核技术应用

第二节　核技术应用

同位素示踪

同位素示踪是用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂，研究化学、生物或其它过程的方法。放射性核素或稀有稳定核素的原子、分子及其化合物，与普通物质的相应原子、分子及其化合物具有相同的化学、生物学性质。例如，含有放射性核素的食物、药物或代谢物质，与相应的非放射性的食物、药物或代谢物质在生物体内所发生的化学变化及生物学过程完全相同。可以利用放射性核素的原子作为一种标记，制成含有这种标记核素的食物、药物或代谢物质。由于放射性核素能不断地发射具有一定特征的射线，通过放射性探测方法，可以随时追踪含有放射性核素的标记物在体内或体外的位置及其数量的运动变化情况。如果用稳定核素原子作为标记，则通过探测该原子的特征质量的方法追踪。

示踪原子（又称标记原子），是其核物理特征易于探测的原子。含有示踪原子的化合物称为标记化合物。在特殊情况下，有时也采用标记的细胞、微生物、动植物等各类标记物。

1912年赫维西首先试用同位素示踪技术，并陆续作了许多工作。由于其开创性贡献，赫维西1943年获得了诺贝尔化学奖。从20世纪30年代开始，随着重氧同位索和人工放射性核素的发现，同位素示踪方法大量应用于生命科学、医学、化学等领域。同位素示踪一方面使人们的观察和识别本领提高到分子水平，另一方面广泛应用于地球环境的各类问题，甚至包括其它星球是否有生命存在之类的问题，为人们认识世界开辟了一个新的途径。国际原子能机构的一份公报指出：“从对技术影响的广度而论，可能只有现代电子学和数据处理才能与同位素相比。”

1．在生命科学中的应用

同位素示踪方法的应用，使人们可以从分子水平动态地观察生物体内或细胞内生理、生化过程，认识生命活动的物质基础。例如，用¹⁴C、¹⁸O等同位素研究光合作用，可以详细地阐明叶绿素如何利用二氧化碳和水，什么是从这些简单分子形成糖类等大分子的中间物，以及影响每步生物合成反应的条件等。又如，通过采用¹⁴ C、³H、³²P等同位素对核酸同蛋白质相互关系的研究，不但可以了解生物体内生成核酸和蛋白质的复杂过程，甚至可以了解生物遗传是如何实现的，乃至探讨人工改造遗传特征的可能性，因而产生了分子遗传学及遗传工程等新学科。

在生命科学中，示踪方法主要用于测定组织的成分、研究物质在生物体内的转移以及物质代谢转变三个方面。

①组织成分的测定。核素分析的测量灵敏度远比常用的化学分析高。最灵敏的化学分析能够测量1μg左右的物质，而能够被验定的放射性物质有时可以达到10^－8乃至10^－11μg量级。

例如蛋白质水解液中氨基酸含量的测定，体液中极微量的具有生物活性物质的测定，血浆胰岛素含量的测定，人体内铁、钴、钠、钙、镉、氮等元素的测定。

②物质在生物体内的转移。把待研究的物质加以标记，就有可能追踪这些物质在机体内的转移及其转移速度，研究吸收、摄取、浓集、分布、分泌、排泄、通透性、血流速度、肿瘤定位、分子内反应位置和药物作用原理等问题。例如，将磷—32标记的结核杆菌制成气溶胶，给小鼠吸入，于不同时间测定肺、食道、肝、肾等部位的放射性，就可以了解这种通过呼吸道感染的细菌在体内分布和贮留的规律。

放射性核素所产生的射线能使照相胶片感光，利用胶片来检查、测量和记录放射性的技术叫做放射自显影。放射自显影不但可以用来了解放射性物质在某些组织、器官、整体动物或其它标本内分布的情况，而且也是测量细胞水平生物样品内放射性的唯一方法。它已用于研究细胞结构、细胞生理、细胞病理及细胞的理化特性等问题。目前电子显微镜放射自显影技术的采用，对于开展亚细胞水平的实验研究更有利。

