同位素示蹤技術(shù)及應(yīng)用

1、1,同位素示蹤技術(shù)及應(yīng)用Isotopic Tracer Technology and its application,2,重 點(diǎn),同位素示蹤法的原理。同位素示蹤法的關(guān)鍵性技術(shù)。同位素示蹤法的應(yīng)用。常用同位素及其特性。,3,放射性示蹤技術(shù)及應(yīng)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(cè)井作者：姜文達(dá)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(shù)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(xué)標(biāo)記示蹤技術(shù)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(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用作者：中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院第七研究室科學(xué)出版社1977年03月第1版,8,1. 《同位素技術(shù)》 彭根元等，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)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(shù)生物學(xué)應(yīng)用》 陳舜華等，中山

4、大學(xué)出版社， 19924. 《示蹤技術(shù)在魚(yú)類、水產(chǎn)生物科學(xué)中應(yīng)用》 陳舜華，1991 5. 《實(shí)用放射防護(hù)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(shù)開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容有:揭示遷徙路線和重要停歇地點(diǎn);尋找新繁殖地和越冬地;利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)棲息地及其利用進(jìn)行評(píng)價(jià);探討鳥(niǎo)類的遷徙策略.期望該技術(shù)能夠成為中國(guó)瀕危鳥(niǎo)類保護(hù)的有效方法,并盡快得到應(yīng)用.,研究鳥(niǎo)類遷徙最基本的方法

5、是環(huán)志(無(wú)線電跟蹤是現(xiàn)在的先進(jìn)方法)。研究人員在候鳥(niǎo)集中的繁殖地、越冬地、或遷徙途中的停息地，捕捉活鳥(niǎo)，將帶有環(huán)志者通訊地址和惟一編號(hào)的特殊金屬環(huán)或腿旗固定在鳥(niǎo)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(guān)信息，這種研究鳥(niǎo)類的方法叫鳥(niǎo)類環(huán)志。,,,11,,微型信號(hào)發(fā)生器,信號(hào)接收器,,12,水產(chǎn)專家為中華鱘裝“GPS”,通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤定位外，配有溫度、光強(qiáng)、壓力、電壓等探頭，可對(duì)中華鱘游經(jīng)區(qū)域的環(huán)境因子進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)

6、測(cè)。,13,尋找地下河道，用顏料作“標(biāo)記”。,14,示蹤的定義,蹤：就是蹤跡、痕跡、標(biāo)記，等等。示：就是展示、揭示、揭露，等等。,示蹤：是指給觀察對(duì)象加上“標(biāo)記”，再引入被研究的系統(tǒng)，觀察標(biāo)記對(duì)象在該系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化規(guī)律。,15,1 同位素示蹤的定義,如何標(biāo)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(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，使幻想成為現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)研究中，通常使用核素作為標(biāo)記物，所以示蹤也稱核素示蹤，

7、其中采用放射性核素標(biāo)記時(shí)，稱為放射性示蹤(或同位素示蹤)。,17,將可探測(cè)的放射性核素添入化學(xué)、生物或物理系統(tǒng)中，標(biāo)記研究材料，以便追蹤發(fā)生的過(guò)程、運(yùn)行狀況或研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)等的科學(xué)手段。,18,在被研究的樣品中加“示蹤劑”(放射性同位素和標(biāo)記化合物)，然后通過(guò)測(cè)定示蹤劑的位置和數(shù)量，追蹤探測(cè)樣品內(nèi)部示蹤原子放射性水平的變化及其活動(dòng)情況來(lái)顯示被研究樣品的運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律，它能使我們?cè)跇O復(fù)雜和隱蔽的化學(xué)和物理過(guò)程中來(lái)研究運(yùn)動(dòng)。,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(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)是相同的，只是核物理性質(zhì)不同。 因此，用同位素作為一種標(biāo)記，制成含有同位素的標(biāo)記化合物(如標(biāo)記食物，藥物和代謝物質(zhì)等)代替相應(yīng)的非標(biāo)記化合物。通過(guò)核儀器探測(cè)放射性同位素不斷地放出特征射線，就可以隨時(shí)追蹤它在體內(nèi)或體外的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)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(yīng)同位素的質(zhì)量之差，通過(guò)質(zhì)譜儀，氣相層析儀，核磁共振等

