同位素示蹤技術及應用

1、1,同位素示蹤技術及應用Isotopic Tracer Technology and its application,2,重 點,同位素示蹤法的原理。同位素示蹤法的關鍵性技術。同位素示蹤法的應用。常用同位素及其特性。,3,放射性示蹤技術及應用作者：[英]F·安東尼·埃文斯 [日本]村松光雄1990年07月第1版,4,放射性同位素示蹤注水剖面測井作者：姜文達石油工業(yè)出版社

2、1997年05月第1版,5,醫(yī)用同位素示蹤技術作者：朱壽彭 張瀾生原子能出版社1989年12月第1版,6,生物醫(yī)學標記示蹤技術作者：王浩丹 周申1995年12月第1版人民衛(wèi)生出版社,7,同位素技術及其在生物醫(yī)學中的應用作者：中國醫(yī)學科學院第七研究室科學出版社1977年03月第1版,8,1. 《同位素技術》 彭根元等，北京農業(yè)大學出版社， 19942.《Handbook of Rad

3、ioactivity Analysis》 L’Annunziata M F, Academic Press, 1998 IAEA, Laboratory Training Manual on the Use of Nuclear and Associated Techniques in Pesticide Research, IAEA, 19913. 《核技術生物學應用》 陳舜華等，中山

4、大學出版社， 19924. 《示蹤技術在魚類、水產生物科學中應用》 陳舜華，1991 5. 《實用放射防護教程》 王金鵬等，山東人民出版社，2000年,9,示蹤,,10,利用衛(wèi)星跟蹤技術開展的主要研究內容有:揭示遷徙路線和重要停歇地點;尋找新繁殖地和越冬地;利用衛(wèi)星數據對棲息地及其利用進行評價;探討鳥類的遷徙策略.期望該技術能夠成為中國瀕危鳥類保護的有效方法,并盡快得到應用.,研究鳥類遷徙最基本的方法

5、是環(huán)志(無線電跟蹤是現(xiàn)在的先進方法)。研究人員在候鳥集中的繁殖地、越冬地、或遷徙途中的停息地，捕捉活鳥，將帶有環(huán)志者通訊地址和惟一編號的特殊金屬環(huán)或腿旗固定在鳥的跗跖部，然后在原地放飛。在其他地方觀察到或捕捉到，獲得相關信息，這種研究鳥類的方法叫鳥類環(huán)志。,,,11,,微型信號發(fā)生器,信號接收器,,12,水產專家為中華鱘裝“GPS”,通過衛(wèi)星進行跟蹤定位外，配有溫度、光強、壓力、電壓等探頭，可對中華鱘游經區(qū)域的環(huán)境因子進行全方位的實時監(jiān)

6、測。,13,尋找地下河道，用顏料作“標記”。,14,示蹤的定義,蹤：就是蹤跡、痕跡、標記，等等。示：就是展示、揭示、揭露，等等。,示蹤：是指給觀察對象加上“標記”，再引入被研究的系統(tǒng)，觀察標記對象在該系統(tǒng)內的運動和轉化規(guī)律。,15,1 同位素示蹤的定義,如何標記原子？要觀察到原子，人需縮小幾十億倍。,16,1 同位素示蹤的定義,放射性同位素及探測技術的出現(xiàn)，使幻想成為現(xiàn)實?？茖W研究中，通常使用核素作為標記物，所以示蹤也稱核素示蹤，

7、其中采用放射性核素標記時，稱為放射性示蹤(或同位素示蹤)。,17,將可探測的放射性核素添入化學、生物或物理系統(tǒng)中，標記研究材料，以便追蹤發(fā)生的過程、運行狀況或研究物質結構等的科學手段。,18,在被研究的樣品中加“示蹤劑”(放射性同位素和標記化合物)，然后通過測定示蹤劑的位置和數量，追蹤探測樣品內部示蹤原子放射性水平的變化及其活動情況來顯示被研究樣品的運動和變化規(guī)律，它能使我們在極復雜和隱蔽的化學和物理過程中來研究運動。,19,2 同位素

