同位素示蹤技術的原理及應用闡釋

張 勝

(廣東省深圳市第三高級中學 深圳 518172)

1 同位素

原子序數(shù)相同(即具有相同數(shù)目質子)的原子，具有相同的化學性質，都屬于同一種元素。盡管一種元素的所有原子都含有同樣多的質子，但它們卻可能具有不同的中子數(shù)，具有不同中子數(shù)的同種元素的原子叫做該種元素的核素，同一元素的不同核素之間互稱為同位素[1]。例如，氫有1H、2H、3H三種核素，它們互稱為同位素。同位素可分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素兩類，穩(wěn)定性同位素是原子核結構穩(wěn)定，不會發(fā)生衰變的同位素。放射性同位素是原子核不穩(wěn)定、會自發(fā)衰變的同位素。

自然界的大多數(shù)元素往往是幾種核素的混合物，如碳具有三種核素： ①絕大多數(shù)(超過99%)是具有6個質子和6個中子的核素，稱為12C；②其次是具有6個質子和7個中子的13C；③最稀少的是具有6個質子和8個中子的14C。與12C和13C不同的是：14C不穩(wěn)定，它的核會分裂成原子序數(shù)更低的元素。這種會釋放出大量能量的核破裂叫做放射性衰變，這樣的核素叫做放射性核素(radioactive isotope)。

對于任意一種給定的核素來說，它的衰變率是一定的。衰變率通常表示為半衰期(half-life)，是樣品中一半原子發(fā)生衰變的時間。例如，14C的半衰期為5600年，今天含有1g碳-14的樣品，5600年后將剩下0.5g。通過測定巖石或生物試樣中碳或其他元素不同的核素含量的比率，科學家可以精確地測出樣品形成的時間。

放射性核素有很多用處，但在使用時也必須要考慮到它有害的一面。放射性核素會釋放出高能的粒子，有可能對活細胞造成嚴重傷害，導致基因突變，高劑量時甚至會使細胞死亡，因此，暴露在放射源下的操作要小心地加以控制和調節(jié)。對于從事放射性工作的科學家或工作人員來說，工作時要在胸前或腹部佩帶對射線敏感的標牌(一種能夠測量輻射劑量的小牌子)，以監(jiān)測他們接受的輻射總量，這是在放射性危險環(huán)境中工作的一套“預警系統(tǒng)”。

2 同位素示蹤技術

同位素示蹤法即同位素標記法，包括穩(wěn)定性同位素示蹤法和放射性同位素示蹤法。放射性同位素示蹤法因其靈敏度高，且容易測定，因而在實踐中運用較廣。同位素示蹤技術(isotopic tracer technique)是利用放射性同位素或經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定同位素作為示蹤劑，研究各種物理、化學、生物、環(huán)境和材料等領域中科學問題的技術。

2.1 原理 自然界中組成每種元素的穩(wěn)定核素和放射性核素大體具有相同的物理性質和化學性質。因此，可利用放射性核素或經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定核素來示蹤待研究對象的客觀狀態(tài)及其變化過程。通過放射性測量方法，可觀察由放射性核素標記的物質的分布和變化情況；對經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定核素可用質譜法直接測定，亦可用中子活化法加以測定。

2.2 標記方法 常用的標記方法有化學合成法、同位素交換法和生物化學法。通常是根據(jù)所需標記化合物的組成、結構及應用要求來選擇合適的放射性同位素，然后再結合應用要求來設計其標記路線。

2.3 標記化合物 含有示蹤原子的化合物，稱為標記化合物(labelled compound)，也稱為示蹤化合物。理論上，幾乎所有的化合物都可被示蹤原子標記。一種原子被標記的化合物，稱為單標記化合物； 兩種原子被標記的化合物，則稱為雙標記化合物(如2H218O)。用同位素置換后的化合物，其化學性質通常沒有明顯變化，可參與同類的化學反應。但它易于測定，故可用來研究該化合物的運動和變化的規(guī)律。

2.3.1 穩(wěn)定同位素標記化合物 用經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定同位素取代化合物分子中的一種或幾種原子。它與未標記的相應化合物具有相同的化學及生物學的性質，但具有不同的同位素效應，可利用質譜、密度測量或中子活化分析技術來測定、追蹤。穩(wěn)定同位素標記化合物作為一種無損傷性的示蹤技術，在生命科學方面得到了廣泛的應用。例如，對孕婦及兒童某些疾病診斷中，要將食物或藥物成分用示蹤劑標記，就不能使用或多或少具有毒副作用的放射性同位素，而只能使用對人體無害、安全的穩(wěn)定性同位素。常用的穩(wěn)定同位素有2H、13C、15N和18O等。其中，高中生物學教材中介紹的梅塞爾森做的半保留復制實驗，是用15N標記親代的DNA分子；魯賓和卡門研究光合作用氧氣來源的實驗中，就是用18O分別標記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2。然后進行兩組實驗： 第一組向植物提供H2O和C18O2，第二組向同種植物提供H218O和CO2。在其他條件都相同的情況下，結果表明： 第一組釋放的氧氣全部是O2；第二組釋放的氧氣全部是18O2。這一實驗有力地證明光合作用釋放的氧氣來自水。