③物质的代谢转变。同位素示踪在生物学中最重要的应用是研究物质的代谢转变，也就是研究生命活动中不断进行的生物化学过程。

如果将以核素标记的物质A引入动物体，经过一段时间，从排出物或组织中分离出另一化合物B含有相当数量的上述标记核素，即可得出结论：A在动物体内可以转变为B。例如，将碳－14标记的糖喂给大鼠，发现从其脂肪中分离出的脂肪酸含有很高的放射性。这个简单的示踪实验证明了一个很重要的代谢规律，即糖在动物体内可以变成脂肪。这也解释了为什么吃了很多高淀粉的食品后，胖人会长得更胖。

示踪实验还证明了：体内许多大分子都是由很小的分子合成的。如胆固醇分子是由乙酸分子合成的。为了区分乙酸的两个碳原子，人们可以用碳－13标记羧基酸，碳－14标记甲基碳。在将此双标记的乙酸同大鼠的肝切片保温一段时间后，从肝脏提取出胆固醇。利用有机化学的降解方法，可以区分胆固醇分子中的每一个碳原子。实验结果表明：胆固醇中的所有碳原子都来自乙酸，而乙酸的两个碳原子都参加胆固醇的合成。胆固醇分子中乙酸的两个碳原子是有规律地排列着的。

如果给大鼠注射一种氮－15标记的氨基酸，氮－15很快就标记了动物体内的各种蛋白质。通过观察发现肝脏蛋白质中氮－15的含最在7天内减少了一半，即在7天中，一半的肝蛋白被更新了。组织内的各种成分都在不断更新，单位时间内某一代谢物在一定组织中被合成或被分解的速度，称为此代谢物在该组织内的更新率，它一般都用示踪实验测定。

示踪实验不仅确立了代谢转变中前身同产物的关系，也常用于探讨代谢转变是如何完成的。例如，将甲基用碳－14及氘双标记的蛋氨酸喂给大鼠后，从动物体内分离出的胆碱、肌酸及肌酸酐都含有两种标记，而且上述代谢产物中碳－14与氘的比值同蛋氨酸分子内该二核素的比值相等。这一事实证明，在转甲摹过程中，甲基是作为一个整体转移的。

2．在工业上的应用

在工业生产中，示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性，解决了不少技术上和理论上的问题。下面列举几种主要应用：

①确定扩散速度。金属间扩散的速度随温度而变。如用电镀的方法将¹¹⁰Ag、⁶⁴cu或⁶⁵Zn沉积在另种金属片的表面上，在特定温度中处理一定时间后，再从该金属片依序切下许多薄层，用探测仪器或放射自显影法测定每层的放射性，便可确定银、铜或锌在上述金属片内扩散的速度，以及温度对各种金属穿透深度的影响。

②测定机械磨损。用中子照射使易磨损部位的材料活化，通过测定磨下的碎屑的放射性即可测定磨损量。

③测定流体流速。某一时刻在流管上端某处注入少最示踪剂，在流管下端另一处测定示踪剂的到达时间，再根据两处的距离即可测定流体的流速。如测定石油在输油管中的流速等。

④合金结构分析。在一定比例的镍、铬、钨混合物中，加入少最放射性¹⁸⁵W，经熔炼后，将合金表面磨光，上面覆盖底片，进行放射自显影。所得图谱显示，钨在合金中分布成树枝状的斑纹。

用这种方法可以研究金属在不同冶炼过程中（或合金在热处理前后）的结构变化。

3．在医学上的应用

在医学上，同位素示踪主要用于诊断疾病。例如，利用同位素示踪剂被稀释的原理测定水容量、血容量；利用示踪剂移动及其速度测定血流量、肾功能、心脏功能、血栓形成、消化道失血；利用组织器官摄取示踪剂的数量检查甲状腺功能、发现肿瘤；利用示踪剂在组织器官的分布获得脏器影像、胎盘定位；利用示踪剂同相应被测物质对某一试剂竞争结合的原理或体内元素被粒子、光子等活化的原理测定体内或血、尿等标本中的微量成分；利用示踪剂在体内被代谢的程度或速度测定胃肠道吸收、肝功能、红细胞生成及其寿命。已用于医学的同位素不下100余种，其中最常用的有⁹⁹Tc、¹³¹I、¹²⁵I、32P、⁵¹Cr、⁵⁹ Fe、³H、¹¹³In等。（1）放射性同位素在医疗上的应用

