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放射性示踪剂

放射性示踪剂radioactive tracer亦称“放射性指示剂”。以放射性胃明显特征的示踪剂。常用的有碳14(14C)、磷32(32P)、硫35(35S)、碘131(131I)、氢3(3H)放射性同位素氢(H),碳(C),磷(P),硫(S),和碘(I)在生化反应中用来追踪路径,被广泛的使用着。放射性示踪剂也可用于追踪于天然系统(natural system)中的分布,例如细胞或组织。放射性示踪剂还可以用来确认天然气冒出的位置,进而使用水力压裂(hydraulic fracturing)技术得到天然气。放射性示踪剂成为了各种成像系统的基础,例如:正电子发射计算机断层扫描(Positron emission tomography,简称PET),单光子发射计算机断层扫描(Single-photon emission computed tomography ,简称SPECT,或SPET)和(Technetium)扫描。放射性碳定年法(Radiocarbon dating)就是使用天然存在的碳14同位素作为大自然创造的任何生物的同位素标记物。

化学元素中的同位素中唯一不同的数值为质量数。例如,同位素氢有H,H和H,且左上角的数字代表其质量数。当同位素的原子核不稳定时,那含有这种同位素的化合物,判其为放射性。其中氚(Tritium,H)就是放射性同位素的例子。

使用放射性示踪物的原理是,一个在化学化合物中的原子被另一个相同化学元素的原子所取代。然而,这个取代原子其实是放射性同位素。这个过程通常被称为放射性标记。这个反应──放射性衰变与一般化学反应相互比较起来,可以产生更多的能量。因此,放射性同位素可存在于低浓度,它的存在也可由灵敏度高的辐射探测器检测,如盖革计数器(Geiger counter)和闪烁计数器 (scintillation counters)。乔治查尔斯德海韦西(George de Hevesy)获1943 诺贝尔化学奖:“在化学过程研究中使用同位素作为示踪物”(” for his work on the use of isotopes as tracers in the study of chemical processes”)。 其中放射性示踪剂主要被用于两种方式:

1. 当一个标记的化学化合物发生化学反应,其中一个或多个产物会含有放射性标记。借由分析放射性同位素的状态可以得知欲了解之化学反应其机制的详细资讯。

2. 将某种放射性化合物引入生物体且放射性同位素提供了一个图像示出该化合物和它的反应产物分布在生物体的方式。

常用的放射性同位素半衰期短,所以在自然界不存在,需经核反应产生。最重要的过程之一是原子核吸收一个中子,使相应元素质量数加1。例如:

13C + n → 14C

在这种情况下,原子质量增加,但元素保持不变。在其他情况下,生成的原子核不稳定发生衰变,通常这会放出质子,电子(β粒子)或α粒子。当一个原子核失去一个质子时,原子数减1。例如:

32S + n → 32P + p

中子辐照在核反应炉中进行,因此示踪剂研究在靠近反应炉本身的地方进行。另一个合成放射性同位素的主要方法是质子轰炸。质子需要利用回旋加速器(cyclotron)或是直线粒子加速器(Linear particle accelerator)加速到高能量状态。

氚是通过Li的中子辐射产生:
  Li + n →He +H

氚的半衰期为 4500±8天(大约为12.32年),它是由β衰变而成。电子产生的平均能量有5.7 keV。因为所发射的电子具有相对较低的能量,经由闪烁计数的检测效率是相当低的。但是,氢原子因有存在于所有有机化合物中这个特性,因此氚经常在生化研究中作为示踪剂。

C衰变经由正电子发射发生,半衰期为20分钟。C是其中一种常用于正电子发射断层扫描(positron emission tomography)的同位素。

C的衰变是通过β衰变而成,半衰期为5730年。它在地球的大气层上层会不断地生产,所以地表的环境中其含量非常微量。然而,利用自然产生的C来做示踪物研究并不实际。相反地,它是由可自然产生、占所有C的1.1%的同位素C的中子辐照制成。C非常广泛地用于追踪有机分子通过代谢途径的发展。

N衰变经由正电子发射发生,半衰期为9.97分钟。且它是由核反应产生的。
  H +O →N +He
  N适用在正电子发射断层扫描(PET扫描)。

O衰变经由正电子发射发生,半衰期为122秒。可以用在正电子发射断层扫描。

F衰变经由正电子发射发生,半衰期为109分钟。它是经由回旋加速器或线性粒子加速器,用此以发生质子撞击制成O。它在放射性药物业界是一个占有一席之地的同位素。它在PET扫描中被用来标记氟脱氧葡萄糖(fluorodeoxyglucose,FDG)。

P是通过S的中子撞击而得:
  S + n →P + p
  它的衰变是经由β衰变而成,半衰期为14.29天。它通常用于生物化学上,研究蛋白质磷酸化激酶。

P在P之间的中子撞击中相对产率较低。这其实也是一种β发射,其半衰期为25.4天。虽然比P更昂贵,但其所发射的电子能量较低,因而可以拥有更高的辨识率,例如DNA定序。

