同位素技術

任何元素的原子都是由原子核和核外電子所組成。原子核的基本特徵可由核的質量數和電荷數來表示。質量數為核內質子數與中子數之和，即核子數，用A表示；因中子不帶電荷，故核的電荷數即核內質子數等於核外電子數，或原子序數，以Z表示。若用X代表某一種元素，則姸X代表該元素的具有某種特定核結構的原子，稱為核素。凡Z值相同，在元素周期表中佔有同一位置的各核素，稱為該元素的同位素，例如Z值為1的核素有3種，即姌H（氫）、娝H（氘）婤H（氚），簡寫為1H、2H、3H,它們是3種互為同位素的核素。迄今為止，已發現的核素共有2000餘種，其中穩定的約300種，其餘是不穩定的，即放射性的。放射性核素（母體）不斷地放出射線(α、β-、β+、γ或電子俘獲)最終變成穩定的新核素（子體），這個過程叫核蛻變，任何外力都不能改變這種過程的趨向、速度和能量特徵。雖然核素比同位素的含義更嚴格和確切，但習慣上總是把在自然界中大量存在的核素稱為普通元素，而把與其Z值相同的其他核素稱為同位素，例如說同位素碳-14，即指劰C核素；同位素磷-32，即指婥P核素。

生物學中常用的放射性同位素有 3H、14C、 32P、 35S、 45Ca、51Cr、59Fe、125I、131I、198Ag等，穩定性同位素有2H、13C、15N、18O等。這些同位素在自然界中含量極少或沒有，一般需採用人工製造的方法獲得。利用原子反應堆中的大量中子或加速器中帶正電荷的高速粒子，在嚴密控制下轟擊靶物質，使被照射物中某種原子發生核反應后，可能生成所需要的同位素。例如生產同位素碳-14時，可選用NH4NO3等為靶物質，其中的14N核經中子照射后可發生如下的核反應：

產物實際為含14C的混和物，一般需經徹底氧化成14CO2后再用Ba(OH)2溶液吸收，製成Ba14CO3形式后才能貯存和使用，而所有含14C的標記化合物都是以Ba14CO3為起始原料，再經過化學合成或生物合成的方式製備的。同樣，所有含35S的標記化合物都是由Na35SO4為起始原料製備的。以鋰為靶核經慢中子轟擊后可產生出3H、核反應如下：

產物可以製成氚氣或氚水的形式被使用。將鋰鹽與待標物粉末混合後用中子輻照也可直接得到氚標記物，稱為反衝標記法，但產物必須經過純制。以這些簡單的標記化合物為原料，用細胞培養法以及生物化學和有機化學的方法，可製備出各種生物分子，包括核酸類生物大分子的標記化合物。

不同製備方法所得到的標記產物的規格很不相同。一般用S代表定位標記，例如腺嘌呤-8-T(S)，即表示腺嘌呤環的第8位碳原子與氚(T)相連；用u代表均標記，例如葡萄糖-14C(u)，即表示糖分子中的每一個碳原子具有在統計學上均一的可能性被標記；用g代表全標記即不均勻標記，是規格最低的一種，價格亦較便宜。

對於穩定性同位素，需使用質譜分析法測定，對於放射性同位素可使用多種測量方法，最簡單和常用的測量儀器是蓋革計數器。其原理是放射性同位素所放出的射線引起計數管中的氣體發生電離作用，將計數管電極上收集到的脈衝電流放大，並輸入到定標器中計數測量。這類儀器可做一般的放射性測量用，但對於含射線能量較低的樣品必須選用專門的薄窗計數管，否則探測效率太低。70年代以來逐漸被廣泛使用的另一類型的測量儀器是閃爍計數器，其原理是利用射線能引起一種名為“閃爍體”的物質發生激發作用，當被激發了的原子退激時則產生熒光光子，將光子用反射物和光導儘可能地收集到光電倍增管的光陰極上，再用脈衝高度分析器和定標器測定並記錄所產生的脈衝電信號。閃爍體又稱熒光體，是由某些受到射線照射后易產生熒光的物質組成，按化學性質可分為無機的和有機的二種，按狀態可分為固體的和液體的二類型。

一般將固體閃爍體製成阱型，樣品放入阱底被測量，故又稱阱型閃爍計數器，多用於含γ射線樣品的測量。常用的液體閃爍體是由有機閃爍體溶於有機溶劑中構成。測試樣品可溶解於或懸浮於閃爍液中，也可吸附到小濾紙片等支持物上再置於閃爍液中。由於樣品可以與閃爍液密切接觸，其幾何條件接近4π，故探測效率較高，尤其適合於測量含有3H、14C、35S等僅發射低能量軟β射線的樣品。這類液體閃爍計數器，簡稱“液閃”儀，若配備有能譜分析系統，還可同時進行雙標記或多標記樣品的分析。有的“液閃”儀在製作上提高了探測γ射線的效率，可用於專門的放射免疫分析。

