[科普中国]-示踪元素

简介

示踪元素是用于追踪物质运行和变化过程的同位素。以示踪元素标记的化合物，其化学性质不变，而可根据放射性或原子质量差异予以追踪。用示踪元素研究化学反应、生物代谢途径等的方法，称“同位素标记法”。广泛应用于生物学、医学、农业、工业和科学研究1。

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2。示踪元素也可用于追踪于天然系统（natural system）中的分布，例如细胞或组织。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。示踪元素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）。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。

氢简介氚3（音‘chuān’），英文名称：Tritium，亦称超重氢，是氢的同位素之一，元素符号为T或3H。它的原子核由一个质子和两个中子所组成，并带有放射性，会发生β衰变，其半衰期为12.43年，原子量3.016u。

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。

应用由于氚不仅具有适宜的核物理性质，并具有价廉、毒性较低、比活度较高和放射自显影良好等优点4，所以氚及其标记化合物在军事、工业、水文、地质，以及各个科学研究领域里均起着重要的作用；在生命科学的许多研究工作中，氚标记化合物则是必不可少的研究工具。例如，酶的作用机理和分析、细胞学、分子生物学、受体结合研究、放射免疫分析、药物代谢动力学，以及癌症的诊断和治疗等，都离不开氚标记化合物。在使用氚标记化合物进行示踪实验时，必须注意氢的同位素效应、自辐解和在实验条件下氚标记化合物的稳定性问题，以求获得正确的实验结果。

碳简介碳143是碳元素的一种具放射性的同位素，它是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生。碳-14原子核由6个质子和8个中子组成。其半衰期约为5,730±40年，衰变方式为β衰变，碳14原子转变为氮-14原子。

碳14是 自然界中碳素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C。 14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测定年代法的一种，其他常用的还有钾-氩法测定，钾-氩法测定，热释光测定等；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。在地球上有99%的碳以碳-12的形式存在，有大约1%的碳以碳-13的形式存在，只有兆分之一（0.0000000001%）是碳-14，存在于大气中，由大气中氮与宇宙射线作用生成，其丰度基本保持不变，是生物圈中碳-14的来源。

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。

应用碳-14标记化合物广泛应用于化学、生物学、医学领域中，采用放射性标记化合物进行示踪，具有方法简单、易于追踪、准确性和灵敏性高等特点5。

氮简介自然界中氮元素含14N和15N 2种稳定同位素3，其中15N含量为0.365%(原子百分比)，14N为99.635%。氮钓放射性同位素寿命短，寿命最长的是13N，它的半衰期也仅10min，应用不便，因此15N作为氮化合物的示踪原子在农业、医学和生物化学方面获得了广泛的应用。分离15N最有效的方法是一氧化氮/硝酸体系的化学交换法，在德国采用该法可生产250种以上15n标记化合物。另一方法是一氧化氮精馏法，也可获得15N，但同时得到17O和18O。

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

应用
N适用在正电子发射断层扫描（PET扫描）6。

氟简介F3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。

应用它在PET扫描中被用来标记氟脱氧葡萄糖（fluorodeoxyglucose，FDG）6。

磷简介元素磷3的一种放射性同位素。符号婥P，简写为P。磷32是1935年用镭铍中子源照射二硫化碳首次制得的。磷32是纯β衰变核素，β射线的最大能量为1.711兆电子伏。半衰期为14.3天。3.7×10贝可的磷32重3.49×10毫克。

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。

应用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。

在农业上，磷32可用作示踪原子7，研究植物的营养吸收、分布和代谢机理，研究农药的吸收、转运、积累、降解、残留、排除等的规律,为合理施肥、农药选择和安全使用提供科学依据。

硫硫-353是质量数为35的硫的放射性核素，半衰期87.48天，发射βˉ辐射。最大能量0.167兆电子伏。可从反应堆中以中子轰击S-34或Cl-35制得。用作化学反应和蛋白质代谢等研究的示踪剂，制备标记化合物以及治疗软骨肉瘤

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。

应用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。

锝简介锝3（Technetium），中国大陆称锝、港澳称鍀、台湾称鎝，元素符号Tc，为银白色金属，原子序数43，原子量98.9062。

Tc是一种用途很广的放射性同位素。它很容易在锝-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，形成过鎝酸盐 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作为高鎝酸盐的溶解钠盐。过鎝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 ）而使鎝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。

应用因为同位素Tc-97具有260万年的长半衰期，故用于化学研究。过锝酸盐是钢的良好缓蚀剂。锝在冶金中用作示踪剂，还用于低温化学及抗腐蚀产品中，亦用作核燃料燃耗测定。

锝99m，一种锝的半衰期极短的不稳定同位素，是核医学临床诊断中应用最广的医用核素，常用锝(Tc-99m)焦磷酸盐注射液拼音名 （TECHNETIUM [99mTc] PYROPHOSPHATE INJECTION）。用99Tcm标记的用于诊断脏器疾病和功能的放射性显像剂。从99Mo-99Tcm-发生器用生理盐水淋洗得到的是99TcmO4-，用于甲状腺显像。但多数情况下用还原剂还原成+1，+3，+4和+5价离子与含O，N，S，P等供体原子的化合物反应制成放射性药的。99Tcm放射性药物不仅用于状态图像诊断，而且还可用于功能(如脑、心肌，肝功能等)诊断，已占诊断用放射性显像剂的约85%，可用于诊断脑、心肌和肿瘤等疾病和几乎所有脏器疾病。

碘简介元素周期表53号元素碘3，在化学元素周期表中位于5周期系ⅦA族是卤族元素之一。碘-131是元素碘的一种放射性同位素，为人工放射性核素（核裂变产物），符号为I-131，半衰期为8.3天。正常情况下自然界是不会存在的

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。

应用还可用来标记许多化合物，供体内或体外诊断疾病用。如碘131标记的玫瑰红钠盐和马尿酸钠就是常用的肝、胆和肾等的扫描显像剂8。除了核医学方面的应用外，碘131还可用来寻找地下水和测定地下水的流速、流向，查找地下管道泄漏；测定油田注水井各油层吸水能力及其变化，以便及时有效地采取措施，调节水流的分配，保持油井的高产稳产等。