①同位素诊断。这种诊断方法一般具有灵敏、简便、安全、无损伤等优点，用途非常广泛，几乎所有组织器官或系统的功能检查都可应用。最常用的同位素诊断可分为三类。

第一，体外脏器显像。有些试剂会有选择性地聚集到人体的某种组织或器官。以发射γ射线的同位素标记这类试剂，将该试剂给患者口服或注射后，利用照相机等探测仪器就可以从体外显示标记试剂在体内分布的情况，了解组织器官的形态和功能。例如硫化⁹⁹Tc胶体经注射进入血液后，能被肝脏的枯氏细胞摄取，探测仪器在体外的记录可显示出肝脏放射性物质的分布，从而可判断肝脏的大小、形态和位置，肝脏是否正常，有无肿块等等。

这种检查已成为肝癌诊断的不可缺少的方法。目前脏器显像已广泛用于肝、脑、心、肾、肺等主要组织、器官的形态和功能检查。同位素脏器显像不但反映脏器形态，而且可显示脏器的生化或生理功能。例如，肝闪烁图反映肝细胞吞噬功能、脑闪烁图反映血脑屏障功能、肺扫描则反映灌注或通气功能。闪烁照相还能够对某一器官连续摄影，使医生能够对器官功能和病理变化行动态观察。发射计算机断层仪是体外显像的一种先进工具，用它可灵敏地观察到同位素在体内任一平面的分布，也可以从许多断层影像重现三三维形象。采用适当标记试剂时，连闭上眼昕引起的脑中一定区域内血流量或葡萄糖代谢的细微变化，都可用此仪器测定出来。它在早诊断疾病上很有发展前途。

第二，脏器功能测定。测定器官功能的同位素方法。例如，测定甲状腺摄取¹³¹I离子的数最速度，以检查甲状腺功能状态；在注射（碘－131）－邻碘马尿酸后，用探测仪器同时记录两侧肾区射性起落变化曲线，以检查两侧肾脏血流情况、肾小管分泌功能和输尿管通畅程度；在注入⁵¹Cr标记的红细胞后，测定了其中放射性消失的速度，以查出红细胞寿命等。

第三，体外放射分析。用竞争放射分析这种超微量分析技术，可以准确测出血、尿等样品中小于10^－9—10^－15克的激素、药物、毒物等成分。用这种方法测定的具有生物活性的物质已达到百种。中国曾把这种技术用于妊娠早期检查、献血人员肝炎病毒检查、肝癌普查等。另外，还以通过中子活化分析测出头发、指甲、血、尿等样品中的各种微量元素，用来诊断微量元素异常引起的一些疾病。

②治疗。核射线有杀伤细胞的能力。用放射性碘治疗甲状腺功能亢进，是内服同位豢疗法爵成功的例子。用¹³¹I的β射线可有效地将甲状腺组织破坏，等于进行了一次“无刀手术”。³²P用于治疗真性红细胞增多症。还可采用放射性磷、锶等同位素敷贴疗法治疗血管瘤、湿疹、角炎症等浅表部位的皮肤病和眼科疾病。此外，钴－60治治疗机、电子感应加速器、直线加速器等外照射疗已成为治疗恶性肿瘸的重要手段，在癌症治疗中所占的比重高达70%左右，而且遍及癌症的绝大部分病种。

（2）放射性同位素在药学上的应用

①药物作用原理。几乎所有新药，在试用于临床之都要用同位素加以标记，以研究药物代谢的各种问题：物在胃肠道或注射部位的吸收；药物排出的途径及速；药物在体内的转变，包括代谢产物的数目、性质和排率；药物及其代谢产物在器官中或亚细胞结构内的浓和穿透情况；确定药物的“活性”代谢产物，并评价其药理作用。例如，可以用小动物整体切片放射自显影技术，观察标记药物在整个动物的各个组织器官中的定位和时相变化。

