示蹤技術(shù)及應(yīng)用

1、1,放射性示蹤技術(shù)及應(yīng)用the Technology of Radioactive Trace and its Application,,放射性示蹤技術(shù)及應(yīng)用the Technology of Radioactive Trace and its Application,2,1 放射性示蹤技術(shù)概述,2 放射性示蹤法在工業(yè)中的應(yīng)用,3 放射性示蹤法在化學(xué)中的應(yīng)用,4 示蹤在考古學(xué)的應(yīng)用：年代測定技術(shù),5 放射性示蹤法在生物學(xué)中的應(yīng)用

2、,7 放射示蹤法在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,6 放射性示蹤法在生物化學(xué)研究的應(yīng)用,8 放射性標(biāo)記化合物,9 放射性示蹤發(fā)展展望,內(nèi) 容,3,1 放射性示蹤技術(shù)概述,定義 應(yīng)用放射性同位素對普通原子或分子加以標(biāo)記，利用高靈敏，無干擾的放射性測量技術(shù)研究被標(biāo)記物所顯示的性質(zhì)和運動規(guī)律，以便追蹤發(fā)生的過程、運行狀況或研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)等的科學(xué)手段。,4,1.1 放射性示蹤技術(shù)基本性質(zhì),對于含有x個A類原子和y個A*原子的系統(tǒng)，變化進(jìn)入Z或Z*狀態(tài)，可表示

3、為 S(xA,yA*)=> Z(x’A,y’A*) 或=> Z(x”A,y”A*)認(rèn)為同種元素的各同位素的物理化學(xué)行為相同，而同位素效應(yīng)可以忽略的情況下，則 x’/x=y’/y 或 x”/x=y”/y即非放射性原子和放射性原子將有同等的分?jǐn)?shù)進(jìn)入變化生成的中間物或最終產(chǎn)物之中。,5,1.2 放射性示蹤技術(shù)的分類,化學(xué)標(biāo)記：放射性示蹤核素處于被研究系統(tǒng)組分相同的化合物中，跟

4、蹤特定元素的運動，反應(yīng)或代謝過程，以得出關(guān)于該系統(tǒng)化學(xué)變化的信息。 物理標(biāo)記：放射性示蹤核素不是被追蹤系統(tǒng)的基本部分，而是以某種方式附著在被研究的對象或介質(zhì)上，它的輻射可以用某種方法被探測，但其化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)并不重要。,6,用示蹤原子標(biāo)記待研究的物質(zhì)，追蹤其化學(xué)變化或在有機(jī)體內(nèi)的運動規(guī)律。將示蹤原子與待研究物質(zhì)完全混合。然后追蹤示蹤原子。比如，研究河流中泥沙遷移規(guī)律，山坡地上水土流失規(guī)律，管道中液體的輸運過程等。將示蹤原子加入

5、待研究對象中，然后跟蹤。比如煉鐵高爐爐襯燒損程度的監(jiān)測等。,1.3 放射性示蹤技術(shù)的方式,7,1.4 放射性示蹤技術(shù)的特點,靈敏度高可探測<1nCi, 10-14?10-13 g化學(xué)分析只能達(dá)到10-9 g測量簡便、易分辨不受非放雜質(zhì)干擾，活體研究，體外測量提供原子、分子水平的研究手段微觀作用機(jī)理、動態(tài)變化過程合乎生理條件不擾亂體內(nèi)生理過程的平衡狀態(tài)能定位核顯像技術(shù)，組織器官、細(xì)胞、亞細(xì)胞水平定量定位,8,

6、1.5 放射性核素的來源,反應(yīng)堆生產(chǎn)：131I、133Xe、24Na、99Mo 中子流 → 靶材料 產(chǎn)額決定于中子能量、通量密度、靶核數(shù)、 核反應(yīng)截面、照射時間等加速器生產(chǎn)：11C、13N、15O 帶電粒子（p、He、α等） → 靶材料 小型化、投資少、結(jié)構(gòu)緊湊母牛法 核素發(fā)生器，從母牛體系中分離出處于平衡狀態(tài)的子體核素，專門制造短壽命放射性核素的裝置， 常用:醫(yī)用核素發(fā)生器。,9,放射性核素發(fā)

7、生器,放射性核素發(fā)生器- Mo-Tc母牛,此裝置是將母體核素99Mo（鉬）吸附在一定的吸附柱上，用合適的洗脫劑（一般是用生理鹽水）將子體核素99mTc（锝）洗脫下來應(yīng)用于臨床，此過程形似“擠牛奶”，每天可洗脫2～3次，洗脫下來的99mTc（锝）液可直接供臨床使用或制備成放射性藥物。用于診斷的放射性藥物中99mTc（锝）標(biāo)記的各種藥物，占 80%以上。,60.02h,6.02h,10,具體過程：由235U的裂變產(chǎn)物經(jīng)過多次分離純化，得到9

