示踪技术及应用

1 放射性示踪技术及应用theTechnologyofRadioactiveTraceanditsApplication 放射性示踪技术及应用theTechnologyofRadioactiveTraceanditsApplication 2 1放射性示踪技术概述 2放射性示踪法在工业中的应用 3放射性示踪法在化学中的应用 4示踪在考古学的应用 年代测定技术 5放射性示踪法在生物学中的应用 7放射示踪法在医学上的应用 6放射性示踪法在生物化学研究的应用 8放射性标记化合物 9放射性示踪发展展望 内容 3 1放射性示踪技术概述 定义应用放射性同位素对普通原子或分子加以标记 利用高灵敏 无干扰的放射性测量技术研究被标记物所显示的性质和运动规律 以便追踪发生的过程 运行状况或研究物质结构等的科学手段 4 1 1放射性示踪技术基本性质 对于含有x个A类原子和y个A 原子的系统 变化进入Z或Z 状态 可表示为S xA yA Z x A y A 或 Z x A y A 认为同种元素的各同位素的物理化学行为相同 而同位素效应可以忽略的情况下 则x x y y或x x y y即非放射性原子和放射性原子将有同等的分数进入变化生成的中间物或最终产物之中 5 1 2放射性示踪技术的分类 化学标记 放射性示踪核素处于被研究系统组分相同的化合物中 跟踪特定元素的运动 反应或代谢过程 以得出关于该系统化学变化的信息 物理标记 放射性示踪核素不是被追踪系统的基本部分 而是以某种方式附着在被研究的对象或介质上 它的辐射可以用某种方法被探测 但其化学性质表现并不重要 6 用示踪原子标记待研究的物质 追踪其化学变化或在有机体内的运动规律 将示踪原子与待研究物质完全混合 然后追踪示踪原子 比如 研究河流中泥沙迁移规律 山坡地上水土流失规律 管道中液体的输运过程等 将示踪原子加入待研究对象中 然后跟踪 比如炼铁高炉炉衬烧损程度的监测等 1 3放射性示踪技术的方式 7 1 4放射性示踪技术的特点 灵敏度高可探测 1nCi 10 14 10 13g化学分析只能达到10 9g测量简便 易分辨不受非放杂质干扰 活体研究 体外测量提供原子 分子水平的研究手段微观作用机理 动态变化过程合乎生理条件不扰乱体内生理过程的平衡状态能定位核显像技术 组织器官 细胞 亚细胞水平定量定位 8 1 5放射性核素的来源 反应堆生产 131I 133Xe 24Na 99Mo中子流 靶材料产额决定于中子能量 通量密度 靶核数 核反应截面 照射时间等加速器生产 11C 13N 15O带电粒子 p He 等 靶材料小型化 投资少 结构紧凑母牛法核素发生器 从母牛体系中分离出处于平衡状态的子体核素 专门制造短寿命放射性核素的装置 常用 医用核素发生器 9 放射性核素发生器 放射性核素发生器 Mo Tc母牛 此装置是将母体核素99Mo 钼 吸附在一定的吸附柱上 用合适的洗脱剂 一般是用生理盐水 将子体核素99mTc 锝 洗脱下来应用于临床 此过程形似 挤牛奶 每天可洗脱2 3次 洗脱下来的99mTc 锝 液可直接供临床使用或制备成放射性药物 用于诊断的放射性药物中99mTc 锝 标记的各种药物 占80 以上 60 02h 6 02h 10 具体过程 由235U的裂变产物经过多次分离纯化 得到99Mo 钼酸铵溶液 然后装入有酸性Al2O3吸附剂的色谱柱上 发生如下反应99MoO42 2R R299MoO4 R R99TcmO4 用生理盐水淋洗 可将结合弱的单电荷99TcmO4 离子淋洗下来 而2个电荷的99MoO42 离子仍牢固的保留在柱上 11 99Tcm有合适的半衰期 6 02H 和良好的辐射特性 病人所受的辐射剂量小 140KeV的单光子显像分辨率高 同时99Tcm有良好的化学性质 可与多种含氧 氮 硫的有机或无机物作用成络合物 这些络合物无论在体内或体外均较稳定 