放射性示踪
放射性核素与稳定性核素的根本区别在于它具有核辐射的特性。随着反应堆和加速器大量生产放射性核素,核示踪技术便成为当今工业、农业、医学、环境等领域科学研究及实际应用的有效检测手段。
又称为放射性示踪剂或指示剂;添入化学、生物或物理系统中可探测的放射性物质放射性示踪物,是用于标记供研究的材料,以便追踪发生的过程、运行状况或研究物质在系统中的分布。
一、示踪法前提因素
放射性核素示踪法具有灵敏度高、便于射线探测和揭示原子、分子的运动规律等优良的特点,因而被广泛应用。例如,如有机化合物的分子重排,平衡体系中的反应速度,异构化机理等都只有用示踪原子法才能识别。在医学和生物学实验中,由于放射性物质用量可以少至生物剂量水平,不干扰体内生理过程及其平衡状态,此法不仅能定量测得代谢物质的转移和变化,而且可以确定组织器官中的定量分布及细胞水平的定位,因此被视为特别有效的研究手段。例如,目前最准确的化学方法很难测定出10-12克水平,它相当于37kBq(1μCi)32P的质量,或6×1010个磷原子,而用放射性测量可检测至10-14~10-18克水平,故放射分析测定比化学分析方法灵敏得多。
使用放射性示踪物包括两个假设定理:
第一个假设定理:同种元素的放射性同位素和稳定同位素具有完全相同的化学性质。例如,在碳化合物中以14C取代12C,不会引起化学键类型或强度上的变化,也不影响化合物的物理性质。但对于较轻的氢同位素H-D-T体系而言,由于原子量的倍数差异较大,例如3H是1H的3倍,2H是1H的2倍,使得它们的化学性质有显著不同,这种差异被称为同位素效应,此时应予以留意。第二个假设定理:核素的放射性质不改变物质的物理、化学性质。标记的放射性化合物由于自身进行辐射分解,以及衰变形成子体,会使纯度受到影响,引起实验误差。但辐射自分解与标记化合物吸收射线能量的效率及其放射性比活度有关,因此在设计合理的示踪实验中,要注意合适的放射性比活度,或将标记分子稀释分散,不让其产生明显的辐射效应。
示踪技术的前提因素是示踪剂的核放射性质不致影响其化学体系,因而在实际操作的过程中,通常专门考虑的是放射性核素的母子关系。
二、示踪剂的选择
随着科技的发展。常用的放射性核素已发展几百种,在不同的情况下选择合适的核素作示踪原子时,都需要考虑下列条件:(一)半衰期
根据实验目的和周期长短挑选半衰期合适的放射性核素。医学上临床使用的大多是半衰期为几小时至十几天的放射性核素。随着测量技术和使用方法的发展,半衰期为几分钟的放射性核素,例如加速器生产的11C、13N和15O等,也已开始在临床上使用。
(二)辐射类型和能量
由于β放射性核素的优点是探测效率高,易于防护;所以通常使用β和γ放射性核素,而不选用α放射体。例如,32P(Eβ=1.709MeV)的β粒子能量很高,容易测量。对于能量较低的3H(Eβ=0.0186MeV),要用气流式正比计数器或液体闪烁计数器测量。如果射线必须穿过较厚的物质层才能到达探测器,则要选用γ放射性核素。医学上供脏器显像的γ照相机,常使用的放射性核素为99Tc(140keV)、111In(173keV)、201Tl(63~83keV)等,它们均为低能γ射线,其半衰期短,一次剂量可给555~740MBq,因此信息量大,图像清晰。过去使用高能γ射线的脏器扫描仪已逐步被淘汰。用于脏器扫描的放射性核素最好不放射或少放射β射线、内转换电子和俄歇电子,因为这些射线会增加病人的吸收剂量,对临床诊断不提供有用的信息。
(三)放射性比活度
标记的放射性核素示踪剂在实验中往往为稳定同位素化合物所稀释,因此原始的放射性比活度必须足够高,才能使稀释后的试样满足测量的要求。
(四)放射性核素的纯度
在放射性核素生产过程中,副反应或靶物质中如果存在杂质致使放射性不纯,常会影响实验结果,甚至导致错误的结论。在医疗上放射性杂质将会增加病人的吸收剂量,也可能影响诊断和治疗效果。所以在使用放射性示踪剂前,要注意核素的放射性纯度和放射化学纯度是否符合要求,必要时须先行提纯。
(五)放射性核素的毒性
在可能情况下应尽量使用低毒性的放射性核素。如90Sr是高毒类放射性核素,而85Sr和80Sr属于中毒类,为了使用人员的健康,应尽量避免使用高毒类放射性核素。医用放射性核素多数要进入人体内部,因此要求进入人体的放射性核素及其衰变物、载体或其他加入物对人体无害。若有毒性,则必须严格控制在对人体无害的用量范围内。
许多标记化合物都是以14C和3H为基础制取的。迄今作为商品出售的放射性标记化合物已达1000多种,其中14C标记化合物约600种,3H标记化合物300余种,125I和131I标记的有100多种。