8、示蹤的原理,同位素(及其化合物)與普通元素(及其化合物)之間的化學性質和生物學性質是相同的，只是核物理性質不同。 因此，用同位素作為一種標記，制成含有同位素的標記化合物(如標記食物，藥物和代謝物質等)代替相應的非標記化合物。通過核儀器探測放射性同位素不斷地放出特征射線，就可以隨時追蹤它在體內或體外的位置、數量及其轉變等。,20,穩(wěn)定性同位素雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應同位素的質量之差，通過質譜儀，氣相層析儀，核磁共振等

9、質量分析儀器來測定。 這些方法不像測量放射性的方法那樣靈敏。,21,3 同位素示蹤的發(fā)展史,“tracer”的概念是G. de Hevesy (赫維西)在1923年提出的。1911年， Hevesy在英國盧瑟福實驗室工作期間，因懷疑女房東總是把剩菜改頭換面之后給他吃。于是，他在剩菜中放上微量的放射性釷(Th)，然后在下一次的菜中檢驗是否有放射性，結果他每次都能準確地判斷出他所吃的菜是剩菜還是新菜。,22,1923年，Hevesy在丹

10、麥玻爾實驗室工作期間，將豆科植物浸泡在含有天然放射性核素210Pb(RaD)和212Pb(ThB)的鉛鹽溶液中，研究植物吸收鉛的機制(分布和轉移)。結果發(fā)現(xiàn)：鉛全部被吸附在根部。,23,1934年，Curie夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射現(xiàn)象，獲得具生物意義的32P、45Ca等。32P示蹤：1935年，將32P注入大白鼠中，證明骨骼中的礦物質成分會再補充。1936年， Lawrence & JH Lawrence兄弟將人工放射性同位素P-3

11、2注射入人體進行白血病的治療。,24,1940年，Ruben等用18O示蹤發(fā)現(xiàn)光合作用O2來自于水的光解。14C示蹤： 1949年，Calvin用14C揭示了光合作用，表明植物根部也能夠發(fā)生光合作用。,25,1952年，Hershey和Chase使用35S和32P雙標記噬菌體感染實驗證明DNA是遺傳信息的載體，在50年代還利用14C確定了光合作用最初產物是PGA，并提出了卡爾文循環(huán)。60年代，使用14C、13C、18O等，發(fā)現(xiàn)了植物

12、光呼吸作用。1977年，Sanger等采用放射性標記技術和ARG技術，成功地進行了DNA序列測定。 ……,26,4 放射性示蹤法的特點,靈敏度高目前，化學分析只能達到10-9g(很難達到10-12g)可探測<1nCi,或10-14?10-18g，從1015個非放射性原子中查出一個放射性原子比重量分析天平敏感107-108倍測量簡便、易分辨不受非放雜質干擾，活體研究，體外測量,27,提供原子、分子水平的研究手段

13、微觀作用機理、動態(tài)變化過程合乎生理條件不擾亂體內生理過程的平衡狀態(tài)定位、定量準確核顯像技術，組織器官、細胞、亞細胞水平定量定位,28,5 同位素示蹤技術的關鍵,選好示蹤劑(TRACER)一種帶有特殊標記的物質，當它加入到被研究對象中后，人們可根據其運動和變化來洞悉原來不易或不能辨認的被研究對象的運動和變化規(guī)律。同位素化學性質相同，可正確反映研究對象在物理、化學和生物過程中的性質和行為。核素的放射特性不改變物質的物理和化學性

14、質。選好顯象劑(IMAGING AGENT)或核素測量技術,29,5.1 放射性示蹤劑的選擇,放射性核素：天然58種，人工約1300種。大多數放射性核素不能用作放射性示蹤劑。原因：制備困難、半衰期不合適、放射性不足。,30,5.1 放射性示蹤劑的選擇,放射性示蹤劑的選擇依據：放射性半衰期輻射類型和能量放射性比活度放射性核素的純度放射性核素的毒性示蹤劑的生物半衰期,31,一、放射性半衰期 一般要選擇最適宜的