可用于人体多种组织器官的疾病诊断 12 在发生器内 随着母体核素99Mo的衰变 子体核素99Tcm不断增长 衰变 直到达到放射性平衡 使用化学分离方法从母体中获得无载体的子体 发生器可在一定时间内重复运行 直到母体核素的放射性活度减到很弱为止 这一现象恰似从母牛中挤奶 故放射性核素发生器俗称 母牛 以99Tcm标记的放射性药物几乎占临床所用的放射性药物的80 以上 13 1 6放射性示踪剂 示踪剂 TRACER 一种带有特殊标记的物质 当它加入到被研究对象中后 人们可根据其运动和变化来洞悉原来不易或不能辨认的被研究对象的运动和变化规律 特性化学性质完全相同同位素化学性质相同 可正确反映研究对象在物理 化学和生物过程中的性质和行为 核素的放射特性不改变物质的物理和化学性质 14 放射性示踪剂的选择 根据实验目的和要求 放射性半衰期医学临床应用的为几个小时至十几天 11C 13N 15O 15N 18O辐射类型和能量 探测效率高 易于防护 32P 14C 3H 穿透性好 100 600keV 99mTc 111In 201Tl放射性比活度原始比活度足够高 15 放射性示踪剂的选择 为什么比活度要求要大 例 S 100Ci g 市售 S 0 5 2Ci g 对1mCi的放射性As 前一种样品的质量 0 01mg后一种 2 0 5mg 16 放射性示踪剂的选择 放射性核素的纯度检验放射性纯度和放射化学纯度 提纯放射性核素的毒性尽量选择低毒性核素 90Sr高毒 89Sr中毒示踪剂的生物半衰期选择生物半衰期短的示踪剂 减少辐射剂量 17 最常用的放射性示踪核素 许多标记化合物都是14C和3H为基础制取的 迄今 作为商品出售的放射性标记化合物已达1000多种 其中 14C标记化合物约600多种 3H约300多种 125I和131I标记有100多种 18 2放射性示踪法在工业中的应用 工业中流率测量常用方法 放射性示踪技术优点 测量准确度与速度分布图无关 适用性强 常用方法 通过时间法 用于流体体积已知的密封管道 连续稀释法 用于流体截面不精确 如敞开的沟渠 总计数法 稀释法的变更 19 2 1133Xe 地下管道检漏 20 2 2管道流率测定 信号处理显示Q 21 ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量 基本原理 如图所示 0点为钍射气220Rn释放点 管道流量为Q 小闪烁室的容积为Vc 2点至3点之间 包含可调容器 的容积为Vk 220Rn的衰变常数为 则在稳定层流状态下 根据放射性衰变规律 各点的220Rn浓度为 22 ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量 220Rn在小闪烁室a和小闪烁室b的衰变率为 设小闪烁室的探测效率为 ThA 216Po 的半衰期 0 16秒 很短 可以认为220Rn连续发射2个 粒子 则小闪烁室a和小闪烁室b测到的 计数率为 23 小闪烁室a和小闪烁室b测到的 计数率比值为 流经管道的气体流量Q为 ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量 24 2 实验装置 ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量 25 3 实验结果 有关参数 小闪烁室容积 Vc 64 ml 即流率低于740ml min时216Po和220Rn已经达到平衡 延迟体积 Vk 64 ml 小闪烁室的探测效率 a b 100 220Rn的衰变常数 1 32 min 1 气体流率 Q与Q 分别表示实际流率与测量流率值 ml min ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量研究 