9、質(zhì)量分析儀器來(lái)測(cè)定。 這些方法不像測(cè)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(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)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(yàn)是否有放射性，結(jié)果他每次都能準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(jī)制(分布和轉(zhuǎn)移)。結(jié)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(zhì)成分會(huì)再補(bǔ)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(jìn)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(lái)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(biāo)記噬菌體感染實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(biāo)記技術(shù)和ARG技術(shù)，成功地進(jìn)行了DNA序列測(cè)定。 ……,26,4 放射性示蹤法的特點(diǎn),靈敏度高目前，化學(xué)分析只能達(dá)到10-9g(很難達(dá)到10-12g)可探測(cè)<1nCi,或10-14?10-18g，從1015個(gè)非放射性原子中查出一個(gè)放射性原子比重量分析天平敏感107-108倍測(cè)量簡(jiǎn)便、易分辨不受非放雜質(zhì)干擾，活體研究，體外測(cè)量,27,提供原子、分子水平的研究手段

13、微觀作用機(jī)理、動(dòng)態(tài)變化過(guò)程合乎生理?xiàng)l件不擾亂體內(nèi)生理過(guò)程的平衡狀態(tài)定位、定量準(zhǔn)確核顯像技術(shù)，組織器官、細(xì)胞、亞細(xì)胞水平定量定位,28,5 同位素示蹤技術(shù)的關(guān)鍵,選好示蹤劑(TRACER)一種帶有特殊標(biāo)記的物質(zhì)，當(dāng)它加入到被研究對(duì)象中后，人們可根據(jù)其運(yùn)動(dòng)和變化來(lái)洞悉原來(lái)不易或不能辨認(rèn)的被研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律。同位素化學(xué)性質(zhì)相同，可正確反映研究對(duì)象在物理、化學(xué)和生物過(guò)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

14、質(zhì)。選好顯象劑(IMAGING AGENT)或核素測(cè)量技術(shù),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(shù)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(jù)：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(zhǎng)，從而使衰變校正有意義或干脆不必作衰變校正，同時(shí)又要足夠短，能較安全地進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)，并使得放射性廢物容易處理。,32,在實(shí)際工作中，使用的放射性同位素的半衰期應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)的時(shí)間t相適應(yīng)，如對(duì)于某個(gè)實(shí)驗(yàn)：當(dāng)t／τ＝0.04時(shí)，應(yīng)選放射性同位素的衰變校正為3.5％；當(dāng)t／τ＝0.10時(shí)，應(yīng)選放射性同位素的衰變校正為6.6％；當(dāng)t／τ＝0.15時(shí)，應(yīng)選用其衰變校正為10％。,33,體外示蹤一般選用

16、半衰期較長(zhǎng)而射線強(qiáng)度適中，既利于探測(cè)，又易于防護(hù)和保存的放射性示蹤劑。 體內(nèi)示蹤時(shí)，若實(shí)驗(yàn)周期短，應(yīng)選用半衰期短，且能放出一定強(qiáng)度γ射線放射性同位素，若實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，如需要將動(dòng)物活殺后對(duì)組織臟器分別測(cè)定的，則應(yīng)選用半衰期較長(zhǎng)放射性同位素。,34,此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)選用定位的或不定位的標(biāo)記示蹤劑。例如研究氨基酸的脫羧反應(yīng)，14Ｃ應(yīng)標(biāo)記在羧基上，只有這種定位標(biāo)記的氨基酸，才能在脫羧后產(chǎn)生14CO2。而有些實(shí)驗(yàn)不要求特定位置標(biāo)

17、記，只須均勻標(biāo)記即可。,35,二、輻射類型和能量?探測(cè)效率高，易于防護(hù)；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(yàn)放射性純度和放射化學(xué)純度；提純。在示蹤劑制備期間、貯存期間，試驗(yàn)體系中所使用的溶劑、化學(xué)試劑、酶等可能會(huì)產(chǎn)生化學(xué)雜質(zhì)、放射化學(xué)雜質(zhì)及輻射自分解引起的放射性雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在，使得示蹤實(shí)驗(yàn)

18、中使用的示蹤劑不“純”，而或多或少影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)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(cè)量方法的選擇,一、探測(cè)器的選擇 取決于射線種類，對(duì)于α射線通?？捎昧蚧\晶體、電離室、核乳膠；對(duì)能量高的β射線可用云母窗計(jì)數(shù)管、塑料閃爍晶體及核乳膠測(cè)定，對(duì)于能量低的β射線可用液

19、體閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)量；對(duì)于γ射線則用G-M計(jì)數(shù)管，碘化鈉（鉈）閃爍晶體探測(cè)。目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室主要采用晶體閃爍計(jì)數(shù)法和液體閃爍計(jì)數(shù)法兩種測(cè)量方式。,39,二、最佳測(cè)量條件的選擇 同一臺(tái)探測(cè)儀器對(duì)不同量的示蹤劑具有不同的最佳工作條件，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段要檢查探測(cè)器是否已調(diào)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(biāo)準(zhǔn)源)，把探測(cè)器的最佳工作條件調(diào)整好，并且要保證探測(cè)器性能處于穩(wěn)定可靠的狀態(tài)。,40,二、

