同位素示踪技术及应用课件

同位素示踪技术及应用Isotopic Tracer Technology and its application1重 点1.同位素示踪法的原理。同位素示踪法的原理。2.同位素示踪法的关键性技术。同位素示踪法的关键性技术。3.同位素示踪法的应用。同位素示踪法的应用。4.常用同位素及其特性。常用同位素及其特性。2放射性示踪技术及应用作者：作者：英F安东尼埃文斯 日本村松光雄1990年07月第1版3放射性同位素放射性同位素示踪注水剖面测示踪注水剖面测井井作者：作者：姜文达石油工业出版社1997年05月第1版4医用同位素医用同位素示踪技术示踪技术作者：作者：朱寿彭 张澜生原子能出版社1989年12月第1版5生物医学标记生物医学标记示踪技术示踪技术作者：王浩丹 周申1995年12月第1版人民卫生出版社6 同位素技术同位素技术及其在生物医学中的应用及其在生物医学中的应用作者：中国医学科学院第七研究室科学出版社1977年03月第1版71.同位素技术同位素技术 彭根元等，北京农业大学出版社，19942.Handbook of Radioactivity Analysis LAnnunziata M F,Academic Press,1998 IAEA,Laboratory Training Manual on the Use of Nuclear and Associated Techniques in Pesticide Research,IAEA,19913.核技术生物学应用核技术生物学应用 陈舜华等，中山大学出版社，19924.示踪技术在鱼类、水产生物科学中应用示踪技术在鱼类、水产生物科学中应用 陈舜华，1991 5.实用放射防护教程实用放射防护教程 王金鹏等，山东人民出版社，2000年 8示踪9利用卫星跟踪技术开展的主要研究内容有:揭示迁徙路线和重要停歇地点;寻找新繁殖地和越冬地;利用卫星数据对栖息地及其利用进行评价;探讨鸟类的迁徙策略.期望该技术能够成为中国濒危鸟类保护的有效方法,并尽快得到应用.研究鸟类迁徙最基本的方法是环志(无线电跟踪是现在的先进方法)。研究人员在候鸟集中的繁殖地、越冬地、或迁徙途中的停息地，捕捉活鸟，将带有环志者通讯地址和惟一编号的特殊金属环或腿旗固定在鸟的跗跖部，然后在原地放飞。在其他地方观察到或捕捉到，获得相关信息，这种研究鸟类的方法叫鸟类环志。10微型信号微型信号发生器发生器信号接收器信号接收器11水产专家为中华鲟装水产专家为中华鲟装“GPS”通过卫星进行通过卫星进行跟踪定位跟踪定位外，配有温度、光强、压力、外，配有温度、光强、压力、电压等探头，可对中华鲟游经区域的环境因子进行全方电压等探头，可对中华鲟游经区域的环境因子进行全方位的实时监测。位的实时监测。12寻找地下河寻找地下河道，用颜料道，用颜料作作“标记标记”。13示踪的定义踪：踪：就是踪迹、痕迹、标记，等等。就是踪迹、痕迹、标记，等等。示：示：就是展示、揭示、揭露，等等。就是展示、揭示、揭露，等等。示踪：示踪：是指给观察对象加上是指给观察对象加上“标记标记”，再引入，再引入被研究的系统，观察标记对象在该系统内的运被研究的系统，观察标记对象在该系统内的运动和转化规律。动和转化规律。141 同位素示踪的定义如何标记原子？如何标记原子？要观察到原子，人需要观察到原子，人需缩小几十亿倍。缩小几十亿倍。151 同位素示踪的定义放射性同位素及探测技术的出现，使幻放射性同位素及探测技术的出现，使幻想成为现实。想成为现实。科学研究中，通常使用科学研究中，通常使用核素核素作为作为标记物标记物，所以示踪也称所以示踪也称核素示踪核素示踪，其中采用，其中采用放射性放射性核素标记核素标记时，称为时，称为放射性示踪放射性示踪(或同位素示或同位素示踪踪)。