同位素分析法

L/O/G/O同位素分析法张玉杰2009年一、概念-同位素分析单独使用同位素标记检测（技术）或与其他方法相结合或以同位素丰度比值进行药物体内外分析的方法。第一节概述二、同位素分析法的特点精密度和灵敏度高；剂量小；方法简便、准确性好；提供原子、分子水平的研究手段(微观作用机理、动态变化过程)合乎生理条件(不扰乱体内生理过程的平衡状态)定量、定位准确；缺点与局限（放射性同位素）需专用的实验条件；一定专门训练的技术人员；实验中需要采取必要的防护措施;同位素效应问题.三、同位素法的基本依据一种元素的同位素具有相同的化学性质自然界中核素的丰度是一个确定的值以碳元素为例，稳定同位素有12C和13C两种形式，分别占总额含量的98.893%和1.107%(共100%)。放射性同位素具有物质性质差异的可测性四、同位素分析法的分类稳定同位素——稳定同位素分析法放射性同位素——放射性同位素分析法六、同位素分析的主要应用领域药代动力学研究中的应用（放射和稳定核素示踪）制剂体内运行规律研究（靶向，定位释放）生物样品中微量物质的分析药物作用机理和药效评价的研究（物质代放谢的研究，物质转化的研究）药物开发研究中的应用重要性：第二节核物理基本知识一原子结构1.原子结构表示:AX如：131I,125I，18F电子排布：2n2原子质量数：原子基态与激发态：原子核的稳定性：2.同位素、核素、同质异能素同位素是指质子数相同而质量数（中子数）不同的原子。1H，2H和3H；12C，13C和14C互为同位素。同位素核素原子核的质子数、中子数和原子核所处的能量状态均相同的原子，举例：1H，2H，12C，13C，125I同质异能素原子核的质子数、中子数都相同但原子核所处的能量状态不同的核素。基态与激发态，表示方法99Tc和99mTc99mTc与99Tc互为同质异能素二放射性核素及其衰变特征放射性核素:放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。226Ra→α,β粒子和γ射线→222Rn稳定性核素:稳定性同位素无放射性，物理性质稳定，以一定比例存在于自然界，对人体无害，可采取化学合成的方法将其标记到药物分中去，在生物样本中的标记药物和未标记药物的浓度可运用GC-MS或LC-MS方法同时被检测。常用的稳定同位素有2H、13C、15N和18O四种1.放射性核素2.放射性核衰变:放射性核素的原子核自发地放出射线，并转变成新的原子核的过程；衰变规律：原子核衰变时前后的电荷数和质量数都守恒。举例32-15P→32-16S+β-规律：MZX→M-4Z-2Y+He(α)MZX→MZ+1Y+β3.放射性核素的特点放射性核素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等，但是放射性核素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线;放出的射线由原子核决定的;放射性核素具有一定的寿命。4.半衰期即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半所用的时间如：32P的半衰期为14.3天，即原来有100万个32P原子，经过14.3天后，只剩下50万个.5.放射性核衰变的类型α衰变β-衰变β＋衰变（正电子衰变）电子俘获衰变γ衰变(1)α衰变不稳定原子核自发地放射出α粒子而变成另一核素的过程称作α衰变。α粒子由2个质子和2个中子组成（氦原子核），带正电荷。α粒子（射线）的特性：电离和激发能力强;穿透能力较差。(2)β-衰变如：由32P到32S的衰变32P→32S+β-+v+Q不稳定原子核自发地放射出β-粒子而变成另一核素的过程称作β-衰变。β-粒子（射线）是高速运动的负电子流β-粒子的特性：穿透力弱电离和激发作用较强(3)β＋衰变（正电子衰变）由于核内中子缺乏致使放射出正电子的衰变，称为正电子衰变或β＋衰变。如；18F→18O+β＋+v+Q正电子的特性:射程只有１～2mm,主要用于医学显像诊断。