第三篇-放射性同位素示踪技术

1放射性同位素示踪技术（RIT）(RadioactiveIsotopeTracerTechnique)第三篇2示踪剂为观察、研究和测量某物质在指定过程中的行为或性质而加入的一种标记物。Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。放射性同位素示踪技术：在被研究的样品中加入示踪剂，然后通过测量示踪剂的位置和数量，追踪被测样品内部示踪原子射性水平的变化及其活动情况来显示被研究样品的动和变化规律的分析技术。3放射性示踪技术的优点：1)灵敏度高，可测到10-14-10-18克水平；e.g.32P探测灵敏度可达10-17g;2)方法简便，不易受其它非放射性物质干扰；3)定位定量准确；4)符合生理条件；4放射性示踪技术的缺点：1)某些轻元素分析受同位素效应限制；e.g.1H与2H；2)个别元素找不到合适的同位素，e.g.F；3)实验生物体所受规定辐射剂量限制了示踪剂的选择范围。5一、RIT基本原理对于含有x个A类原子和y个放射性核素A*原子的系统S，经过变化进入Z或Z*状态，可示意表示为：S(xA,yA*)Z(x’A,y’A*)Z*(x’’A,y’’A*)认为同种元素的各种同位素的物理化学行为相同，而同位素效应可以忽略的情况下，则：6即非放射性原子和放射性原子将有相等的分数进入变化生成的中间产物或昀终产物之中。这是放射性示踪技术的基本性质。x'y'x''y''==xyxy7二、RIT基本条件及步骤示踪剂如何选择？如何制取及标记？记化合物的质量控制？811、放射性示踪剂的选择、放射性示踪剂的选择（（11）类型选择）类型选择化学型RIT：要求示踪剂在化学上与被示踪物质相同；e.g.研究化学反应动力学、溶解度、蒸气压，以原子或分子的扩散为主的过程中实例：NaOH(24NaOH)，CO2(14CO2)9物理型RIT：不需要与被示踪物质具有化学上的同一性，只需要满足有限的几种不太严格的物理、化学条件要求；e.g.高黏度流体研究、破裂/泄漏测量可活化RIT：指那些用中子或带电粒子活化可以测量的非放射性示踪剂；相比直接用RIT示踪，它不会引起任何辐射损伤、可长期储存；e.g.参见中子活化分析10无载体RIT：可用极少的量达到极高的分析灵敏度。无载体放射性同位素的获取：1)化学分离法；2)高通量快中子照射；3)高通量热中子照射铀，回收提取其裂变产物；4)高通量光子、带电粒子照射。11（（22）放射性质选择）放射性质选择射线种类：β射线在同等强度下易于防护；γ射线穿透力强，且便于能量甄别，可进行多元素RIT；α射线射程太短，一般不用；半衰期：较短不易操作，较长不便防护及后处理12•放射性比（活）度A：p.s.单位质量或单位体积的放射性物质的放射性活度为放射性比度其单位有：kBq/kg、μCi/g至少应满足：ACK/DBC-原始放射性物质用量；K-计数效率；D-冲稀倍数；B-本底计数，A-稀释前的比度至多不超过剂量安全限制•此外，RIT核素以射线能量单一、生物毒性小、易于获得为宜，也要考虑标记分子的稳定性、纯度、比活度、标记难度以及标记反应的可重复性等.1322、示踪同位素的制备、示踪同位素的制备•反应堆e.g.57Co(n,γ)60Co,14N(n,p)14C,238U(n,γ)→…→241Am,32S(n,p)32P,6Li(n,α)3H分离铀裂变产物得到99Mo、131I、89Sr（锶）•加速器e.g.14N(p,α)11C，20Ne(d,α)18F,127I(p,5n)123Xe→123I,203Tl(p,3n)201Pb→201Tl•放射性核素发生器e.g.99Mo-99Tcm（锝）核母牛，113Sn-113mIn发生器，68Ge-68mGa发生器141533、放射性示踪剂的标记、放射性示踪剂的标记•在多数情况下，标记过程越快越好，以免大量放射性物质衰变掉。