16将可探测的将可探测的放射性核素放射性核素添入化学、生添入化学、生物或物理系统中，标记研究材料，以物或物理系统中，标记研究材料，以便便追踪发生的过程追踪发生的过程、运行状况运行状况或或研究研究物质结构物质结构等的科学手段。等的科学手段。17在被研究的样品中加在被研究的样品中加“示踪剂示踪剂”(放射性放射性同位素和标记化合物同位素和标记化合物)，然后通过测定示，然后通过测定示踪剂的踪剂的位置位置和和数量数量，追踪探测样品内部示，追踪探测样品内部示踪原子踪原子放射性水平放射性水平的变化及其活动情况来的变化及其活动情况来显示被研究样品的显示被研究样品的运动运动和和变化规律变化规律，它能，它能使我们在极复杂和隐蔽的化学和物理过程使我们在极复杂和隐蔽的化学和物理过程中来研究运动。中来研究运动。182 同位素示踪的原理 同位素同位素(及其化合物及其化合物)与普通元素与普通元素(及其化合物及其化合物)之间的之间的化学性质化学性质和和生物学性质生物学性质是是相同相同的，只是的，只是核核物理性质不同物理性质不同。因此，用同位素作为一种标记，制成含有同因此，用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物位素的标记化合物(如标记食物，药物和代谢物质如标记食物，药物和代谢物质等等)代替相应的非标记化合物。通过代替相应的非标记化合物。通过核仪器核仪器探测放探测放射性同位素不断地放出射性同位素不断地放出特征射线特征射线，就可以随时追，就可以随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。19稳定性同位素稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的与普通相应同位素的质量之差质量之差，通过质谱仪，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器质量分析仪器来测定。来测定。这些方法这些方法不不像测量放射性的方法那样像测量放射性的方法那样灵敏灵敏。203 同位素示踪的发展史“tracer”的概念是的概念是G.de Hevesy(赫维西赫维西)在在1923年年提出的。提出的。1911年，年，Hevesy在英国卢瑟福实验室工作期间，因在英国卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，他在剩菜中放上微量的他在剩菜中放上微量的放射性钍放射性钍(Th)，然后在下一然后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他每次都能准确次的菜中检验是否有放射性，结果他每次都能准确地判断出他所吃的菜是剩菜还是新菜。地判断出他所吃的菜是剩菜还是新菜。211923年，年，Hevesy在丹麦玻尔在丹麦玻尔实验室工作期间，将豆科植物实验室工作期间，将豆科植物浸泡在含有浸泡在含有天然放射性核素天然放射性核素210Pb(RaD)和和212Pb(ThB)的铅的铅盐溶液中，研究植物吸收铅的盐溶液中，研究植物吸收铅的机制机制(分布和转移分布和转移)。结果发现：。结果发现：铅全部被吸附在根部。铅全部被吸附在根部。221934年，年，Curie夫妇发现人工放射现象，获得夫妇发现人工放射现象，获得具生物意义的具生物意义的32P、45Ca等。等。32P示踪：示踪：1935年，将年，将32P注入大白鼠中，证明注入大白鼠中，证明骨骼中的矿物质成分会再补充。骨骼中的矿物质成分会再补充。1936年，年，Lawrence&JH Lawrence兄弟将人工放射性兄弟将人工放射性同位素同位素P-32注射入人体进行白血病的治疗。注射入人体进行白血病的治疗。231940年，年，Ruben等用等用18O示踪发现光合作用示踪发现光合作用O2来自于水的光解。