(4)电子俘获衰变原子核俘获一个核外轨道电子使核内一个质子转变成一个中子，发生在缺中子的原子核.如：125I+e→125Te+γ(1)核外电子被俘获进原子核内，外层电子向内层补充，放射出X射线(2)或将能量传给更外层电子使其成为自由电子（俄歇电子）（3）电子俘获后，有时原子核还有较高能量，处于激发态，放射出γ射线而回复到基态。（4）或把能量转给一个核外电子，使之发射出去，称为内转换电子。电子俘获衰变核素所发射的特征Ｘ射线、γ射线可用于核素显像（如111In,67Ga,201TI）,电子俘获衰变核素125I广泛用于体外分析中。(5)γ衰变激发态的原子核以放射出γ射线（光子）的形式释放能量而跃迁到较低能量级的过程称作γ衰变。常继发在α、β-衰变后。如：99mTc的衰变99mTc→99Tc＋γ＋Ｑγ射线:是中性的光子流γ射线的特性:电离能力很小，穿透力最强，射程最大，1MeV的γ射线在空气中的射程约有1米之远；γ射线作用于物质可产生光电效应、康普顿效应和电子对效应，它不会被物质完全吸收，只会随着物质厚度的增加而逐渐减弱。三射线与物质的相互作用（一）带电粒子与物质的作用1电离作用2激发作用3散射作用4轫致辐射5吸收作用电离作用是指α、β等带电粒子使物质中的原子失去轨道电子而形成自由电子和正离子的过程。入射粒子的电荷量越大，电离作用越强；所以，α粒子的电离本领比β粒子大得多；若脱离出来的电子的能量足够大，它又可使其他原子电离，称为次级电离；在单位路径中形成的离子对数为电离密度，是反映电离本领的指标。激发作用带电粒子通过物质时，原子的电子获得能量而使其从内层轨道跳到外层轨道，这时原子从稳定状态变成激发状态，这种作用成为激发作用；被激发的原子极不稳定，很快由激发态退回到稳定的基态同时放出X射线以释放多余的能量。*电离和激发作用是一些探测器工作的物质基础，是射线引起物理、化学变化和生物效应的机制之一。散射作用β射线由于质量小，行进途中易受介质原子核静电场的作用而改变原来的运动方向，这种现象称为散射。一般带电粒子在物质中通过可能经过多次散射。高能量快速运动的β粒子，突然被原子序数高的物质（如铅）阻止后，急剧降低速度，电子的一部分或全部动能转化为连续能量的X射线发射出来，这种现象叫轫致辐射。它发生的几率与β射线的能量和物质的原子序数成正比，因此在防护上采用低密度材料，以减少轫致辐射。β射线能被不太厚的铝层等吸收。轫致辐射吸收作用带电粒子使物质的原子发生电离和激发的过程中，射线的能量全部耗尽，射线不再存在称做吸收作用。带电粒子在物质中沿运动轨迹所经过的距离称为射程。带电粒子的能量损失与粒子的动能和吸收物质的性质有关，所以射程能比较直观地反映带电粒子贯穿本领的大小。（二）光子与物质的相互作用1光电效应2康普顿效应3电子对生成光电效应γ光子与靶物质原子相互作用，γ光子的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原子中发射出来，γ光子本身消失。留下的电子空位立即被外层电子填充，随即发射X射线和俄歇电子。发射出的电子称为光电子，光电子按β粒子同样的方式，将其能量电离，其它原子则消耗掉。光电效应康普顿效应入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而光子的运动方向和能量都发生都发生了变化，成为散射光子；康普顿电子象光电效应中的情况一样，按与β粒子相同的方式消散它的能量，散射光子进一步通过光电或康普顿过程被吸收。康普顿效应电子对效应——γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。电子对生成效应第三节放射性强度及其度量单位1Bq=1s-11Ci=3.7×1010Bq1Bq=2.7×10-11Ci1mCi=37MBq1μCi=37kBq放射性强度是指单位时间内发生衰变的原子核数,单位用贝可（becquered,Bq）表示,为1秒钟内发生一次核衰变。