•可分为：化学合成标记法、同位素交换标记法、生物合成标记法、辐射合成标记法、碘标记化合物（氯胺-T法）16（（11）化学合成标记法）化学合成标记法通过化学反应将放射性核素引入化合物。•e.g.14CO2，35SO2•优点：可以定位标记；结合键稳定、牢固•缺点：一般步骤较多17（（22）同位素交换标记法）同位素交换标记法两种不同分子之间用同一元素的同位素相互替代。•E.g.2H2O中的2H交换有机化合物中的1H•优点：操作简便、快捷•缺点：标记多不牢靠；难以标记特定位置18（（33）生物合成标记法）生物合成标记法利用酶、微生物、植物或动物的生理代谢过程，在引入放射性核素后合成有机标记化合物。•E.g.14C标记尿酸，35S标记维生素•优点：可标记区分光学异构体及生物活性分子；有时是唯一标记方法；合成产物具有生物性•缺点：合成产额低；标记位置不易控制；分离提纯复杂；对机体产生辐射损伤19（（44）辐射合成标记法）辐射合成标记法通过中子、带电粒子、γ射线等，活化化合物中的某种原子而得到标记化合物。•E.g.中子活化60Co标记维生素12B•优点：有时是唯一或特异性昀好的标记方法;•缺点：辐射过程的破坏作用限制了其使用范围；产额、比活度不高;20（（55）放射性碘标记法）放射性碘标记法•针对125I、131I、123I，主要用于放射性免疫分析，目前常用氯胺T法。氯胺T：生产糖精的副产品，常用作印染漂白剂，是一种温和的氧化剂，在水溶液中产生次氯酸，可使碘阴离子(常用Na125I)氧化成碘分子。活性碘可取代肽链上的一个或两个氢，使之成为含有放射性碘的多肽链。2144、放射性标记化合物的质量控制、放射性标记化合物的质量控制•体内用与体外用标记化合物质量控制指标不尽相同，体内用标记化合物除满足一般药物外，尚须进行多种控制。•以体内用标记化合物为例，在此分六方面介绍：物理控制、化学控制、制剂控制、生物学控制、稳定性控制、测量精度控制.22（（11）物理控制）物理控制•主要包括放射性核纯度鉴定和放射性活度测量;•放射性核纯度鉴定一般采用能谱分析法；Ge(Li)能谱仪;•放射性活度测量经绝对测量刻度过的电离室、流气正比计数器、液体闪烁计数器;NaI(Tl)γ闪烁谱仪、Ge(Li)能谱仪;23（（22）化学控制）化学控制•标记化合物的放射化学纯度测定层析、电泳、高压液体色谱、反向同位素稀释•溶液pH值测量产品的稳定性和它的生理行为明显受pH值影响，所以标记物溶液的pH值也应控制•标记化合物浓度测定以及化学杂质的控制溶点、沸点、折光率、旋光率、磁共振谱、紫外/红外分析24（（33）（药物）制剂控制）（药物）制剂控制•有害元素控制，e.g.As，Pb，Hg•沉淀物控制，e.g.氢氧化物沉淀，硫化物沉淀25（（44）生物学控制）生物学控制•药用标记化合物一般应按照国家药典规定，进行无菌、热源检查，体内分布试验和生物毒性试验;•无菌化通常不能用热消毒和射线灭菌（会破坏生物活性），而要用微孔过滤灭菌;•无热源以免破坏生物活性;26（（55）稳定性控制）稳定性控制•标记化合物的稳定性取决于：化合物本身性质、标记原子放出射线而产生自辐射分解情况•辐射分解1)初级内辐射分解标记化合物由于放射性标记原子的核衰变而产生的辐射分解效应；e.g.14CH314CH3（乙烷）→14CH314NH2（甲胺）2)初级外辐射分解放射性标记原子放出射线直接作用于化合物分子，引起分子化学键断裂，造成分解作用；~比活度&浓273)次级辐射分解由上述分解产生的活性游离基团引起，e.g.HO、H、O对于14C和3H的标记化合物尤为严重;28标记化合物的自辐射分解主要取决于：•标记化合物吸收射线能量的效率；自辐照分解可用盖革-米勒(G-M)值衡量，即每吸收100eV射线能量产生的分解百分数。其主要受射线种类及能量影响，也和化合物类型有关。