PYROPHOSPHATE INJECTION）。用99Tcm標(biāo)記的用于診斷臟器疾病和功能的放射性顯像劑。從99Mo-99Tcm-發(fā)生器用生理鹽水淋洗得到的是99TcmO4-，用于甲狀腺顯像。但多數(shù)情況下用還原劑還原成+1，+3，+4和+5價(jià)離子與含O，N，S，P等供體原子的化合物反應(yīng)制成放射性藥的。99Tcm放射性藥物不僅用于狀態(tài)圖像診斷，而且還可用于功能(如腦、心肌，肝功能等)診斷，已占診斷用放射性顯像劑的約85%，可用于診斷腦、心肌和腫瘤等疾病和幾乎所有臟器疾病。

碘簡(jiǎn)介元素周期表53號(hào)元素碘3，在化學(xué)元素周期表中位于5周期系ⅦA族是鹵族元素之一。碘-131是元素碘的一種放射性同位素，為人工放射性核素（核裂變產(chǎn)物），符號(hào)為I-131，半衰期為8.3天。正常情況下自然界是不會(huì)存在的

I是由Xe的質(zhì)子照射產(chǎn)生。銫同位素產(chǎn)生時(shí)并不穩(wěn)定，且會(huì)衰減到I。同位素通常會(huì)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(jīng)被橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratories）通過(guò)Te的質(zhì)子撞擊生產(chǎn)成功。

I衰變是經(jīng)由電子捕獲產(chǎn)生，其半衰期為13.22小時(shí)。其所發(fā)射之159keV的γ射線(xiàn)被用于單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（SPECT）。127keV的γ射線(xiàn)也有射出。I經(jīng)常采用放射免疫測(cè)定，因?yàn)樗鼡碛邢鄬?duì)長(zhǎng)的半衰期（59天）和其通過(guò)γ計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)具有高傳感度的功能。

I與核武器有著莫大的關(guān)系。俄羅斯的切爾諾貝利核災(zāi)以及福島核災(zāi)就是非常著名的例子。I的半衰期為1570萬(wàn)年，它用其低能量的β和伽瑪射線(xiàn)放射，進(jìn)行緩慢的衰變過(guò)程。它不能用作示蹤劑，盡管它可以用在生物體上，包括人類(lèi)，可能會(huì)被偵測(cè)出對(duì)生物體有害的γ射線(xiàn)的存在。

應(yīng)用還可用來(lái)標(biāo)記許多化合物，供體內(nèi)或體外診斷疾病用。如碘131標(biāo)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8。除了核醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用外，碘131還可用來(lái)尋找地下水和測(cè)定地下水的流速、流向，查找地下管道泄漏；測(cè)定油田注水井各油層吸水能力及其變化，以便及時(shí)有效地采取措施，調(diào)節(jié)水流的分配，保持油井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等。