1放射性强度(放射性活度)1kBq=103Bq1MBq=106Bq1GBq=109Bq2比放射性强度（比活度）表示单位重量药物中含有的放射性强度(活度)。以此表示物质中放射性核素的含量.C=A/mC:放射性比活度,单位是Bq/g,MBq/g,MBq/molA:核素的放射性强度,单位是Bqm:物质的质量,单位是g放射性浓度单位体积溶液中所含的放射性活度，单位是Bq/ml,Bq/L,mCi/ml。3放射性化学纯度（放化纯度）供使用的放射性药物中所需要的标记药物的放射性强度占总放射性强度的百分比。一般要求90～95%第四节放射性同位素的检测一.方法(闪烁计数法)γ计数法：放出γ射线的同位素（125I）及其标记药物的检测（简单）液体闪烁计数法：用于检测低能β-射线发射体（如3H，14C及其标记药物）（复杂）测量结果表示计数率—射线每分钟的计数次数（cpm）Bq=cpm/EBq放射性强度（每分钟衰变数）cpm计数率E计数效率计数效率（探测效率）：被探测的放射性物质所放射的总粒子或总光子与探测系统所记录的脉冲数之比称探测效率EE=记录到探测系统的脉冲数/射向探测器源发射总粒子数×100%二γ计数法（一）探测原理其与物质作用的机制是：光电效应，康谱顿效应和生成电子对后产生次级电子—引起物质电离和激发.γ射线→碘化钠（光电效应，康谱顿效应和生成电子对）→次级电子→光子（荧光）→光电倍增管三液体闪烁计数法1探测原理闪烁体溶液：由溶剂和溶质（又称闪烁体）组成。溶剂——吸收辐射能量和溶解样品的作用溶质（闪烁体）——从受激溶剂分子得到能量，然后发出闪光（荧光）（1）溶剂常为芳香族化合物，如：甲苯（亲脂性放射性药物），二氧杂环己烷（亲水性放射性药物）（2）溶质（闪烁体）高效荧光体有机分子闪烁液产生光子的过程：α，β射线溶剂分子吸收溶剂分子吸收hv激发发射光子光子→闪烁体吸收hv发出光子→光电倍增管2样品制备使待测样品充分溶解在闪烁体溶液中，使放射能尽量转变为光能；排除样品中荧光淬灭物质的干扰可使用增溶剂等，不溶物可制成乳剂等。颜色较深者，可采用氧化脱色或氧化成无机物。第五节药物研究中常用的放射性同位素及注意事项一药物研究常用放射性同位素同位素符号半衰期β射线能量（MeV）*氢－3（氚）3H12.3y0.018低能β（软β）碳－1414C5720y0.156中等能量β碘－131131I8.05d0.605中等能量β*碘－125125I60dγ射线磷－3232P14.3d1.71高能β（硬β）硫－3535S87.1d0.167中等能量β*锝-9999mTc6.01h低能γ射线物质代谢转化研究:3H,14C,32P;体外放射分析:125I;临床脏器功能测定和显像:131I,99mTc,111In1.3H（氚）氢（1H）这种元素有两种同位素2H和3H；在自然界中氢主要以1H的形式存在；3H的半衰期比较长，标记药物在使用期间不用考虑放射性强弱的衰减问题；放出的是能量较低的软β射线注意问题2.14C自然界中碳的同位素主要是12C，13C，14C是人工制取的。14C的标记也比较困难，但其一般成为有机化合物骨架的一部分，代谢过程中一般不会失去。3.125I125I有合适的半衰期;标记物很容易制备;放出γ射线能量高，很容易用γ测定仪测出，因此应用非常普遍;由于其放出的γ射线能量较高，对人体有伤害，因此要特别注意防护。499mTc是99Tc的激发态;它的半衰期只有6.01小时;由99Mo-99mTc发射器获得;发射单纯低能γ射线，能量为140KeV;由于99mTc的化学性质非常活泼，容易标记各种化合物，射线能量合适，产生的图像质量很高，因此被广泛用于医学科研与临床。二放射性同位素使用中的注意事项1.同位素效应是指同位素标记药物后引起药物理化性质的变化2.放射性的危害内照射外照射3.防护的必要性（1）试验人员的自我防护3H，14C要防止内辐射125I要防止外照射（2）放射性去污染和放射性废物处理废液固体第六节放射性标记物的制备一标记方法（一）125I标记I原子的化学性质活泼，可采用取代反