来自于水的光解。14C示踪：示踪：1949年，年，Calvin用用14C揭示了光合作揭示了光合作用，表明植物根部也能够发生光合作用。用，表明植物根部也能够发生光合作用。241952年，年，Hershey和和Chase使用使用35S和和32P双标记双标记噬菌体感染实验证明噬菌体感染实验证明DNA是遗传信息的载体，是遗传信息的载体，在在50年代还利用年代还利用14C确定了光合作用最初产物确定了光合作用最初产物是是PGA，并提出了并提出了卡尔文循环卡尔文循环。60年代，使用年代，使用14C、13C、18O等，发现了植物等，发现了植物光光呼吸作用呼吸作用。1977年，年，Sanger等采用放射性标记技术和等采用放射性标记技术和ARG技术，成功地进行了技术，成功地进行了DNA序列测定。序列测定。254 放射性示踪法的特点灵敏度高灵敏度高F目前，化学分析只能达到目前，化学分析只能达到1010-9-9g(g(很难达到很难达到1010-1212g)g)F可探测可探测11nCi,nCi,或或1010-14-14 1010-18-18g g，从，从10101515个非个非放射性原子中查出一个放射性原子放射性原子中查出一个放射性原子F比重量分析天平敏感比重量分析天平敏感10107 7-10-108 8倍倍测量简便、易分辨测量简便、易分辨F不受非放杂质干扰，不受非放杂质干扰，活体研究，体外测量活体研究，体外测量26提供原子、分子水平的研究手段提供原子、分子水平的研究手段F微观作用机理、微观作用机理、动态变化过程动态变化过程合乎生理条件合乎生理条件F不扰乱体内生理过程的平衡状态不扰乱体内生理过程的平衡状态定位、定量准确定位、定量准确F核显像技术，组织器官、细胞、亚细胞核显像技术，组织器官、细胞、亚细胞水平定量定位水平定量定位275 同位素示踪技术的关键选好示踪剂选好示踪剂(TRACER)TRACER)l一种一种带有特殊标记带有特殊标记的物质，当它加入到被研究对象的物质，当它加入到被研究对象中后，人们可根据中后，人们可根据其其运动和变化来洞悉原来不易或运动和变化来洞悉原来不易或不能辨认的被研究对象的运动和变化规律。不能辨认的被研究对象的运动和变化规律。l同位素同位素化学性质相同化学性质相同，可正确反映研究对象在物理、，可正确反映研究对象在物理、化学和生物过程中的性质和行为。化学和生物过程中的性质和行为。l核素的放射特性核素的放射特性不改变不改变物质的物质的物理物理和和化学性质化学性质。选好显象剂选好显象剂(IMAGING AGENTIMAGING AGENT)或核素测量技术或核素测量技术285.1 放射性示踪剂的选择放射性示踪剂的选择u放射性核素：天然放射性核素：天然5858种，人工约种，人工约13001300种。种。u大多数放射性核素大多数放射性核素不能用作放射性示踪剂。不能用作放射性示踪剂。原因：原因：制备困难制备困难、半衰期不合适半衰期不合适、放射性放射性不足不足。295.1 放射性示踪剂的选择放射性示踪剂的选择u放射性示踪剂的放射性示踪剂的选择依据选择依据：放射性放射性半衰期半衰期辐射类型和能量辐射类型和能量放射性比活度放射性比活度放射性核素的纯度放射性核素的纯度放射性核素的毒性放射性核素的毒性示踪剂的生物半衰期示踪剂的生物半衰期30一、放射性一、放射性半衰期半衰期 一般要选择最适宜的一般要选择最适宜的半衰期半衰期的放射性同位素，的放射性同位素，使使足够长足够长，从而使衰变校正有意义或干脆不必，从而使衰变校正有意义或干脆不必作衰变校正，同时作衰变校正，同时又要足够短又要足够短，能较安全地进行，能较安全地进行示踪实验，并使得放射性废物容易处理。示踪实验，并使得放射性废物容易处理。