同位素示踪技术的原理及应用阐释

张 胜

(广东省深圳市第三高级中学 深圳 518172)

1 同位素

原子序数相同(即具有相同数目质子)的原子，具有相同的化学性质，都属于同一种元素。尽管一种元素的所有原子都含有同样多的质子，但它们却可能具有不同的中子数，具有不同中子数的同种元素的原子叫做该种元素的核素，同一元素的不同核素之间互称为同位素[1]。例如，氢有1H、2H、3H三种核素，它们互称为同位素。同位素可分为稳定性同位素和放射性同位素两类，稳定性同位素是原子核结构稳定，不会发生衰变的同位素。放射性同位素是原子核不稳定、会自发衰变的同位素。

自然界的大多数元素往往是几种核素的混合物，如碳具有三种核素： ①绝大多数(超过99%)是具有6个质子和6个中子的核素，称为12C；②其次是具有6个质子和7个中子的13C；③最稀少的是具有6个质子和8个中子的14C。与12C和13C不同的是：14C不稳定，它的核会分裂成原子序数更低的元素。这种会释放出大量能量的核破裂叫做放射性衰变，这样的核素叫做放射性核素(radioactive isotope)。

对于任意一种给定的核素来说，它的衰变率是一定的。衰变率通常表示为半衰期(half-life)，是样品中一半原子发生衰变的时间。例如，14C的半衰期为5600年，今天含有1g碳-14的样品，5600年后将剩下0.5g。通过测定岩石或生物试样中碳或其他元素不同的核素含量的比率，科学家可以精确地测出样品形成的时间。

放射性核素有很多用处，但在使用时也必须要考虑到它有害的一面。放射性核素会释放出高能的粒子，有可能对活细胞造成严重伤害，导致基因突变，高剂量时甚至会使细胞死亡，因此，暴露在放射源下的操作要小心地加以控制和调节。对于从事放射性工作的科学家或工作人员来说，工作时要在胸前或腹部佩带对射线敏感的标牌(一种能够测量辐射剂量的小牌子)，以监测他们接受的辐射总量，这是在放射性危险环境中工作的一套“预警系统”。

2 同位素示踪技术

同位素示踪法即同位素标记法，包括稳定性同位素示踪法和放射性同位素示踪法。放射性同位素示踪法因其灵敏度高，且容易测定，因而在实践中运用较广。同位素示踪技术(isotopic tracer technique)是利用放射性同位素或经富集的稀有稳定同位素作为示踪剂，研究各种物理、化学、生物、环境和材料等领域中科学问题的技术。

2.1 原理 自然界中组成每种元素的稳定核素和放射性核素大体具有相同的物理性质和化学性质。因此，可利用放射性核素或经富集的稀有稳定核素来示踪待研究对象的客观状态及其变化过程。通过放射性测量方法，可观察由放射性核素标记的物质的分布和变化情况；对经富集的稀有稳定核素可用质谱法直接测定，亦可用中子活化法加以测定。

2.2 标记方法 常用的标记方法有化学合成法、同位素交换法和生物化学法。通常是根据所需标记化合物的组成、结构及应用要求来选择合适的放射性同位素，然后再结合应用要求来设计其标记路线。

2.3 标记化合物 含有示踪原子的化合物，称为标记化合物(labelled compound)，也称为示踪化合物。理论上，几乎所有的化合物都可被示踪原子标记。一种原子被标记的化合物，称为单标记化合物； 两种原子被标记的化合物，则称为双标记化合物(如2H218O)。用同位素置换后的化合物，其化学性质通常没有明显变化，可参与同类的化学反应。但它易于测定，故可用来研究该化合物的运动和变化的规律。