20、最佳測(cè)量條件的選擇坪曲線最好的品質(zhì)因素測(cè)量時(shí)間和測(cè)量次數(shù)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(nèi)，避免輻射效應(yīng)。樣品中所含放射性強(qiáng)度的要求，是使其放射性計(jì)數(shù)率大于或等于本底計(jì)數(shù)的10～20倍。,41,6 同位素示蹤的應(yīng)用,化 學(xué)：反應(yīng)過(guò)程；生命科學(xué)：代謝、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、生命現(xiàn)象；醫(yī) 學(xué)：免疫化學(xué)、疾病的診斷；農(nóng)、牧學(xué)：代謝、滅害；地質(zhì)科學(xué)：地下水流向和流速、油

21、田開(kāi)發(fā)； 工程問(wèn)題：地下管網(wǎng)滲漏、機(jī)械磨損；藥物 . . . . . . .,42,6.1 在化學(xué)研究中的應(yīng)用,分子結(jié)構(gòu)的研究： 同位素交換反應(yīng)?；瘜W(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(guò)程。催化反應(yīng)中吸附催化機(jī)理、吸附分子壽命。,43,17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(duì)生物學(xué)推進(jìn)同樣重要,6.2 在生物學(xué)中的應(yīng)

22、用,44,研究植物的營(yíng)養(yǎng)生理、對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素以及農(nóng)藥的吸附、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配和積累規(guī)律。研究人和動(dòng)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 。,45,6.3 在生物化學(xué)研究的應(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。,,46,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法整體實(shí)驗(yàn)。 離體實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)。同位素示蹤法

23、示蹤量，不破壞體內(nèi)生理過(guò)程的平衡。3H（T1/2=12.3 y), 14C(T1/2=5730 y)。液體閃爍測(cè)量; 加速器質(zhì)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(yīng)的酶。1961，獲諾貝爾獎(jiǎng),6.3 在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用,48,6.4 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用——Na131I 診斷甲狀腺功能,口服示蹤量Na131I ，在甲狀腺部位測(cè)量放射性，求131I吸收率。,49,定義：應(yīng)用放

24、射示蹤劑測(cè)定體液中生物活性物質(zhì)含量的體外檢測(cè)技術(shù)。原理：放射性標(biāo)記抗原和非標(biāo)記抗原對(duì)限量特異性抗體的競(jìng)爭(zhēng)抑制反應(yīng)。常見(jiàn)分析方法：測(cè)量X和γ射線樣品的放免計(jì)數(shù)器測(cè)量軟β射線樣品的液體閃爍計(jì)數(shù)器,6.4 醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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(nèi)分泌學(xué), 腫瘤學(xué), 免疫學(xué), 病毒學(xué)等;測(cè)定300多種人

25、體活性物質(zhì)和藥物, 靈敏度達(dá)10-9?10-12g,6.4 醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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(jù)這些放射性化合物進(jìn)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(guó)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(wú)人開(kāi)展。特別是重金屬是否侵入體內(nèi)及其它污染源的確定。運(yùn)用同位素理

26、論，進(jìn)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(nèi)，以便為環(huán)境治理提供決策依據(jù)。,53,地下水滲透和水庫(kù)泄漏同位素示蹤體系研究。我國(guó)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(kù)壩區(qū)水容易滲透或泄漏，運(yùn)用同位素示蹤的方法可以較快查明滲透或泄漏過(guò)程及其區(qū)域，給綜合治理提供決策依據(jù)。,54,大氣環(huán)境過(guò)程中同位素鑒別，我國(guó)南方大部分工業(yè)城市大氣污染較為嚴(yán)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(gè)問(wèn)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(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用與研究,使用同位素標(biāo)記的化合物是新藥研發(fā)中非常有價(jià)值的工具,尤其是在藥物代謝與藥物動(dòng)力學(xué)方面相關(guān)的課題。由同位素標(biāo)記(一般用~(14)C or~3H)化合物所衍生出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以提供定性與定量相關(guān)的資料,這是在研究動(dòng)物與人體代謝有關(guān)且極為重要的。具體而言,使用同位素標(biāo)記的化合物(~(14)C-標(biāo)記)在藥物代謝與藥物動(dòng)力學(xué)中

28、,能夠提供物料平衡的數(shù)據(jù),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(chǎn)物的數(shù)量,分布與多少等等。同時(shí),使用同位素標(biāo)記的藥物在動(dòng)物與人體中的代謝產(chǎn)物特性也可以準(zhǔn)確無(wú)誤的研究出來(lái)。,57,7 放射性核素的來(lái)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(shí)間等。加速器生產(chǎn)：11C、13N、15O帶電粒子（p、He、α等） →