31在实际工作中，使用的放射性同位素的在实际工作中，使用的放射性同位素的半衰期半衰期应该与应该与实验需要持续的时间实验需要持续的时间t相适应，如对于某个实验：相适应，如对于某个实验：当当t0.04时，应选放射性同位素的衰变校正为时，应选放射性同位素的衰变校正为3.5；当当t0.10时，应选放射性同位素的衰变校正为时，应选放射性同位素的衰变校正为6.6；当当t0.15时，应选用其衰变校正为时，应选用其衰变校正为10。32 体外示踪体外示踪一般选用半衰期较长而射线强度适中，既一般选用半衰期较长而射线强度适中，既利于探测，又易于防护和保存的放射性示踪剂。利于探测，又易于防护和保存的放射性示踪剂。体内示踪体内示踪时，若实验周期短，应选用半衰期短，且时，若实验周期短，应选用半衰期短，且能放出一定强度能放出一定强度射线放射性同位素，若实验周期长，射线放射性同位素，若实验周期长，如需要将动物活杀后对组织脏器分别测定的，则应选如需要将动物活杀后对组织脏器分别测定的，则应选用半衰期较长放射性同位素。用半衰期较长放射性同位素。33此外，根据实验目的来选用定位的或不定位的标记示此外，根据实验目的来选用定位的或不定位的标记示踪剂。例如研究氨基酸的脱羧反应，踪剂。例如研究氨基酸的脱羧反应，14应标记在羧基应标记在羧基上，只有这种定位标记的氨基酸，才能在脱羧后产生上，只有这种定位标记的氨基酸，才能在脱羧后产生14CO2。而有些实验不要求特定位置标记，只须均匀标而有些实验不要求特定位置标记，只须均匀标记即可。记即可。34二、辐射类型和能量二、辐射类型和能量F 探测效率高，易于防护；探测效率高，易于防护；32P;14C,3H F 穿透性好，穿透性好，100-600 keV;99Tc,111In,201Tl三、放射性比活度三、放射性比活度F原始比活度足够高；原始比活度足够高；35四、放射性核素的纯度四、放射性核素的纯度F检验放射性纯度和放射化学纯度；提纯。检验放射性纯度和放射化学纯度；提纯。F在示踪剂制备期间、贮存期间，试验体系中所在示踪剂制备期间、贮存期间，试验体系中所使用的溶剂、化学试剂、酶等可能会产生化学使用的溶剂、化学试剂、酶等可能会产生化学杂质、放射化学杂质及辐射自分解引起的放射杂质、放射化学杂质及辐射自分解引起的放射性杂质，这些杂质的存在，使得示踪实验中使性杂质，这些杂质的存在，使得示踪实验中使用的示踪剂不用的示踪剂不“纯纯”，而或多或少影响实验的，而或多或少影响实验的结果，甚至会导致错误结论。结果，甚至会导致错误结论。36五、放射性核素的毒性五、放射性核素的毒性F尽量选择低毒组核素；尽量选择低毒组核素；90Sr 高毒高毒,89Sr 中毒。中毒。六、示踪剂的生物半衰期六、示踪剂的生物半衰期F选择生物半衰期短的示踪剂，减少辐射剂量。选择生物半衰期短的示踪剂，减少辐射剂量。375.2 放射性同位素测量方法的选择放射性同位素测量方法的选择一、探测器的选择一、探测器的选择 取决于取决于射线种类射线种类，对于，对于射线射线通常可用通常可用硫化锌硫化锌晶体晶体、电离室电离室、核乳胶核乳胶；对能量；对能量高高的的射线射线可用可用云云母窗计数管母窗计数管、塑料闪烁晶体塑料闪烁晶体及及核乳胶测定核乳胶测定，对于能，对于能量低的量低的射线可用液体闪烁计数器测量；对于射线可用液体闪烁计数器测量；对于射射线则用线则用G-MG-M计数管，碘化钠（铊）闪烁晶体探测。计数管，碘化钠（铊）闪烁晶体探测。目前大多数实验室主要采用晶体闪烁计数法和液体目前大多数实验室主要采用晶体闪烁计数法和液体闪烁计数法两种测量方式。闪烁计数法两种测量方式。