8、9Mo—鉬酸銨溶液，然后裝入有酸性Al2O3吸附劑的色譜柱上，發(fā)生如下反應(yīng) 99MoO42- +2R+ ?R299MoO4 ?R++R99TcmO4- 用生理鹽水淋洗，可將結(jié)合弱的單電荷99TcmO4-離子淋洗下來，而2個電荷的99MoO42- 離子仍牢固的保留在柱上。,11,99Tcm有合適的半衰期（6.02H)和良好的輻射特性,病人所受的輻射劑量小，140KeV的單光子顯像分辨率高；同時99Tcm

9、有良好的化學(xué)性質(zhì)，可與多種含氧、氮、硫的有機(jī)或無機(jī)物作用成絡(luò)合物。這些絡(luò)合物無論在體內(nèi)或體外均較穩(wěn)定，可用于人體多種組織器官的疾病診斷。,12,在發(fā)生器內(nèi)，隨著母體核素99Mo的衰變，子體核素99Tcm不斷增長、衰變，直到達(dá)到放射性平衡，使用化學(xué)分離方法從母體中獲得無載體的子體。發(fā)生器可在一定時間內(nèi)重復(fù)運行，直到母體核素的放射性活度減到很弱為止。這一現(xiàn)象恰似從母牛中擠奶，故放射性核素發(fā)生器俗稱“母?！薄Ｒ?9Tcm標(biāo)記的放射性藥物幾乎占

10、臨床所用的放射性藥物的80%以上。,13,1.6 放射性示蹤劑,示蹤劑(TRACER): 一種帶有特殊標(biāo)記的物質(zhì)，當(dāng)它加入到被研究對象中后，人們可根據(jù)其運動和變化來洞悉原來不易或不能辨認(rèn)的被研究對象的運動和變化規(guī)律。特性化學(xué)性質(zhì)完全相同 同位素化學(xué)性質(zhì)相同，可正確反映研究對象在物 理、化學(xué)和生物過程中的性質(zhì)和行為。核素的放射特性不改變物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì),14,放射性示蹤劑的選擇

11、 —根據(jù)實驗?zāi)康暮鸵?放射性半衰期醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的為幾個小時至十幾天. 11C,13N,15O,15N,18O輻射類型和能量?探測效率高，易于防護(hù)； 32P; 14C, 3H ?穿透性好， 100-600 keV; 99mTc, 111In, 201Tl放射性比活度原始比活度足夠高；,15,放射性示蹤劑的選擇,為什么比活度要求要大？,例：,S>100Ci/g,市售,S=0.

12、5~2Ci/g,對1mCi的放射性As,前一種樣品的質(zhì)量<0.01mg 后一種=2~0.5 mg,16,放射性示蹤劑的選擇,放射性核素的純度檢驗放射性純度和放射化學(xué)純度；提純放射性核素的毒性盡量選擇低毒性核素； 90Sr 高毒 , 89Sr 中毒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

13、,17,最常用的放射性示蹤核素,許多標(biāo)記化合物都是 14C和3H 為基礎(chǔ)制取的.迄今,作為商品出售的放射性標(biāo)記化合物已達(dá)1000多種,其中, 14C標(biāo)記化合物約600多種, 3H約300多種, 125I和131I 標(biāo)記有100多種.,18,2 放射性示蹤法在工業(yè)中的應(yīng)用,工業(yè)中流率測量常用方法：放射性示蹤技術(shù)優(yōu)點：測量準(zhǔn)確度與速度分布圖無關(guān)，適用性強(qiáng)。常用方法：通過時間法：用于流體體積已知的密封管道。連續(xù)稀釋法：用于流體截面

14、不精確，如敞開的溝渠?？傆嫈?shù)法：稀釋法的變更,19,2.1 133Xe-地下管道檢漏,20,2.2 管道流率測定,信號處理顯示Q,,,21,ZnS(Ag)小閃爍室 —— 220Rn流氣法測管道流量,１. 基本原理,,如圖所示, 0點為釷射氣220Rn釋放點, 管道流量為Q, 小閃爍室的容積為Vc ，2點至3點之間(包含可調(diào)容器)的容積為Vk，220Rn的衰變常數(shù)為λ，則在穩(wěn)定層流狀態(tài)下，根據(jù)放射性衰變規(guī)律，各點的220Rn濃度

