关于同位素技术介绍

[拼音]：tongweisu jishu

[外文]：Isotope technique

将同位素（示踪原子）或它的标记化合物用物理的、化学的、或生物的方法掺入到所研究的生物对象中去，再利用各种手段检测它们在生物体内变化中所经历的踪迹、滞留的位置或含量的技术。这种技术因为一般不需经过提取、分离、纯制样品等步骤，具有快速、灵敏、简便、巧妙、准确、可定位等优点，已经成为研究生物物质代谢、遗传工程、蛋白质合成和生物工程等不可缺少的技术之一。

核素和同位素

任何元素的原子都是由原子核和核外电子所组成。原子核的基本特征可由核的质量数和电荷数来表示。质量数为核内质子数与中子数之和，即核子数，用A表示；因中子不带电荷，故核的电荷数即核内质子数等于核外电子数，或原子序数，以Z表示。若用X代表某一种元素，则姸X代表该元素的具有某种特定核结构的原子，称为核素。凡Z值相同，在元素周期表中占有同一位置的各核素，称为该元素的同位素，例如Z值为1的核素有3种，即姌H（氢）、娝H（氘）婤H（氚），简写为1H、2H、3H，它们是3种互为同位素的核素。迄今为止，已发现的核素共有2000余种，其中稳定的约300种，其余是不稳定的，即放射性的。放射性核素（母体）不断地放出射线(α、β-、β+、γ或电子俘获)最终变成稳定的新核素（子体），这个过程叫核蜕变，任何外力都不能改变这种过程的趋向、速度和能量特征。

虽然核素比同位素的含义更严格和确切，但习惯上总是把在自然界中大量存在的核素称为普通元素，而把与其Z值相同的其他核素称为同位素，例如说同位素碳-14，即指劰C核素；同位素磷-32，即指婥P核素。

同位素生产及其标记化合物的制备

生物学中常用的放射性同位素有 3H、14C、 32P、 35S、 45Ca、51Cr、59Fe、125I、131I、198Ag等，稳定性同位素有2H、13C、15N、18O等。这些同位素在自然界中含量极少或没有，一般需采用人工制造的方法获得。利用原子反应堆中的大量中子或加速中带正电荷的高速粒子，在严密控制下轰击靶物质，使被照射物中某种原子发生核反应后，可能生成所需要的同位素。例如生产同位素碳-14时，可选用NH4NO3等为靶物质，其中的14N核经中子照射后可发生如下的核反应：

产物实际为含14C的混和物，一般需经彻底氧化成14CO2后再用Ba(OH)2溶液吸收，制成Ba14CO3形式后才能贮存和使用，而所有含14C的标记化合物都是以Ba14CO3为起始原料，再经过化学合成或生物合成的方式制备的。同样，所有含35S的标记化合物都是由Na35SO4为起始原料制备的。以锂为靶核经慢中子轰击后可产生出3H、核反应如下：

产物可以制成氚气或氚水的形式被使用。将锂盐与待标物粉末混合后用中子辐照也可直接得到氚标记物，称为反冲标记法，但产物必须经过纯制。以这些简单的标记化合物为原料，用细胞培养法以及生物化学和有机化学的方法，可制备出各种生物分子，包括核酸类生物大分子的标记化合物。

不同制备方法所得到的标记产物的规格很不相同。一般用S代表定位标记，例如腺嘌呤-8-T(S)，即表示腺嘌呤环的第8位碳原子与氚(T)相连；用u代表均标记，例如葡萄糖-14C(u)，即表示糖分子中的每一个碳原子具有在统计学上均一的可能性被标记;用g代表全标记即不均匀标记，是规格最低的一种，价格亦较便宜。

放射性同位素测量

对于稳定性同位素，需使用质谱分析法测定，对于放射性同位素可使用多种测量方法，最简单和常用的测量仪器是盖革计数器。其原理是放射性同位素所放出的射线引起计数管中的气体发生电离作用，将计数管电极上收集到的脉冲电流放大，并输入到定标器中计数测量。这类仪器可做一般的放射性测量用，但对于含射线能量较低的样品必须选用专门的薄窗计数管，否则探测效率太低。70年代以来逐渐被广泛使用的另一类型的测量仪器是闪烁计数器，其原理是利用射线能引起一种名为“闪烁体”的物质发生激发作用，当被激发了的原子退激时则产生荧光光子，将光子用反射物和光导尽可能地收集到光电倍增管的光阴极上，再用脉冲高度分析器和定标器测定并记录所产生的脉冲电信号。闪烁体又称荧光体，是由某些受到射线照射后易产生荧光的物质组成，按化学性质可分为无机的和有机的二种，按状态可分为固体的和液体的二类型。