②药物活性。常用放射性试剂在体内的转移、转变情况作为某种生理、生化功能的指标，观药物列该指标的影响，以评价药物的药理活性。例如，可用放射性磷在患佝偻病大鼠骨骼中的积量，测定维生素D的强度；用86 Rb被心肌摄取的程度反映冠状动脉血流量，并初步筛选可能用于治疗冠心病的药物等。

③药物分析。竞争放射分析是定量监测血中药物浓度的可靠方法，既可发现患者有否服用性药物，又可保证治疗中有效而又安全地用药，也可用同位素稀释法测定杀虫药、抗菌素或其药物在某批产品中的准确含量。

④辐射消毒。大型⁶⁰Co源的γ射线或电子直线加速器的高能电子束都有杀死微生物的效应，都可用于辐射消毒。辐射消毒无须加热，故又称为“冷消毒”。许多不耐热的药品，如抗菌素、激素、酶制剂、抗凝剂、血浆、维生索、固醇类、咖啡因、吗啡、一些眼药膏等，最好用辐射消毒。另一种方法是将短半衰期的放射性同位素加到针剂中，进行内部照射，以达到消毒的目的。

4．在农业及畜牧业上的应用

示踪方法广泛应用于农业科学研究，并产生了巨大的经济效益。最主要的成果有施肥途径和肥效的研究；杀虫剂、除莠剂对昆虫和杂草的生物作用；植物激素、生长刺激素对农作物代谢和功能的影响；激素、维生素、微量元素、饲料、药物对家畜生长和发育的影响；以及用同位素标记昆虫、寄生虫、鱼及动物等所发现的这些大小动物的生命周期、迁徙规律、交配和觅食习性等。

放射性同位素在农业上的应用包括同位素辐射和同位素示踪两方面的应用。它们都是利用放射性同位素在原子核衰变时放出射线这一特性，但在利用方式和应用方法上两者截然不同。前者是利用放射性同位素放出的射线能量所造成的生物效应，诸如致死效应、绝育效应和诱变效应等；后者则是把放射性同位素引入动植物体内，再利用核探测仪跟踪机体对它的吸收、转移和积累的情况，以研究动植物的基本生理和生化过程、机体对营养物质的吸收代谢规律以及动植物同环境的关系等。

①辐射育种。1927年L·J·施塔德勒在玉米育种工作中首先发现了x射线能对植物诱发突变，开创了人工诱变研究及其在作物育种上的应用工作。此后世界上许多国家利用裂变反应堆提供的强大辐射源，大量开展了辐射育种工作。中国的辐射育种开始于1958年，至1980年已育成145个作物新品种，作物面积达7000万亩。射线能引起植物遗传结构的变异，使原有的品种获得一些新特性，如早熟、矮秆、抗病、优质等，经过选择就可育成新品种。辐射育种时要选择适当的材料，用辐射源以一定剂量进行处理。对大多数作物通常是照射风干种子，由照射种子长成的植株叫M₁代（突变一代）。因大多数突变属隐性突变，M₁代并不表现其突变性状，需经突变基因的纯合，故主要在M₂代（突变二代）表现出突变性状，M₂代是选择的主要世代。在M₂代获得的符合育种目标的突变体，需经品种比较和产量比较试验，与常规育种具有同样的程序，但育种年限较短。

②辐射保藏食品。射线对生物具有致死效应，在一定剂量的射线照射下，可杀死微生物、昆虫及高等生物体的细胞。利用射线的这一致死效应可以保藏食品，主要包括：鱼肉类，利用射线杀灭其中的微生物，以延长保藏期；谷物类，利用射线杀死其中的害虫；马铃薯、洋葱和水果类，射线可抑制它们的发芽或延迟成熟。

③辐射灭虫。射线可导致昆虫不育。正常雌虫同受辐射的不育的雄虫交配后所产的卵不能正常孵化。利用这种方法可降低害虫的虫口密度，最终达到消灭害虫的目的。美国在20世纪50年代初利用这种技术防治危害家畜的螺旋蝇，首先获得了成功。

④同位素示踪。同位素示踪在农业生产和研究中得到了广泛的应用。它主要应用于研究农作物的光合作用，体内物质输运，肥料利用，农药残留以及家畜的营养代谢等，从而正确制定作物栽培管理和合理有效地施用肥料和农药的措施，对家畜的饲养和管理等提供科学依据。