15、為：,22,ZnS(Ag)小閃爍室 —— 220Rn流氣法測管道流量,,220Rn在小閃爍室a和小閃爍室b的衰變率為：,設(shè)小閃爍室的探測效率為ε， ThA(216Po )的半衰期(0.16秒)很短，可以認(rèn)為220Rn連續(xù)發(fā)射2個α粒子，則小閃爍室a和小閃爍室b測到的α計數(shù)率為：,23,小閃爍室a和小閃爍室b測到的α計數(shù)率比值為：,流經(jīng)管道的氣體流量Q為:,ZnS(Ag)小閃爍室 —— 220Rn流氣法測管道流量,24,2 . 實驗

16、裝置,ZnS(Ag)小閃爍室 —— 220Rn流氣法測管道流量,25,3 . 實驗結(jié)果,有關(guān)參數(shù)：小閃爍室容積 ：Vc=64(ml), 即流率低于740ml/min時216Po和220Rn已經(jīng)達(dá)到平衡;延遲體積：Vk=64 (ml); 小閃爍室的探測效率：εa= εb=100%, 220Rn的衰變常數(shù)：λ=1.32(min-1)；氣體流率：Q與Q’分別表示實際流率與測量流率值（ml/min）,ZnS(Ag)小閃爍室 —

17、— 220Rn流氣法測管道流量研究,26,ZnS(Ag)小閃爍室 —— 220Rn流氣法測管道流量,27,測量流率Q′與實際流率Q的比對曲線,ZnS(Ag)小閃爍室 —— 220Rn流氣法測管道流量,28,3 放射性示蹤法在化學(xué)中的應(yīng)用,分子結(jié)構(gòu)的研究如：同位素交換反應(yīng) 12CO2+13CH4=13CO2+12CH4 13CO2+H12CO3--=12CO2+H13CO3— 因同位素核質(zhì)量的不同使原子或分子的

18、能級發(fā)生變化，從而引起光譜譜線位移，因此可以進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的研究。 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究化學(xué)鍵的形成方式反應(yīng)中發(fā)生的分子重排、異構(gòu)、裂解、水解過程催化反應(yīng)中吸附催化機(jī)理、吸附分子壽命,29,3.1 放射分析化學(xué)方法,同位素稀釋法 原理：放射示蹤劑與待測物混合→分離→測量 實例：P&G公司測定洗衣粉中主要成分的殘留量放射分析法 原理：泛指用放射示蹤劑測定濃度的各種方法 實例：50萬年前北京猿

19、人會不會用火,30,G. de Hevesy （1885-1966） 在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釷，然后在下一次的菜中檢驗是否有放射性，結(jié)果他都能準(zhǔn)確地判斷是剩菜還是新菜。 1943年榮獲諾貝爾化學(xué)獎，獲獎原因“使用同位素作為化學(xué)過程研究的示蹤劑”。 核醫(yī)學(xué)的創(chuàng)立者。,31,4 示蹤在考古學(xué)的應(yīng)用：年代測定技術(shù),基本原理公式 設(shè)母

20、核素的衰變常數(shù)為λ，初始時核數(shù)為N0，t時刻為Np，子核素的核數(shù)為Nd，則有：,32,用于年代測量的天然放射性核素,33,4.1 碳14測定技術(shù),利用碳的放射性同位素碳－14的放射性測定生物體遺骸及其他地質(zhì)樣品的絕對年代的是W.F.利比于1947年創(chuàng)立,他也因此獲得1960年的諾貝爾化學(xué)獎。 基本原理：宇宙線的中子同大氣中的氮-14反應(yīng)，產(chǎn)生具有放射性的碳－14,其平均壽命τ＝8266±30年。由于產(chǎn)生和衰變之間的平衡

21、，加上碳－14的平均壽命較長和大氣、海洋等巨大的碳的交換貯存庫的調(diào)劑,使得大氣中的CO2的碳－14的放射性比活度基本保持為一不變的常數(shù)A0。,34,生物體同大氣進(jìn)行氣體交換，其體內(nèi)的碳－14的放射性比活度也十分接近為A0 。一旦生物體死亡,它同大氣的交換停止,其碳－14的放射性比活度A就按指數(shù)規(guī)律減少 A = A0e-t/ τ測量A和A0的值,就能定出生物體從死亡