一般将固体闪烁体制成阱型，样品放入阱底被测量，故又称阱型闪烁计数器，多用于含γ射线样品的测量。常用的液体闪烁体是由有机闪烁体溶于有机溶剂中构成。测试样品可溶解于或悬浮于闪烁液中，也可吸附到小滤纸片等支持物上再置于闪烁液中。由于样品可以与闪烁液密切接触，其几何条件接近4π，故探测效率较高，尤其适合于测量含有3H、14C、35S等仅发射低能量软β射线的样品。这类液体闪烁计数器，简称“液闪”仪，若配备有能谱分析系统，还可同时进行双标记或多标记样品的分析。有的“液闪”仪在制作上提高了探测γ射线的效率，可用于专门的放射免疫分析。

放射性强度单位

放射性强度是量度放射性物质的一种物理量。表示强度的单位有：

（1）居里，以单位时间内所发生的核衰变数目来表示，其定义为

1Ci(居里)＝3.7×1010dps(核衰变数／秒)

适用于任何放射性物质。在示踪工作中更常使用的是毫居里和微居里，分别相当于居里值的千分之一和百万分之一。比放射性又称比强度或比活度，表示单位质量的物质内或单位容积的溶液内所含的放射性强度，其单位为居里/克或毫居里/毫升等。

（2）克镭当量，是专门表示γ放射性物质的强度单位，定义是：凡放出γ射线的物质和1克镭（被置于0.5毫米厚的铂管内，并与其衰变子体达到平衡时）在同样条件下所引起的电离作用相等时，则其放射性强度为1克镭当量，它的千分之一为1毫克当量。

辐射剂量单位

辐射剂量是指每单位质量的被照射物质所吸收的射线能量。表示剂量的单位有多种，国际上通用的有：

（1）伦琴(Roentgen)，简称伦(R)，是照射量单位。

1 伦＝2.58×10-4库仑/千克

（2）拉德(rad)，是吸收量单位。

1 拉德＝10-2焦耳/千克

（3）雷姆(rem)，是剂量当量单位。

H＝D·Q·N

式中H为辐射剂量当量，D为吸收剂量，Q为品质因数，N为其他修正因数之积。

新的国际制单位正在制定中，包括：贝柯(Bq)为放射性强度单位，1Bq＝1次核衰变/秒；戈瑞(Gy)为吸收剂量单位，1Gy＝1焦耳/千克；西弗 (Sr)为剂量当量单位，1Sr＝1焦耳/千克；但照射量单位尚无专名，以上这些新单位目前尚未通用。

放射防护

由于放射性物质所发出之射线能使受照射物质的原子或分子发生电离，电离辐射不仅对个别细胞，而且对整个机体，都能引起损伤。电离辐射是一种强烈的诱变剂，其效应同机体可接受的剂量成正比。放射防护的目的是采取措施使人们工作和生活的环境中的辐射剂量减低到可接受的水平，免于遭受辐射损伤。虽然示踪实验所接触的放射性一般都是低水平的，但也必须本着科学的态度对待它。参照国际放射防护委员会(ICRP)的建议，中国颁发了“放射防护规定”。凡从事有关放射性的工作，在实验设计、 *** 作、废物处理以及环境保护等方面均应严格按照“规定”进行，既确保群体、个人和环境的安全，又利于促进科学的发展。

同位素技术的应用

与普通照相的曝光、显影、定影原理相似，此法是利用放射性同位素所放出之射线使照相乳胶“感光”，再经显影和定影处理，将乳胶中因受辐照而致敏的卤化银颗粒还原成金属银，洗去未“感光”的卤化银后则图像自然显示出来。图像中任何区域的黑度取决于留存的金属银的量，它反映了射线在这个区域所沉积的能量。这种方法以照相乳胶或核乳胶(卤化银颗粒更细)作为“仪器”，记录、检查和测量整体和组织、细胞和亚细胞水平中放射性示踪物的分布、进行定性和半定量测定，称为放射自显影法。由于放射性物质往往在研究对象中呈不均匀分布，因此可利用一系列不同的图像判断放射性物质在组织或细胞中的动态关系，从而揭示精确的代谢动态过程，所以这种实验技术以其特有的功效从放射性被发现至今仍一直被广泛使用。目前常用的自显影方法有以下几种类型：

（1）接触法，最简单的一种，一般利用照相胶片或 X光胶片，使含有放射性物质的标本表面与胶片上的乳胶层表面紧密接触，经过一定时间“曝光”后，将标本与胶片分开，胶片经过显影、定影等处理后即可得到自显影图像。此法的分辨率受胶片上乳胶层的厚度及颗粒大小的限制，一般为10～30微米，适用于小的动、植物整体标本，大体解剖学的和组织学的切片以及薄层、纸层和电泳图谱的自显影等；

（2）液体乳胶法，目前应用较广泛的一种。一般是将液体乳胶直接涂布到载玻片的组织切片上，“曝光”后连同标本一起进行显影、定影、冲洗和染色，并最后封固在一起。此法的分辨率可达1～10微米，可进行细胞内定位；