38二、最佳测量条件的选择二、最佳测量条件的选择 同一台探测仪器对不同量的示踪剂具有不同的同一台探测仪器对不同量的示踪剂具有不同的最佳工作条件，在实验准备阶段要检查探测器是否最佳工作条件，在实验准备阶段要检查探测器是否已调到所用示踪同位素的工作条件，否则需要用一已调到所用示踪同位素的工作条件，否则需要用一定量的示踪剂作为放射源定量的示踪剂作为放射源(或选用该同位素的标准或选用该同位素的标准源源)，把探测器的最佳工作条件调整好，并且要保，把探测器的最佳工作条件调整好，并且要保证探测器性能处于稳定可靠的状态。证探测器性能处于稳定可靠的状态。39二、最佳测量条件的选择二、最佳测量条件的选择1.1.坪曲线坪曲线2.2.最好的品质因素最好的品质因素3.3.测量时间和测量次数测量时间和测量次数4.4.剂量及给入途径的选择剂量及给入途径的选择 通常小于通常小于1 1几几CiCi，用量控制在最大允许剂用量控制在最大允许剂量之内，避免辐射效应。样品中所含放射性强度的量之内，避免辐射效应。样品中所含放射性强度的要求，是使其放射性计数率大于或等于本底计数的要求，是使其放射性计数率大于或等于本底计数的10102020倍。倍。406 同位素示踪的应用u化化 学：学：反应过程；反应过程；u生命科学：生命科学：代谢、物质转化、生命现象；代谢、物质转化、生命现象；u医医 学：学：免疫化学、疾病的诊断；免疫化学、疾病的诊断；u农、牧学：农、牧学：代谢、灭害；代谢、灭害；u地质科学：地质科学：地下水流向和流速、油田开发；地下水流向和流速、油田开发；u工程问题：工程问题：地下管网渗漏、机械磨损；地下管网渗漏、机械磨损；u药物药物.416.1 在化学研究中的应用在化学研究中的应用u分子结构的研究：分子结构的研究：同位素交换反应。同位素交换反应。u化学反应机理研究化学反应机理研究：1)化学键的形成方式。化学键的形成方式。2)反应中发生的分子重排反应中发生的分子重排、异构、裂解、水解、异构、裂解、水解过程。过程。3)催化反应中吸附催化机理、吸附分子寿命。催化反应中吸附催化机理、吸附分子寿命。426.2 在生物学中的应用在生物学中的应用43u研究植物的营养生理、对营养元素以及农药的研究植物的营养生理、对营养元素以及农药的吸附、转运、分配和积累规律。吸附、转运、分配和积累规律。u研究人和动物体内物质的吸收、分布、代谢和研究人和动物体内物质的吸收、分布、代谢和排泄情况。排泄情况。u为分子生物学提供原子和分子水平的研究手段为分子生物学提供原子和分子水平的研究手段u应用于基因工程应用于基因工程。446.3 在生物化学研究的应用在生物化学研究的应用u生物体内的物质代谢。生物体内的物质代谢。1)确定代谢途径或中间代谢环节。确定代谢途径或中间代谢环节。2)找出代谢物在体内发生变化之后的产物。找出代谢物在体内发生变化之后的产物。3)找出体内存在的各种生化物质的前身。找出体内存在的各种生化物质的前身。45u传统实验方法传统实验方法1)整体实验。整体实验。2)离体实验。离体实验。3)传统实验方法的缺点。传统实验方法的缺点。u同位素示踪法同位素示踪法1)示踪量，不破坏体内生理过程的平衡。示踪量，不破坏体内生理过程的平衡。2)3H（T1/2=12.3 y),14C(T1/2=5730 y)。3)液体闪烁测量液体闪烁测量;加速器质谱法加速器质谱法（AMS）。）。46研研究究光光合合作作用用纯化悬液，提取内含物纯化悬液，提取内含物双向纸层析分离双向纸层析分离放射自显影放射自显影6.3 在生物化学研究中的应用在生物化学研究中的应用476.4 在医学上的应用在医学上的应用Na131I 诊诊断甲状腺功能断甲状腺功能 口服示踪量口服示踪量Na131I，在甲状腺部位测量放在甲状腺部位测量放射性，求射性，求131I吸收率。吸收率。48u定义：定义：应用放射示踪剂测定体液中生物活性应用放射示踪剂测定体液中生物活性物质含量的体外检测技术。物质含量的体外检测技术。u原理：原理：放射性标记抗原和非标记抗原对限量放射性标记抗原和非标记抗原对限量特异性抗体的竞争抑制反应。特异性抗体的竞争抑制反应。