2.3.1 稳定同位素标记化合物 用经富集的稀有稳定同位素取代化合物分子中的一种或几种原子。它与未标记的相应化合物具有相同的化学及生物学的性质，但具有不同的同位素效应，可利用质谱、密度测量或中子活化分析技术来测定、追踪。稳定同位素标记化合物作为一种无损伤性的示踪技术，在生命科学方面得到了广泛的应用。例如，对孕妇及儿童某些疾病诊断中，要将食物或药物成分用示踪剂标记，就不能使用或多或少具有毒副作用的放射性同位素，而只能使用对人体无害、安全的稳定性同位素。常用的稳定同位素有2H、13C、15N和18O等。其中，高中生物学教材中介绍的梅塞尔森做的半保留复制实验，是用15N标记亲代的DNA分子；鲁宾和卡门研究光合作用氧气来源的实验中，就是用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2。然后进行两组实验： 第一组向植物提供H2O和C18O2，第二组向同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，结果表明： 第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18O2。这一实验有力地证明光合作用释放的氧气来自水。

2.3.2 放射性同位素标记化合物 常用的放射性同位素有3H、14C、32P、35S、131I、42K等。放射性标记化合物除了医学应用不可缺少外，在农业、工业、生物学、遗传工程、药物学等领域也都得到广泛应用。例如，32P和35S标记的核苷酸在遗传工程研究中已成功地用于脱氧核糖核酸和核糖核酸的分子序列测定、缺口标记和分子杂交等。高中生物学教材在关于探究光合作用中CO2中碳的转化途径的内容中介绍： 美国科学家卡尔文等用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。

2.4 高中生物学中涉及示踪原子法的实验 ①用3H标记亮氨酸追踪分泌蛋白的合成过程；②用32P标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸“T”追踪DNA复制过程或细胞周期中间期历时的时间；③用3H或15N或32P标记尿嘧啶核糖核苷酸“U”追踪RNA合成过程；④用14CO2追踪光合作用中碳原子转移途径；⑤用H218O和C18O2相互对照探究光合作用中O2的来源；⑥用32P、35S分别标记噬菌体DNA和蛋白质探究噬菌体遗传物质的化学本质。

3 同位素示踪技术的应用

赫维西最初于1912年提出同位素示踪技术，并开展了一系列研究。由于其开创性的贡献，赫维西于1943年获得诺贝尔化学奖。从20世纪30年代开始，随着重氢同位素和人工放射性的发现，同位素示踪技术开始广泛应用于基础科学和应用科学的各个领域。应用同位素示踪技术在农业、生物医学等众多领域中都有重要的应用价值。

3.1 农业中的应用 主要应用于研究施肥方法、途径及其肥效；杀虫剂和除莠剂对昆虫和杂草的抑制和杀灭作用；植物激素和生长刺激素对农作物代谢和功能的影响；激素、维生素、微量元素、饲料和药物对家畜生长和发育的影响；昆虫、寄生虫、鱼及动物等的生命周期、迁徙规律、交配和觅食习性等。此外，正是由于放射性同位素14C的应用，导致了自然界中光合作用机理的发现。

3.2 生物医学中的应用 主要应用于临床诊断和医学研究方面。例如，2H和18O双标记的葡萄糖可用于研究人体能量的摄入和消耗过程，用51Cr标记方法可研究人体的血量，用131I可研究甲状腺功能，用58Fe可研究缺铁性贫血，用放射性同位素或经富集的稀有稀土核素可研究稀土元素在生物体内的分布、蓄积和代谢规律，用18F标记的葡萄糖可研究脑血流量及其代谢活动等[2]。

3.3 环境研究中的应用 同位素示踪技术可用于研究环境各介质(水圈、土壤圈、大气圈、生物圈等)中污染物的分布、迁移和富集规律，从静态和动态两方面，研究污染物的时空特征。例如，用经富集的、稳定的196Hg或202Hg来研究汞在大气圈、水圈和生物圈中的转移、甲基化过程及其环境效应[2]。

3.4 基础科学研究中的应用 同位素示踪技术已在物理、化学、生物、地学等基础研究中发挥了重要作用。例如，用32P放射性同位素示踪揭示了DNA的结构以及RNA的一级结构，再结合放射自显影法即可阅读核苷酸顺序。此外，天文地质学的一些重大基础问题(如陨石演化史、岩石学和矿物学等)研究中，同位素示踪都是一种重要的应用技术。

4 结语

综上所述，同位素并不都具有放射性。同位素示踪法即同位素标记法，包括稳定性同位素示踪法和放射性同位素示踪法。同位素标记不等于放射性同位素标记，应该严格区分彼此的关系。