22、至今的絕對年代t。 碳-14測年法分為常規(guī)碳-14測年法和加速器質(zhì)譜碳-14測年法兩種。當(dāng)時，Libby發(fā)明的就是常規(guī)碳-14測年法。,35,碳-14測定年代主要是采用低本底、低能量（碳-14的最大能量為0.156MeV）的β測量技術(shù)。因為天然碳中的碳-14放射性比活度很低，A0為2.25×102Bq/kg，而樣品年代愈古老,A值愈低。目前常用的探測器有正比計數(shù)器和液體閃爍計數(shù)器。測量時采用屏蔽，宇宙線反符合環(huán)

23、，假信號甄別等方法來降低探測器的本底。目前碳-14 方法的最大可測年限為四五萬年，測量精確度一般為一百年左右。用加速器的超靈敏質(zhì)譜儀直接測定樣品中的碳-14原子數(shù)目，有可能將碳-14方法的最大可測年代增至近十萬年。,36,加速器質(zhì)譜碳-14測年法具有明顯的獨特優(yōu)點。一是樣品用量少，只需1～5毫克樣品就可以了，如一小片織物、骨屑、古陶瓷器表面或氣孔中的微量碳粉都可測量；而常規(guī)碳-14測年法則需1～5克樣品，相差3個數(shù)量級。二是靈敏度高，其

24、測量同位素比值的靈敏度可達(dá)10-15至10-16；而常規(guī)碳-14測年法則與之相差5～7個數(shù)量級。三是測量時間短，若要達(dá)到1%的精度，只需10～20分鐘；而常規(guī)碳-14測年法卻需12～20小時。,37,碳-14測定年代方法的可靠性已經(jīng)被對已知年代的考古樣品和生物樣品(樹木年輪)的測定所證實，并在考古學(xué)、人類學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用?？梢哉f，對測定50000年以內(nèi)的文物樣品，加速器質(zhì)譜碳-14測年法是測定精度最高的一種。,38,對動

25、則上億年（地球年齡45億年）的地質(zhì)年代，利用半衰期僅5700年的碳-14斷代是不可能的事情(why?)。幸好在礦石中，有其他的放射性物質(zhì)可以利用：例如鈾-238會衰變?yōu)殂U206，其半衰期為45億年；云母或長石中的鉀-40會衰變?yōu)闅?0，其半衰期為13億年等。,39,4.2 鉀-氬法斷代,利用礦物質(zhì)中鉀-40衰變成氬-40的原理來進(jìn)行斷代的技術(shù)。測定年代的范圍在10萬年以上。它是古人類學(xué)中常用的放射性斷代方法之一。 鉀在地

26、殼中含量豐富,重量約占2.8％。它有兩個主要的非放射性同位素鉀-39、鉀-41,共占99.9%以上。另有一個放射性同位素鉀-40，只占0.0118％。鉀-40有兩種不同的衰變方式,約有9%放射一個電子,衰變成鈣-40,余91％以捕獲K層一個電子的方式衰變成氬-40。放射性成因鈣-40與原來巖石中的鈣-40，無法加以區(qū)別，難以定量估計。因此只有鉀-40衰變成氬-40容易測定，可作為斷代的根據(jù)。,40,氬是惰性氣體。在火山巖形成時，由于高溫

27、， 巖石中不可能保留有氣體。冷卻后， 放射性成因氬-40才逐漸在巖石中積累。 因此只要測出巖石中的鉀-40和放射性成因氬-40的含量，就可以定出該巖石形成的年代。 在實驗上需要對來自空氣中的氬-40污染作扣除校正。,41,鉀 -氬法斷代主要應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)上測定火山巖的年代，因為鉀-40的半衰期很長，約有13億年,年輕樣品累積的氬-40很少,不易測準(zhǔn)，誤差較大。考古上的應(yīng)用主要是確定年代久遠(yuǎn)的舊石器時代早期遺址和古人類的年代。如遺址或古人類

28、化石被埋在火山灰中，或者遺址地層與火山巖層相關(guān)聯(lián)能進(jìn)行比較，則可利用此種火山巖作鉀 -氬法測定，以定出古人類遺址的絕對年代。,42,例題 ：在蒙古發(fā)現(xiàn)翼手龍的化石，設(shè)同地質(zhì)層中的長石內(nèi)，鉀與氬的比例為 92:8，請由此估算其年代。t = (1.277×109÷ln2)×ln(1+8 /92) = 1.5365× 108(年)即 約一億5365萬年前，時當(dāng)侏羅紀(jì)后期。,43,5 放射性示蹤法