2.3.2 放射性同位素標記化合物 常用的放射性同位素有3H、14C、32P、35S、131I、42K等。放射性標記化合物除了醫(yī)學應用不可缺少外，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生物學、遺傳工程、藥物學等領域也都得到廣泛應用。例如，32P和35S標記的核苷酸在遺傳工程研究中已成功地用于脫氧核糖核酸和核糖核酸的分子序列測定、缺口標記和分子雜交等。高中生物學教材在關于探究光合作用中CO2中碳的轉化途徑的內(nèi)容中介紹： 美國科學家卡爾文等用14C標記的14CO2，供小球藻進行光合作用，然后追蹤檢測其放射性，最終探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環(huán)。

2.4 高中生物學中涉及示蹤原子法的實驗 ①用3H標記亮氨酸追蹤分泌蛋白的合成過程；②用32P標記胸腺嘧啶脫氧核苷酸“T”追蹤DNA復制過程或細胞周期中間期歷時的時間；③用3H或15N或32P標記尿嘧啶核糖核苷酸“U”追蹤RNA合成過程；④用14CO2追蹤光合作用中碳原子轉移途徑；⑤用H218O和C18O2相互對照探究光合作用中O2的來源；⑥用32P、35S分別標記噬菌體DNA和蛋白質探究噬菌體遺傳物質的化學本質。

3 同位素示蹤技術的應用

赫維西最初于1912年提出同位素示蹤技術，并開展了一系列研究。由于其開創(chuàng)性的貢獻，赫維西于1943年獲得諾貝爾化學獎。從20世紀30年代開始，隨著重氫同位素和人工放射性的發(fā)現(xiàn)，同位素示蹤技術開始廣泛應用于基礎科學和應用科學的各個領域。應用同位素示蹤技術在農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等眾多領域中都有重要的應用價值。

3.1 農(nóng)業(yè)中的應用 主要應用于研究施肥方法、途徑及其肥效；殺蟲劑和除莠劑對昆蟲和雜草的抑制和殺滅作用；植物激素和生長刺激素對農(nóng)作物代謝和功能的影響；激素、維生素、微量元素、飼料和藥物對家畜生長和發(fā)育的影響；昆蟲、寄生蟲、魚及動物等的生命周期、遷徙規(guī)律、交配和覓食習性等。此外，正是由于放射性同位素14C的應用，導致了自然界中光合作用機理的發(fā)現(xiàn)。

3.2 生物醫(yī)學中的應用 主要應用于臨床診斷和醫(yī)學研究方面。例如，2H和18O雙標記的葡萄糖可用于研究人體能量的攝入和消耗過程，用51Cr標記方法可研究人體的血量，用131I可研究甲狀腺功能，用58Fe可研究缺鐵性貧血，用放射性同位素或經(jīng)富集的稀有稀土核素可研究稀土元素在生物體內(nèi)的分布、蓄積和代謝規(guī)律，用18F標記的葡萄糖可研究腦血流量及其代謝活動等[2]。

3.3 環(huán)境研究中的應用 同位素示蹤技術可用于研究環(huán)境各介質(水圈、土壤圈、大氣圈、生物圈等)中污染物的分布、遷移和富集規(guī)律，從靜態(tài)和動態(tài)兩方面，研究污染物的時空特征。例如，用經(jīng)富集的、穩(wěn)定的196Hg或202Hg來研究汞在大氣圈、水圈和生物圈中的轉移、甲基化過程及其環(huán)境效應[2]。

3.4 基礎科學研究中的應用 同位素示蹤技術已在物理、化學、生物、地學等基礎研究中發(fā)揮了重要作用。例如，用32P放射性同位素示蹤揭示了DNA的結構以及RNA的一級結構，再結合放射自顯影法即可閱讀核苷酸順序。此外，天文地質學的一些重大基礎問題(如隕石演化史、巖石學和礦物學等)研究中，同位素示蹤都是一種重要的應用技術。

4 結語

綜上所述，同位素并不都具有放射性。同位素示蹤法即同位素標記法，包括穩(wěn)定性同位素示蹤法和放射性同位素示蹤法。同位素標記不等于放射性同位素標記，應該嚴格區(qū)分彼此的關系。