15、半衰期τ的放射性同位素，使τ足夠長，從而使衰變校正有意義或干脆不必作衰變校正，同時又要足夠短，能較安全地進行示蹤實驗，并使得放射性廢物容易處理。,32,在實際工作中，使用的放射性同位素的半衰期應該與實驗需要持續(xù)的時間t相適應，如對于某個實驗：當t／τ＝0.04時，應選放射性同位素的衰變校正為3.5％；當t／τ＝0.10時，應選放射性同位素的衰變校正為6.6％；當t／τ＝0.15時，應選用其衰變校正為10％。,33,體外示蹤一般選用

16、半衰期較長而射線強度適中，既利于探測，又易于防護和保存的放射性示蹤劑。 體內示蹤時，若實驗周期短，應選用半衰期短，且能放出一定強度γ射線放射性同位素，若實驗周期長，如需要將動物活殺后對組織臟器分別測定的，則應選用半衰期較長放射性同位素。,34,此外，根據實驗目的來選用定位的或不定位的標記示蹤劑。例如研究氨基酸的脫羧反應，14Ｃ應標記在羧基上，只有這種定位標記的氨基酸，才能在脫羧后產生14CO2。而有些實驗不要求特定位置標

17、記，只須均勻標記即可。,35,二、輻射類型和能量?探測效率高，易于防護；32P; 14C, 3H ?穿透性好，100-600 keV; 99Tc, 111In, 201Tl三、放射性比活度原始比活度足夠高；,36,四、放射性核素的純度檢驗放射性純度和放射化學純度；提純。在示蹤劑制備期間、貯存期間，試驗體系中所使用的溶劑、化學試劑、酶等可能會產生化學雜質、放射化學雜質及輻射自分解引起的放射性雜質，這些雜質的存在，使得示蹤實驗

18、中使用的示蹤劑不“純”，而或多或少影響實驗的結果，甚至會導致錯誤結論。,37,五、放射性核素的毒性盡量選擇低毒組核素； 90Sr 高毒 , 89Sr 中毒。六、示蹤劑的生物半衰期選擇生物半衰期短的示蹤劑，減少輻射劑量。,38,5.2 放射性同位素測量方法的選擇,一、探測器的選擇 取決于射線種類，對于α射線通?？捎昧蚧\晶體、電離室、核乳膠；對能量高的β射線可用云母窗計數管、塑料閃爍晶體及核乳膠測定，對于能量低的β射線可用液

19、體閃爍計數器測量；對于γ射線則用G-M計數管，碘化鈉（鉈）閃爍晶體探測。目前大多數實驗室主要采用晶體閃爍計數法和液體閃爍計數法兩種測量方式。,39,二、最佳測量條件的選擇 同一臺探測儀器對不同量的示蹤劑具有不同的最佳工作條件，在實驗準備階段要檢查探測器是否已調到所用示蹤同位素的工作條件，否則需要用一定量的示蹤劑作為放射源(或選用該同位素的標準源)，把探測器的最佳工作條件調整好，并且要保證探測器性能處于穩(wěn)定可靠的狀態(tài)。,40,二、

20、最佳測量條件的選擇坪曲線最好的品質因素測量時間和測量次數劑量及給入途徑的選擇 通常小于1～幾μCi，用量控制在最大允許劑量之內，避免輻射效應。樣品中所含放射性強度的要求，是使其放射性計數率大于或等于本底計數的10～20倍。,41,6 同位素示蹤的應用,化 學：反應過程；生命科學：代謝、物質轉化、生命現(xiàn)象；醫(yī) 學：免疫化學、疾病的診斷；農、牧學：代謝、滅害；地質科學：地下水流向和流速、油

21、田開發(fā)； 工程問題：地下管網滲漏、機械磨損；藥物 . . . . . . .,42,6.1 在化學研究中的應用,分子結構的研究： 同位素交換反應?；瘜W反應機理研究：化學鍵的形成方式。反應中發(fā)生的分子重排、異構、裂解、水解過程。催化反應中吸附催化機理、吸附分子壽命。,43,17世紀：光學顯微鏡發(fā)明標志著生物醫(yī)學發(fā) 展中的里程碑20世紀：放射性示蹤技術的誕生對生物學推進同樣重要,6.2 在生物學中的應