u常见分析方法：常见分析方法：测量测量X和和射线样品的放免计数器射线样品的放免计数器测量软测量软射线样品的液体闪烁计数器射线样品的液体闪烁计数器6.4 医学上的应用医学上的应用 放射免疫分析（放射免疫分析（RIA）491)糖尿病人血浆中胰岛素浓度；糖尿病人血浆中胰岛素浓度；2)125I-T4,血清中甲状腺素浓度；血清中甲状腺素浓度；3)内分泌学内分泌学,肿瘤学肿瘤学,免疫学免疫学,病毒学等病毒学等;4)测定测定300多种人体活性物质多种人体活性物质和药物和药物,灵敏度达灵敏度达10-9 10-12g 6.4 医学上的应用医学上的应用 放射免疫分析（放射免疫分析（RIA）50 放射性示踪剂以某种化合物的形式给药放射性示踪剂以某种化合物的形式给药.诊断是根据这些诊断是根据这些放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。放射性化合物进入人体特定部位并在那些部位浓集的能力。131I59Fe32P99Tc23Na 8.1 d45.1 d14.3 d6.0 h14.8 h 甲状腺甲状腺红血细胞红血细胞眼眼,肝肝,瘤瘤心脏心脏,骨骨,肝肝,肺肺循环系统循环系统辐射源辐射源半衰期半衰期检查部位检查部位516.5 环境同位素示踪体系研究环境同位素示踪体系研究我国城市和乡村环境污染查定体系较为健全，我国城市和乡村环境污染查定体系较为健全，但但环境污染源的确定环境污染源的确定，尚无人开展。特别是，尚无人开展。特别是重金属是否侵入体内及其它污染源的确定。重金属是否侵入体内及其它污染源的确定。运用同位素理论，进行城市环境污染同位素运用同位素理论，进行城市环境污染同位素示踪研究，确定贵金属是否侵入人体内，以示踪研究，确定贵金属是否侵入人体内，以便为环境治理提供决策依据。便为环境治理提供决策依据。52地下水渗透和水库泄漏地下水渗透和水库泄漏同位素示踪体系研究。同位素示踪体系研究。我国南方大量发育碳酸盐岩地层，这种地层我国南方大量发育碳酸盐岩地层，这种地层不易保存水，因此地下水和水库坝区水容易不易保存水，因此地下水和水库坝区水容易渗透或泄漏，运用同位素示踪的方法可以较渗透或泄漏，运用同位素示踪的方法可以较快查明渗透或泄漏过程及其区域，给综合治快查明渗透或泄漏过程及其区域，给综合治理提供决策依据。理提供决策依据。53大气环境过程中同位素鉴别，我国南方大部大气环境过程中同位素鉴别，我国南方大部分工业城市大气污染较为严重，这些分工业城市大气污染较为严重，这些污染的污染的发源地发源地一直难以鉴别，同位素示踪可以很好一直难以鉴别，同位素示踪可以很好解决这个问题。解决这个问题。54133Xe-地地下管道检漏下管道检漏6.5 环境同位素示踪体系研究环境同位素示踪体系研究556.6567 放射性核素的来源u反应堆生产：反应堆生产：131I、133Xe、24Na、99Mo中子流中子流 靶材料靶材料产额决定于中子能量、通量密度、靶核数、核反产额决定于中子能量、通量密度、靶核数、核反应截面、照射时间等。应截面、照射时间等。u加速器生产：加速器生产：11C、13N、15O带电粒子（带电粒子（p、He、等）等）靶材料。靶材料。小型化、投资少、结构紧凑。小型化、投资少、结构紧凑。578 放射性示踪发展展望u今后的发展方向今后的发展方向 珠联璧合珠联璧合核辐射探测技术的核辐射探测技术的高灵敏度高灵敏度+现代现代计算机计算机技术技术58思考题：思考题：1.同位素示踪法的原理同位素示踪法的原理2.同位素示踪法的关键性技术同位素示踪法的关键性技术3.放射性示踪法的特点放射性示踪法的特点4.4.放射性示踪剂的选择依据放射性示踪剂的选择依据59此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！60