放射性強度是量度放射性物質的一種物理量。表示強度的單位有：①居里，以單位時間內所發生的核衰變數目來表示，其定義為 1Ci(居里)=3.7×1010dps(核衰變數/秒)

適用於任何放射性物質。在示蹤工作中更常使用的是毫居里和微居里，分別相當於居里值的千分之一和百萬分之一。比放射性又稱比強度或比活度，表示單位質量的物質內或單位容積的溶液內所含的放射性強度，其單位為居里/克或毫居里/毫升等。②克鐳當量，是專門表示γ放射性物質的強度單位，定義是：凡放出γ射線的物質和1克鐳（被置於0.5毫米厚的鉑管內，並與其衰變子體達到平衡時）在同樣條件下所引起的電離作用相等時，則其放射性強度為1克鐳當量，它的千分之一為1毫克當量。

輻射劑量是指每單位質量的被照射物質所吸收的射線能量。表示劑量的單位有多種，國際上通用的有：①倫琴(Roentgen)，簡稱倫(R),是照射量單位。 1 倫=2.58×10-4庫侖/千克

②拉德(rad)，是吸收量單位。

1 拉德=10-2焦耳/千克

③雷姆(rem)，是劑量當量單位。

H=D·Q·N

式中H為輻射劑量當量，D為吸收劑量，Q為品質因數,N為其他修正因數之積。

新的國際制單位正在制定中，包括：貝柯(Bq)為放射性強度單位,1Bq=1次核衰變/秒；戈瑞(Gy)為吸收劑量單位，1Gy=1焦耳/千克；西弗 (Sr)為劑量當量單位，1Sr=1焦耳/千克；但照射量單位尚無專名，以上這些新單位目前尚未通用。

由於放射性物質所發出之射線能使受照射物質的原子或分子發生電離，電離輻射不僅對個別細胞，而且對整個機體，都能引起損傷。電離輻射是一種強烈的誘變劑，其效應同機體可接受的劑量成正比。放射防護的目的是採取措施使人們工作和生活的環境中的輻射劑量減低到可接受的水平，免於遭受輻射損傷。雖然示蹤實驗所接觸的放射性一般都是低水平的，但也必須本著科學的態度對待它。參照國際放射防護委員會(ICRP)的建議，中國頒發了“放射防護規定”。凡從事有關放射性的工作，在實驗設計、操作、廢物處理以及環境保護等方面均應嚴格按照“規定”進行，既確保群體、個人和環境的安全，又利於促進科學的發展。