22、用,44,研究植物的營養(yǎng)生理、對營養(yǎng)元素以及農藥的吸附、轉運、分配和積累規(guī)律。研究人和動物體內物質的吸收、分布、代謝和排泄情況。為分子生物學提供原子和分子水平的研究手段應用于基因工程 。,45,6.3 在生物化學研究的應用,生物體內的物質代謝。確定代謝途徑或中間代謝環(huán)節(jié)。找出代謝物在體內發(fā)生變化之后的產物。找出體內存在的各種生化物質的前身。,,46,傳統(tǒng)實驗方法整體實驗。 離體實驗。傳統(tǒng)實驗方法的缺點。同位素示蹤法

23、示蹤量，不破壞體內生理過程的平衡。3H（T1/2=12.3 y), 14C(T1/2=5730 y)。液體閃爍測量; 加速器質譜法（AMS）。,47,研究光合作用,1940， Calvin確定了碳固定循環(huán)，并發(fā)現(xiàn)了相應的酶。1961，獲諾貝爾獎,6.3 在生物化學研究中的應用,48,6.4 在醫(yī)學上的應用——Na131I 診斷甲狀腺功能,口服示蹤量Na131I ，在甲狀腺部位測量放射性，求131I吸收率。,49,定義：應用放

24、射示蹤劑測定體液中生物活性物質含量的體外檢測技術。原理：放射性標記抗原和非標記抗原對限量特異性抗體的競爭抑制反應。常見分析方法：測量X和γ射線樣品的放免計數器測量軟β射線樣品的液體閃爍計數器,6.4 醫(yī)學上的應用 ——放射免疫分析（RIA）,糖尿病人血漿中胰島素濃度；125I- T4,血清中甲狀腺素濃度；內分泌學, 腫瘤學, 免疫學, 病毒學等;測定300多種人

25、體活性物質和藥物, 靈敏度達10-9?10-12g,6.4 醫(yī)學上的應用 ——放射免疫分析（RIA）,51,放射性示蹤劑以某種化合物的形式給藥.診斷是根據這些放射性化合物進入人體特定部位并在那些部位濃集的能力。,52,6.5 環(huán)境同位素示蹤體系研究,我國城市和鄉(xiāng)村環(huán)境污染查定體系較為健全，但環(huán)境污染源的確定，尚無人開展。特別是重金屬是否侵入體內及其它污染源的確定。運用同位素理

26、論，進行城市環(huán)境污染同位素示蹤研究，確定貴金屬是否侵入人體內，以便為環(huán)境治理提供決策依據。,53,地下水滲透和水庫泄漏同位素示蹤體系研究。我國南方大量發(fā)育碳酸鹽巖地層，這種地層不易保存水，因此地下水和水庫壩區(qū)水容易滲透或泄漏，運用同位素示蹤的方法可以較快查明滲透或泄漏過程及其區(qū)域，給綜合治理提供決策依據。,54,大氣環(huán)境過程中同位素鑒別，我國南方大部分工業(yè)城市大氣污染較為嚴重，這些污染的發(fā)源地一直難以鑒別，同位素示蹤可以很好解決這個問題

27、。,55,133Xe-地下管道檢漏,6.5 環(huán)境同位素示蹤體系研究,56,6.6在新藥藥物代謝與藥物動力學方面的應用與研究,使用同位素標記的化合物是新藥研發(fā)中非常有價值的工具,尤其是在藥物代謝與藥物動力學方面相關的課題。由同位素標記(一般用~(14)C or~3H)化合物所衍生出的實驗數據可以提供定性與定量相關的資料,這是在研究動物與人體代謝有關且極為重要的。具體而言,使用同位素標記的化合物(~(14)C-標記)在藥物代謝與藥物動力學中

28、,能夠提供物料平衡的數據,以及生物吸收有用度,器官與組織分布;排泄的速度與途徑;性別差異,代謝產物的數量,分布與多少等等。同時,使用同位素標記的藥物在動物與人體中的代謝產物特性也可以準確無誤的研究出來。,57,7 放射性核素的來源,反應堆生產：131I、133Xe、24Na、99Mo中子流 → 靶材料產額決定于中子能量、通量密度、靶核數、核反應截面、照射時間等。加速器生產：11C、13N、15O帶電粒子（p、He、α等） →