P和P两种同位素在标记核苷酸和其他含有一个磷酸基团的物种方面非常有用。

S是经由Cl之间的中子撞击取得:
  Cl + n →S + p
  它通过β衰变而成,半衰期为87.51天。它被用于标记含硫氨基酸(amino-acids)甲硫氨酸(methionine)和半胱氨酸(cysteine)。当硫原子在一核苷酸的磷酸基上取代氧原子,接着一个硫代基产生,所以S能也可以用于追踪磷酸基团。

Tc是一种用途很广的放射性同位素。它很容易在𨱏-99m发生器中经由Mo衰变产生。
  Mo →Tc + e+ Ve
  钼(molybdenum)同位素具有大约66小时(2.75天)的半衰期,所以,发生器大约有两个星期的使用寿命。大多数商业用Tc发生器采用柱色谱法(柱层析,Column chromatography),在Mo还处于钼酸的形式──MoO4时会吸附在酸化氧化铝上(Al2O3)。当Mo衰变时,形成过𨱏酸盐 TcO4,由于其单电荷,所以不太能与氧化铝紧密结合。通过固定化柱,生理盐水溶液Mo洗脱可溶性Tc,导致在含有盐溶液的Tc作为高𨱏酸盐的溶解钠盐。过𨱏酸盐须利用还原剂如Sn和配体(Ligand)来处理。不同的配体形成配合物(coordination complexes )而使𨱏在人体特定部位产生更强的亲和力。

Tc衰变是经由γ射线形成,半衰期为6.01小时。其极短的半衰期确保检体内浓度的放射性同位素在几天之内有效的下降到零浓度。

I是由Xe的质子照射产生。铯同位素产生时并不稳定,且会衰减到I。同位素通常会在稀氢氧化钠溶液中以高同位素纯度提供碘化物和次碘酸。I也已经被橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratories)通过Te的质子撞击生产成功。

I衰变是经由电子捕获产生,其半衰期为13.22小时。其所发射之159keV的γ射线被用于单光子发射计算机断层显像(SPECT)。127keV的γ射线也有射出。I经常采用放射免疫测定,因为它拥有相对长的半衰期(59天)和其通过γ计数器来检测具有高传感度的功能。

I与核武器有着莫大的关系。俄罗斯的切尔诺贝利核灾以及福岛核灾就是非常著名的例子。I的半衰期为1570万年,它用其低能量的β和伽玛射线放射,进行缓慢的衰变过程。它不能用作示踪剂,尽管它可以用在生物体上,包括人类,可能会被侦测出对生物体有害的γ射线的存在。

许多其它同位素已用于专门放射药理学研究。最广泛使用的是用于镓扫描的Ga。至于Ga会被挑来使用,如同Tc,是因为它是伽玛射线发射器而且各种不同的配体可以附着到Ga离子,从而形成配合物,使其在人体内特定部位具有选择性亲和力。

在水力压裂中使用的放射性示踪剂的较详细说明中可以参考下面应用条目。

在代谢研究中,氚和以14C标记的葡萄糖中常用的葡萄糖箝位(glucose clamps)测量葡萄糖摄取速率,脂肪酸合成,以及其它代谢过程。虽然放射性示踪剂有时仍然用在人类研究中,我们所用之较稳定同位素示踪剂如13C更适合用于当前人类箝位研究。放射性示踪剂也用于研究在人类和实验动物中脂蛋白的新陈代谢。

在医药学中,示踪剂被应用于一些检验,比如99mTc在放射自显影(Autoradiography)和核医学(nuclear medicine),包括单光子发射计算机断层显像(SPECT),正电子发射断层扫描(PET)和显像。在为幽门螺旋杆菌(helicobacter pylori)所做的尿素呼气试验的常用剂量为经14C标记的尿素检测幽门螺旋杆菌的感染与否。如果标记的尿素被位于胃中的幽门螺旋杆菌代谢,患者的呼吸将含有被标记的二氧化碳。在近几年来,利用富含非放射性的同位素物质13C已成为首选方法,避免患者暴露于放射性环境中。

在水力压裂中,放射性示踪剂同位素当作水力压裂液注射,以确认注入剖面和形成裂缝的位置。示踪剂的不同半衰期可用在水力压裂的每一个特定阶段中。在美国每次注射的放射性核素的量会被列在美国核管理委员会(NRC)的指导方针。根据NRC,一些最常用的示踪剂包括锑-124(antimony),溴-82,碘-125,碘-131,铱-192(iridium),和钪-46(scandium)。在2003年,由国际原子能机构出版的刊物证实了经常使用的以上所有的示踪剂,并且表示,锰-56( manganese),钠-24,𨱏-99m,银-110m,氩-41,和氙-133(xenon)也被广泛使用,因为它们易于识别和测量。


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