26 ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量 27 测量流率Q 与实际流率Q的比对曲线 ZnS Ag 小闪烁室 220Rn流气法测管道流量 28 3放射性示踪法在化学中的应用 分子结构的研究如 同位素交换反应12CO2 13CH4 13CO2 12CH413CO2 H12CO3 12CO2 H13CO3 因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发生变化 从而引起光谱谱线位移 因此可以进行分子结构的研究 化学反应机理研究化学键的形成方式反应中发生的分子重排 异构 裂解 水解过程催化反应中吸附催化机理 吸附分子寿命 29 3 1放射分析化学方法 同位素稀释法原理 放射示踪剂与待测物混合 分离 测量实例 P G公司测定洗衣粉中主要成分的残留量放射分析法原理 泛指用放射示踪剂测定浓度的各种方法实例 50万年前北京猿人会不会用火 30 G deHevesy 1885 1966 在卢瑟福实验室工作期间 因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃 于是 他在剩菜中放上微量的钍 然后在下一次的菜中检验是否有放射性 结果他都能准确地判断是剩菜还是新菜 1943年荣获诺贝尔化学奖 获奖原因 使用同位素作为化学过程研究的示踪剂 核医学的创立者 31 4示踪在考古学的应用 年代测定技术 基本原理公式设母核素的衰变常数为 初始时核数为N0 t时刻为Np 子核素的核数为Nd 则有 32 用于年代测量的天然放射性核素 33 4 1碳14测定技术 利用碳的放射性同位素碳 14的放射性测定生物体遗骸及其他地质样品的绝对年代的是W F 利比于1947年创立 他也因此获得1960年的诺贝尔化学奖 基本原理 宇宙线的中子同大气中的氮 14反应 产生具有放射性的碳 14 其平均寿命 8266 30年 由于产生和衰变之间的平衡 加上碳 14的平均寿命较长和大气 海洋等巨大的碳的交换贮存库的调剂 使得大气中的CO2的碳 14的放射性比活度基本保持为一不变的常数A0 34 生物体同大气进行气体交换 其体内的碳 14的放射性比活度也十分接近为A0 一旦生物体死亡 它同大气的交换停止 其碳 14的放射性比活度A就按指数规律减少A A0e t 测量A和A0的值 就能定出生物体从死亡至今的绝对年代t 碳 14测年法分为常规碳 14测年法和加速器质谱碳 14测年法两种 当时 Libby发明的就是常规碳 14测年法 35 碳 14测定年代主要是采用低本底 低能量 碳 14的最大能量为0 156MeV 的 测量技术 因为天然碳中的碳 14放射性比活度很低 A0为2 25 102Bq kg 而样品年代愈古老 A值愈低 目前常用的探测器有正比计数器和液体闪烁计数器 测量时采用屏蔽 宇宙线反符合环 假信号甄别等方法来降低探测器的本底 目前碳 14方法的最大可测年限为四五万年 测量精确度一般为一百年左右 用加速器的超灵敏质谱仪直接测定样品中的碳 14原子数目 有可能将碳 14方法的最大可测年代增至近十万年 36 加速器质谱碳 14测年法具有明显的独特优点 一是样品用量少 只需1 5毫克样品就可以了 如一小片织物 骨屑 古陶瓷器表面或气孔中的微量碳粉都可测量 而常规碳 14测年法则需1 5克样品 相差3个数量级 二是灵敏度高 其测量同位素比值的灵敏度可达10 15至10 16 而常规碳 14测年法则与之相差5 7个数量级 三是测量时间短 若要达到1 的精度 只需10 20分钟 而常规碳 14测年法却需12 20小时 37 碳 14测定年代方法的可靠性已经被对已知年代的考古样品和生物样品 树木年轮 的测定所证实 并在考古学 人类学 地质学等领域中得到广泛的应用 可以说 