放射性自顯影法

與普通照相的曝光、顯影、定影原理相似，此法是利用放射性同位素所放出之射線使照相乳膠“感光”，再經顯影和定影處理，將乳膠中因受輻照而致敏的鹵化銀顆粒還原成金屬銀，洗去未“感光”的鹵化銀后則圖像自然顯示出來。圖像中任何區域的黑度取決於留存的金屬銀的量，它反映了射線在這個區域所沉積的能量。這種方法以照相乳膠或核乳膠(鹵化銀顆粒更細)作為“儀器”，記錄、檢查和測量整體和組織、細胞和亞細胞水平中放射性示蹤物的分佈、進行定性和半定量測定，稱為放射自顯影法。由於放射性物質往往在研究對象中呈不均勻分佈，因此可利用一系列不同的圖像判斷放射性物質在組織或細胞中的動態關係，從而揭示精確的代謝動態過程，所以這種實驗技術以其特有的功效從放射性被發現至今仍一直被廣泛使用。目前常用的自顯影方法有以下幾種類型：①接觸法，最簡單的一種，一般利用照相膠片或 X光膠片，使含有放射性物質的標本表面與膠片上的乳膠層表面緊密接觸，經過一定時間“曝光”后，將標本與膠片分開，膠片經過顯影、定影等處理后即可得到自顯影圖像。此法的解析度受膠片上乳膠層的厚度及顆粒大小的限制，一般為10～30微米，適用於小的動、植物整體標本，大體解剖學的和組織學的切片以及薄層、紙層和電泳圖譜的自顯影等;②液體乳膠法，目前應用較廣泛的一種。一般是將液體乳膠直接塗布到載玻片的組織切片上，“曝光”后連同標本一起進行顯影、定影、沖洗和染色，並最後封固在一起。此法的解析度可達1～10微米，可進行細胞內定位；③電鏡自顯影法，是放射自顯影與電子顯微鏡相結合的一種新技術。需使用顆粒均勻、大小適中、密度一般為1013銀顆粒/厘米3的核乳膠。含有標記物質的樣品需製成超薄切片，切片可以撈在帶支持膜的銅網上或載玻片上。採用浸塗法、環套法或泡蓋法等使乳膠形成一單晶體層敷蓋在切片上，再經“曝光”、沖洗和染色等處理。此法的解析度可達0.05～0.1微米，能分辨DNA分子的一條鏈，故又稱為“分子自顯影法”。活化分析法 當穩定性核素受到中子、帶電粒子或高能光子的轟擊后，可轉變成放射性的核素。測量產物所放出之射線，可定量地測出原樣品中某一種或幾種元素的含量。利用這種原理檢測樣品中的痕量元素或微量樣品中的化學組成的技術稱為活化分析法。用於活化分析的輻射源可以是慢中子、快中子、質子、氘子、氚子、α粒子、高能的X射線或γ射線等，其中應用最多的是中子，特別是慢中子。活化分析通常使用的是（n,γ）反應，即產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。多數Z值大於10的元素當用中子活化時都呈現較大的截面，但組成生物組織的四種主要元素，即H、C、N和O，其Z值都小於10,故不再用中子活化法分析。活化分析主要用於分析生物樣品中的痕量元素，例如Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cd、Cr、F、Ni、Rb、Si和V等。這些元素的含量可能低於普通分析方法的最小檢測量，而用活化分析法則有可能準確測出其含量。活化分析已逐漸在一些大型醫院的血、尿、組織樣品的常規檢驗中發揮作用，例如對人的頭髮中所含的As、Zn、Cl、Hg、Pb等痕量或超痕量元素的分析，可作為監測污染源或食物，藥品中某些元素攝入量的依據。利用活化分析檢測As含量時，僅需1～2毫米長的一小段頭髮樣品，利用75As(n,γ)76As反應，產物的半衰期為26小時，可很容易地被定量測定。活化分析在農業上可用於研究農藥在農作物上的代謝和分解，及其在農畜產品中之殘留，研究微量元素在植物體內的生理過程，以及土壤中必需微量元素如 Li、B、Mo、Co和Cu等的含量。在工業上可用於食品工業中對有毒元素的檢驗和鑒定等。在環境科學上用於研究大氣、水、土、生物體的污染源，以及痕量元素與某些地方病的關係等。活化分析的靈敏度取決於活化類型、活化元素的感應活度及探測儀器的效率。感應活度又受轟擊粒子的通量、靶元素的活化截面、輻照時間以及樣品中靶原子的數目等影響。一般情況下慢中子的活化分析可達10-6～10-11克，快中子活化分析可達10-3～10-6克。

同位素稀釋法

利用已知質量和比放射性的標記物加入到待測樣品的系統中，經充分混勻稀釋后，再測其比放射性，根據稀釋前後比放射性的變化推算待測樣品質量的方法。設M為標記物的質量,S為標記物的比放射性，Sx為稀釋后樣品的比放射性，Mx為待測樣品的質量，則此法簡單、方便、靈敏度高，且S愈大準確度愈高。許多生物樣品常含有多種性質相近的成分，用經典分析法分析需將這些成分定量的分離並純制后，方可分析。實際上，純制過程往往不易定量回收。若用同位素稀釋法，將和待測成分相同的標記物加入到樣品系統中去，只要將稀釋后的樣品純制到比放射性恆定，就可準確地求出待測成分的量，從而省去了成分分離和定量回收等麻煩費時的操作。在某些場合下，此法還可解決一些用其他方法不能解決的問題。例如測定人體的血容量，可將一定量已知同位素濃度的氘水給予受試者（氘是穩定性同位素，對人體無危害，可用質譜儀或密度法測定）,與上述原理相同，根據稀釋前後氘濃度的變化，可準確地推算出活體的血溶量。

放射性免疫分析法

這是80年代以來被日益廣泛應用的超微量分析技術，具有靈敏度高和特異性強的突出優點。其基本原理是根據被測定的抗原物質和其標記物(標記抗原)同特異性抗體之間存在著競爭性的結合。若以 Ag和Ag*分別代表待測抗原和標記抗原，Ab代表抗體，Ag·Ab和 Ag*·Ab分別代表非標記的和標記的抗原抗體複合物，則當Ag與Ag*同時存在時，這一系統呈如下的平衡關係:

在Ab恆定時，由於Ag的存在而使Ag*·Ab的產量減少。若F代表未結合的Ag*，B代表Ag*·Ab複合物，則B/F與Ag之量存在函數關係。若以B/F為縱坐標，Ag濃度(ng/ml)為橫坐標，則可繪製出劑量反應標準曲線。測量未知樣品時，只需在同樣條件下測量B和F的放射性，即可由標準曲線求出被測樣品的濃度，而不需純化樣品。本方法要求有高純度的標記抗原，測定標準曲線時要尋找合適的標準品，標準品的免疫活性應與待測樣品相當，且不含放射性免疫干擾物。近年來已有愈來愈多的放免專用藥盒出售，為放免分析的推廣應用提供了便利的條件。