（3）电镜自显影法，是放射自显影与电子显微镜相结合的一种新技术。需使用颗粒均匀、大小适中、密度一般为1013银颗粒／厘米3的核乳胶。含有标记物质的样品需制成超薄切片，切片可以捞在带支持膜的铜网上或载玻片上。采用浸涂法、环套法或泡盖法等使乳胶形成一单晶体层敷盖在切片上，再经“曝光”、冲洗和染色等处理。此法的分辨率可达0.05～0.1微米，能分辨DNA分子的一条链，故又称为“分子自显影法”。

当稳定性核素受到中子、带电粒子或高能光子的轰击后，可转变成放射性的核素。测量产物所放出之射线，可定量地测出原样品中某一种或几种元素的含量。利用这种原理检测样品中的痕量元素或微量样品中的化学组成的技术称为活化分析法。用于活化分析的辐射源可以是慢中子、快中子、质子、氘子、氚子、α粒子、高能的X射线或γ射线等，其中应用最多的是中子，特别是慢中子。活化分析通常使用的是（n，γ）反应，即产物核素是受照射核素的放射性同位素，例如127I(n，γ)128I，23Na(n，γ)24Na等。多数Z值大于10的元素当用中子活化时都呈现较大的截面，但组成生物组织的四种主要元素，即H、C、N和O，其Z值都小于10，故不再用中子活化法分析。

活化分析主要用于分析生物样品中的痕量元素，例如Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cd、Cr、F、Ni、Rb、Si和V等。这些元素的含量可能低于普通分析方法的最小检测量，而用活化分析法则有可能准确测出其含量。

活化分析已逐渐在一些大型医院的血、尿、组织样品的常规检验中发挥作用，例如对人的头发中所含的As、Zn、Cl、Hg、Pb等痕量或超痕量元素的分析，可作为监测污染源或食物，药品中某些元素摄入量的依据。利用活化分析检测As含量时，仅需1～2毫米长的一小段头发样品，利用75As(n，γ)76As反应，产物的半衰期为26小时，可很容易地被定量测定。活化分析在农业上可用于研究农药在农作物上的代谢和分解，及其在农畜产品中之残留，研究微量元素在植物体内的生理过程，以及土壤中必需微量元素如 Li、B、Mo、Co和Cu等的含量。在工业上可用于食品工业中对有毒元素的检验和鉴定等。在环境科学上用于研究大气、水、土、生物体的污染源，以及痕量元素与某些地方病的关系等。

活化分析的灵敏度取决于活化类型、活化元素的感应活度及探测仪器的效率。感应活度又受轰击粒子的通量、靶元素的活化截面、辐照时间以及样品中靶原子的数目等影响。 一般情况下慢中子的活化分析可达10-6～10-11克，快中子活化分析可达10-3～10-6克。

利用已知质量和比放射性的标记物加入到待测样品的系统中，经充分混匀稀释后，再测其比放射性，根据稀释前后比放射性的变化推算待测样品质量的方法。

设M为标记物的质量，S为标记物的比放射性，Sx为稀释后样品的比放射性，Mx为待测样品的质量，则

此法简单、方便、灵敏度高，且S愈大准确度愈高。许多生物样品常含有多种性质相近的成分，用经典分析法分析需将这些成分定量的分离并纯制后，方可分析。实际上，纯制过程往往不易定量回收。若用同位素稀释法，将和待测成分相同的标记物加入到样品系统中去，只要将稀释后的样品纯制到比放射性恒定，就可准确地求出待测成分的量，从而省去了成分分离和定量回收等麻烦费时的 *** 作。在某些场合下，此法还可解决一些用其他方法不能解决的问题。例如测定人体的血容量，可将一定量已知同位素浓度的氘水给予受试者（氘是稳定性同位素，对人体无危害，可用质谱仪或密度法测定），与上述原理相同，根据稀释前后氘浓度的变化，可准确地推算出活体的血溶量。

这是80年代以来被日益广泛应用的超微量分析技术，具有灵敏度高和特异性强的突出优点。其基本原理是根据被测定的抗原物质和其标记物(标记抗原)同特异性抗体之间存在着竞争性的结合。若以 Ag和Ag*分别代表待测抗原和标记抗原，Ab代表抗体，Ag·Ab和 Ag*·Ab分别代表非标记的和标记的抗原抗体复合物，则当Ag与Ag*同时存在时，这一系统呈如下的平衡关系:

在Ab恒定时，由于Ag的存在而使Ag*·Ab的产量减少。若F代表未结合的Ag*，B代表Ag*·Ab复合物，则B/F与Ag之量存在函数关系。若以B/F为纵坐标，Ag浓度(ng/ml)为横坐标，则可绘制出剂量反应标准曲线。测量未知样品时，只需在同样条件下测量B和F的放射性，即可由标准曲线求出被测样品的浓度，而不需纯化样品。本方法要求有高纯度的标记抗原，测定标准曲线时要寻找合适的标准品，标准品的免疫活性应与待测样品相当，且不含放射性免疫干扰物。近年来已有愈来愈多的放免专用药盒出售，为放免分析的推广应用提供了便利的条件。