5．同位素地质年代学

利用天然放射性同位素的衰变来测定岩石、矿物、茜生物化石或遗体以至陨石、地球等的“绝对”年龄的学科。在发现放射性现象前，人们只能通过地层叠压、岩体侵蚀等现象得出局部地区地层的时间顺序，并根据地层中含有的动植物化石群的差异，在不同地区之间进行对比，建立世界范围的地质年表。但是这种生物地层学的方法只能大致确定地质事件的先后次序，并不能确定它们的“绝对”年代，也不能应用于寒武纪以前不含化石的地层。

1903年，居里首先探讨了应用放射性测定地质年代的可能性。1907年，B·B·博尔特伍德得出了第一批放射性地质年龄数据。

同位素地质年代测定要求高灵敏度、高精度的测量技术，因为矿石中这些同位素的含量很低。有时样品量本身也很少，如从月球上采来的月岩等。主要应用超高真空、高精度的质谱计，并借助稳定同位素稀释剂来精确测定样品中的同位素比值。在制样过程中有时需要用超纯试剂和白金、石英容器来完成超低本底的化学纯化和分离。低本底放射性测量、中于活化、加速器的超灵敏质谱等核技术也在同位素年代测定中得到应用。

由于分析技术的进步，同位素地质年代学从20世纪40年代末以来有了显著的进展。目前已经测定了全球各地区大量岩石的年代数据，根据这些数据建立的地质年表有助于了解地史过程中全球性的地壳运动和岩浆活动的规律，探讨各大陆的形成和漂移，了解矿床形成的时代和空间分布的规律。此外铅同位素演化的研究表明地球、月球和陨石有共同的起源，它们的年龄都在45亿年左右。人们还利用同位素组成的差异，讨论太阳系早期演化历史中各重要事件的延续时间和它们之间的微小时间差异，甚至讨论太阳系元素本身合成的时间。

6．其它应用

在物理、化学等自然科学和日益受到重视的环境科学中，示踪方法也得到广泛应用。下面是一些主要的应用例子。

①超薄厚度的测定。例如在用暗视野检查的电子显微镜标本上，常用真空蒸发的方法涂一层镉的薄膜。加微量具有放射性的⁵¹Cr到镉中，测定一定面积薄膜的放射性。另外把含有不同重量的同一标记物的溶液在相同面积上蒸干并计数，作为标准。比较薄膜样品和标准的放射性，就可测出薄膜的重量，从而求出其厚度。此法可测出厚度薄至2．5×10^－14m的量级。

②溶解度的测定。把已知放射性比活度的¹³³Ba标记的硫酸钡溶于水中，当溶液达到饱和以后，取出一小部分来测量其放射性比活度。从测得的放射性比活度就可算出单位体积内硫酸钡的含量或硫酸钡的溶解度。

④环境污染的检查。例如在制造荧光灯等接触汞的工业，需要探测空气中汞的浓度，以保证工人不会发生汞中毒。很方便的方法就是用¹⁹⁷Hg来标记汞，然后用探测仪器测量车间空气中的放射性，检查汞有否超过最高允许浓度。

放射性核素也可用作监测沿海污染的手段。例如，以⁸²Br标记的溴化铵作为示踪剂，模拟释放到海洋中去的污水。将此示踪剂注入到污水出口处，它的扩散和途径反映了污水在大海中的稀释和运输；在不同水路测出的放射性位置及强度代表特定情况下的水流图案；最后依靠稀释曲线、水流方向及速度以及污染指示剂的消失率等数据，编成海岸不同位置的污染统计资料。

⑤水利学考察。海洋湍流和大风对水流泥沙迁徙的影响是水利学工作经常需要考察的对象之一。有一种方法是将⁴⁶Sc吸附在离子交换树脂，其大小接近于天然砂粒，然后将其投入河口或海岸附近水中，用放射性探测仪器追踪，便可研究各种自然条件的变化（如刮风）对砂流的影响，乃至泥砂淤积的地点和速度等。