29、在生物學(xué)中的應(yīng)用,研究植物的營養(yǎng)生理、對營養(yǎng)元素以及農(nóng)藥的吸附、轉(zhuǎn)運、分配和積累規(guī)律研究人和動物體內(nèi)物質(zhì)的吸收、分布、代謝和排泄情況為分子生物學(xué)提供原子和分子水平的研究手段應(yīng)用于基因工程,17世紀(jì)：光學(xué)顯微鏡發(fā)明標(biāo)志著生物醫(yī)學(xué)發(fā)展中的里程碑20世紀(jì)：放射性示蹤技術(shù)的誕生對生物學(xué)推進(jìn)同樣重要,44,其原理是將放射性同位素（如14C和3H）標(biāo)記的化合物導(dǎo)入生物體內(nèi)，經(jīng)過一段時間后，將標(biāo)本制成切片或涂片，涂上鹵化銀乳膠，經(jīng)一定時間的放

30、射性曝光，組織中的放射性即可使乳膠感光。然后經(jīng)過顯影、定影處理顯示還原的黑色銀顆粒，即可得知標(biāo)本中標(biāo)記物的準(zhǔn)確位置和數(shù)量，放射自顯影的切片還可再用染料染色，這樣便可在顯微鏡下對標(biāo)記上放射性的化合物進(jìn)行定位或相對定量測定。,5.1 放射自顯影術(shù) Radioautography,45,卡爾文循環(huán)（光合碳循環(huán)）：用放射性示蹤技術(shù)研究植物的光合作用過程，發(fā)現(xiàn)植物吸收CO2以及CO2被還原為碳水化合物并轉(zhuǎn)化為葡萄糖。 由于每一次放射性

31、衰變能夠指示出單個原子所處的位置，因此在各個化學(xué)反應(yīng)的各個階段，通過高靈敏度的探測器可以一直跟蹤某種放射性核素的徑跡，從而可以窺視用其他技術(shù)不能發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)機(jī)理和歷程1961，卡爾文 獲得諾貝爾化學(xué)獎。獲獎原因：研究光合作用的化學(xué)過程。,5.2 放射性示蹤法研究光合作用,46,47,6 放射性示蹤法在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用,生物體內(nèi)的物質(zhì)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(nèi)發(fā)生變化之后的產(chǎn)物找出體內(nèi)存在的各種生化物質(zhì)的前身

32、,,48,6 放射性示蹤法在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用,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示蹤量，不破壞體內(nèi)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(zhì)譜法（AMS）,49,7 放射示蹤法在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,目前全世界80%的同位素用于醫(yī)學(xué)核藥物的分類 診斷核藥物： 進(jìn)入體內(nèi)的示蹤劑，產(chǎn)生γ射線，通過體外監(jiān)測裝置記錄示蹤劑在體內(nèi)的位

33、置、不同器官濃度及隨時間的變化。 如：掃描機(jī)、 γ相機(jī)、SPECT（單光子發(fā)射計算機(jī)斷層 技術(shù)）、PET （正電子發(fā)射計算機(jī)斷層技術(shù)）顯象：平面顯象、三維斷層顯象、動態(tài)顯象,50,治療核藥物： 利用放射性核素衰變時產(chǎn)生射線的輻照效應(yīng)達(dá)到治療的目的。 多為α、β衰變 劑量定位在體內(nèi)某特定部位 如：131I-NaI：治療甲亢、甲狀腺癌,放射示蹤法在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,51,放射性藥物99Tcm （锝）,

34、生產(chǎn)便利，（99Tcm標(biāo)記物占80%）物理特性： T1/2 = 6.02h；γ輻射，E=141keV，適用于γ相機(jī)和SPECT臨床應(yīng)用： 可標(biāo)記多種化合物 → 臟器顯象劑 心肌顯象、腦顯象,52,7.1 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,53,7.2 放射免疫分析（RIA） Radio Immuno Assay,定義：應(yīng)用放射示蹤劑測定體液中生

35、物活性物質(zhì)含量的體外檢測技術(shù)。原理：放射性標(biāo)記抗原和非標(biāo)記抗原對限量特異性抗體的競爭抑制反應(yīng)。常見分析方法：測量X和γ射線樣品的放免計數(shù)器測量軟β射線樣品的液體閃爍計數(shù)器,54,應(yīng)用: 糖尿病人血漿中胰島素濃度； 血清中甲狀腺素濃度； 內(nèi)分泌學(xué), 腫瘤學(xué), 免疫學(xué), 病毒學(xué)等; 測定300多種人體活性物質(zhì)和藥物, 靈敏度達(dá) 10-9?10-12g,7.2 放射免疫分析（RIA）,55,8