对测定50000年以内的文物样品 加速器质谱碳 14测年法是测定精度最高的一种 38 对动则上亿年 地球年龄45亿年 的地质年代 利用半衰期仅5700年的碳 14断代是不可能的事情 why 幸好在矿石中 有其他的放射性物质可以利用 例如铀 238会衰变为铅206 其半衰期为45亿年 云母或长石中的钾 40会衰变为氩40 其半衰期为13亿年等 39 4 2钾 氩法断代 利用矿物质中钾 40衰变成氩 40的原理来进行断代的技术 测定年代的范围在10万年以上 它是古人类学中常用的放射性断代方法之一 钾在地壳中含量丰富 重量约占2 8 它有两个主要的非放射性同位素钾 39 钾 41 共占99 9 以上 另有一个放射性同位素钾 40 只占0 0118 钾 40有两种不同的衰变方式 约有9 放射一个电子 衰变成钙 40 余91 以捕获K层一个电子的方式衰变成氩 40 放射性成因钙 40与原来岩石中的钙 40 无法加以区别 难以定量估计 因此只有钾 40衰变成氩 40容易测定 可作为断代的根据 40 氩是惰性气体 在火山岩形成时 由于高温 岩石中不可能保留有气体 冷却后 放射性成因氩 40才逐渐在岩石中积累 因此只要测出岩石中的钾 40和放射性成因氩 40的含量 就可以定出该岩石形成的年代 在实验上需要对来自空气中的氩 40污染作扣除校正 41 钾 氩法断代主要应用于地质学上测定火山岩的年代 因为钾 40的半衰期很长 约有13亿年 年轻样品累积的氩 40很少 不易测准 误差较大 考古上的应用主要是确定年代久远的旧石器时代早期遗址和古人类的年代 如遗址或古人类化石被埋在火山灰中 或者遗址地层与火山岩层相关联能进行比较 则可利用此种火山岩作钾 氩法测定 以定出古人类遗址的绝对年代 42 例题 在蒙古发现翼手龙的化石 设同地质层中的长石内 钾与氩的比例为92 8 请由此估算其年代 t 1 277 109 ln2 ln 1 8 92 1 5365 108 年 即约一亿5365万年前 时当侏罗纪后期 43 5放射性示踪法在生物学中的应用 研究植物的营养生理 对营养元素以及农药的吸附 转运 分配和积累规律研究人和动物体内物质的吸收 分布 代谢和排泄情况为分子生物学提供原子和分子水平的研究手段应用于基因工程 17世纪 光学显微镜发明标志着生物医学发展中的里程碑20世纪 放射性示踪技术的诞生对生物学推进同样重要 44 其原理是将放射性同位素 如14C和3H 标记的化合物导入生物体内 经过一段时间后 将标本制成切片或涂片 涂上卤化银乳胶 经一定时间的放射性曝光 组织中的放射性即可使乳胶感光 然后经过显影 定影处理显示还原的黑色银颗粒 即可得知标本中标记物的准确位置和数量 放射自显影的切片还可再用染料染色 这样便可在显微镜下对标记上放射性的化合物进行定位或相对定量测定 5 1放射自显影术Radioautography 45 卡尔文循环 光合碳循环 用放射性示踪技术研究植物的光合作用过程 发现植物吸收CO2以及CO2被还原为碳水化合物并转化为葡萄糖 由于每一次放射性衰变能够指示出单个原子所处的位置 因此在各个化学反应的各个阶段 通过高灵敏度的探测器可以一直跟踪某种放射性核素的径迹 从而可以窥视用其他技术不能发现的反应机理和历程1961 卡尔文获得诺贝尔化学奖 获奖原因 研究光合作用的化学过程 5 2放射性示踪法研究光合作用 46 47 6放射性示踪法在生物化学研究中的应用 生物体内的物质代谢确定代谢途径或中间代谢环节找出代谢物在体内发生变化之后的产物找出体内存在的各种生化物质的前身 48 6放射性示踪法在生物化学研究中的应用 传统实验方法整体实验离体实验传统实验方法的缺点同位素示踪法示踪量 不破坏体内生理过程的平衡3H T1 2 12 3y 14C T1 2 5730y 液体闪烁测量 加速器质谱法 AMS 49 7放射示踪法在医学上