•标记化合物的浓度和放射性比活度；29（（66）测量精度控制）测量精度控制•制样：被示踪样品，通常要经过提取、精制及纯化过程，制成固体、液体或气体试样;方法：沉淀分离、萃取分离、离子交换分离、层析离;•测量：固体、精度要求高——Ge(Li)探测器精度要求低——闪烁计数器3055、放射性示踪的基本步骤、放射性示踪的基本步骤•概括得到：制备示踪剂→标记待测物→加入待测系统→取样处理→放射性测量→结果分析31B-金属套管;C-铅块;D-波纹管;E-待测管路中的液体;F-弹簧;阻塞检查三、RIT的具体应用1、物质的鉴别和探32•在地表用灵敏的辐射探测器测量出关键部分，确定阻塞的确切位置；•所需60Co（半衰期约5.3年）活度约为7～20GBq（因管道通常埋在地表以下约1～1.5m深的位置）3334•泄露前的本底；•将放射γ射线的液体放射性同位素示踪剂注入管道，进行示踪研究；•注入示踪剂1h后，装在液压驱动阻塞检查器中的探测器（通常是用电池作电源的GM探测器，输出信号用磁带录音机记录）开始监测残留放射性；•管子末端卸下磁带，重新播放，其信号用记录仪记录；•小峰代表管道破裂，大峰对应于参考辐射源；3536•地下充气电话电缆长置于陶瓷管里；•82Br（半衰期36h）标记的溴乙烷来进行检测；•被检验的电缆与含有标记过的溴乙烷的压力容器相连接；•如有泄露，放射性蒸气将进入陶瓷管进而进入过滤器（含有活性炭，吸附溴化物效率高）37高炉护衬耐火材料磨损情况的测定（冶金）•将适量的放射性同位素（一般用60Co）埋入炉衬耐火材料一定深度（磨损极限深度）的位置上；•在生产过程中，定期检查铸铁及铁渣的放射性，根据放射性强度的变化情况,得知炉衬的磨损情况；38机械零件磨损情况测定•大型发电厂的内燃机一般不停机，活塞和曲轴连杆须连续工作；•（方法一）定期检修更换；•（方法二）使用中子照射活塞环，使活塞环中的金属铁形成放射性同位素铁；•内燃机运行中，金属铁磨损产生的微粒会脱落活塞环而落入机器润滑油中；•将润滑油与探测器相连，测出其中放射性铁的含量，以判断活塞和活塞环是否需要更换；39通过放射技术即时测算发动机损耗情况扫描汽车发动机以检测齿轮受辐照的齿轮齿尖汽油过滤器与伽马监测器装配记数率计计算机40测量血液循环速度（疾病诊断）•测量时让病人仰卧在病床上，然后从手关节处注入含有放射性24Na（半衰期15h）的食盐溶液；•利用探测器测量放射性钠放出的γ射线，确定血液由手关节流到脚（或其它部位）所需要的时间，以确定是否患动脉硬化或静脉扩张；•动脉硬化－血流时间105秒；静脉扩张－30秒；正常人－43秒左右；41辐射监测器注入放射源24Na测量血液循环速度（动脉硬化/静脉扩张诊断）医4222、渗透和扩散、渗透和扩散•常用氘水考查各种装置的水密性及测量均匀物质材料的渗透系数、扩散系数和孔隙度等；•用溶于水的阳离子如铯、锶、钴等研究吸附现象；③①②43设板材厚度为L，表面积面积为S，板材两面间的压差ΔP,渗透/扩散质量流率F(量纲M·T-1)，渗透的描述：达西定律(Darcy’sLaw)K为渗透系数(L·T-1)PFKSLΔ=44设板材厚度为L，过流截面积为S，板材两面间的压差ΔP,渗透/扩散质量流率F(量纲M·T-1)，示踪剂质量浓度为C(量纲M·T-1)•扩散的描述：斐克定律(Fick’sLaw)D为稳态时的扩散系数(L·T-1)CFDSL∂=−∂i45实际应用中，涉及到多学科的交叉，不妨分为以下几大类，以字母标示：•I：物质的鉴定和示踪•L：泄漏和破损的探测•V：流速（率）测定•MT：工业过程中的物料运输•M：物质总量测定•W：磨损研究•H：混合物均匀性研究3、各方面应用各方面应用46应用领域应用性质研究项目I未爆炸的装药位置L矿井中水渗漏；地下气化作用V悬浮速度；矿井中空气运动MT浮选机理W管道的缺陷；润滑剂和机器部分磨损之间的关联H干物料的均匀化探矿47应用领域应用性质研究项目I土壤水分蒸发速度；肥效；土壤组成和灌溉对产量的影响；酒的鉴别；河流和海洋中捕鱼业的废物；污水在水系中的分布L灌溉渠道和管道的缺陷V灌溉系统的流速；水流运动；土壤中水贮量；啤酒和果酒贮存罐的容量；作物贮藏时的空气干燥；贮藏室和工厂的通风M