放射性元素的基础知识.docx

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放射性元素的基础知识

一、有关放射性元素的基础知识

1.为什么同位素具有放射性如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序，在周期表是同一位置的元素，所以两者就叫同位素。

有放射性的同位素称为“放射性同位素”没,有放射性的则称为“稳定同位素”，并不是所有同位素都具有放射性。

自19世纪末发现了放射性以后，到20世纪初，人们发现的放射性元素已有30多种，而且证明，有些放射性元素虽然放射性显著不同，但化学性质却完全一样。

1910年英国化学家F.索迪提出了一个假说，化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些变种应处于周期表的同一位置上，称做同位素。

不久，就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08，另一种则是208。

1897年英国物理学家W.汤姆逊发现了电子，1912年他改进了测电子的仪器，利用磁场作用，制成了一种磁分离器（质谱仪的前身）。

当他用氖气进行测定时，无论氖怎样提纯，在屏上得到的却是两条抛物线，一条代表质量为20的氖，另一条则代表质量为22的氖。

这就是第一次发现的稳定同位素，即无放射性的同位素。

当F.W.阿斯顿制成第一台质谱仪后，进一步证明，氖确实具有原子质量不同的两种同位素，并从其他70多

种元素中发现了200多种同位素。

到目前为止，己发现的元素有109种，只有20种元素未发现稳定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。

大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物，稳定同位素约300多种，

而放射性同位素竟达1500种以上。

1932年提出原子核的中子一质子理论以后，才进一步弄清，同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。

由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子

数），并具有相同电子层结构。

因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质（如放射性等），也有所不同。

一般来说，质子数为偶数的元素，可有较多的稳定同位素，而且通常不少于3个，而质子数为奇数的元素，一般只有一个稳定核素，其稳定同位素从不会多于两个，这是由核子的结合能所决定的。

同位素的发现，使人们对原子结构的认识更深一步。

这不仅使元素概念有了新的含义，而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革，再一次证明了决定元素化学性质的是质子数（核电荷数），而不是原子质量数。

2.放射性同位素的特点

放射性同位素（radioisotope）是不稳定的，它会“变”。

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”。

放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出a射线、B射线、丫射线和电子俘获等，但是放射性同位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。

核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间

有关。

放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。

半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时

间。

如P（磷）—32的半衰期是14.3天，就是说，假使原来有100万个P（磷）－32原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。

半衰期越长，说明衰变得越慢，半衰期越短，说明衰变得越快。

半衰期是放射性同位素的一特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。

3.放射性强度及其度量单位放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。

随着时间的增加，放射

性原子的数目按几何级数减少，用公式表示为：

N二NOe-入这里，N为经

过t时间衰变后，剩下的放射性原子数目，N0为初始的放射性原子数目，入为衰变常数，是与该种放射性同位素性质有关的常数，入=y（t）=e-0.693t

/T其中T指半衰期。

放射性同位素不断地衰变，它在单位时间内发生衰变的原子数目叫做放射性强度（radioactivity），放射性强度的常用单位是居里（curie），表示在1秒钟内发生3.7X1010次核衰变，符号Ci。

1Ci=3.

7X1010dps=2.22X1012dpm1mCi=3.7X107dps=2.22X109dpm1卩Ci=3.7X104dps=2.22X106dpm1977年国际放射防护委员会（ICRP）发表的第26号出版物中，根据国际辐射单位与测量委员会（ICRU）的建议，对放射性强度等计算单位采用了国际单位制（SI），我国于1986年正式执行。

在SI中，放射性强度单位用贝柯勒尔（becquerel）表示，简称贝可，为1秒钟内发生一次核衰变，符号为Bq。

1Bq=1dps=2.703X10-11Ci该单位在实际应用中减少了换算步骤，方便了使用。

4.射线与物质的相互作用放射性同位素放射出的射线碰到各种物质的时候，会产生各种效应，

它包括射线对物质的作用和物质对射线的作用两个相互联系的方面。

例如，射线能够使照相底片和核子乳胶感光；使一些物质产生荧光；可穿透一定厚度的物质，在穿透物质的过程中，能被物质吸收一部分，或者是散射一部分，还可能使一些物质的分子发生电离；另外，当射线辐照到人、动物和植物体时，会使生物体发生生理变化。

射线与物质的相互作用，对核射

线来说，它是一种能量传递和能量损耗过程，对受照射物质来说，它是一

种对外来能量的物理性反应和吸收过程。

各种射线由于其本身的性质不同，与物质的相互作用各有特点。

这种

特点还常与物质的密度和原子序数有关。

a射线通过物质时，主要是通过电

离和激发把它的辐射能量转移给物质，其射程很短，一个1兆电子伏（1MeV）的a射线，在空气中的射程约1.0＜厘米，在铅金属中只有23微米

（ym）,—张普通纸就能将a射线完全挡住，但a射线的能量能被组织和器官全部吸收。

B射线也能引起物质电离和激发，与a射线的能量相同

的B射线，在同一物质中的射程比a要长得多，如＞1MeV0射线，在空气

中的射程是10米，高能量快速运动的B粒子，如磷一，能量为1.71MeV

遇到物质，特别是突然被原子序数高的物质（如铅，原子序数为82）阻止

后，运动方向会发生改变，产生轫致辐射。

轫致辐射是一种连续的电磁辐射，它发生的几率与B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。

B射线能被不太厚的铝层等吸收。

Y

射线的穿透力最强，射程最大，1MeV的r射线在空气中的射程约有米之

远，r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。

二、放射性同位素的主要作用（应用）

主要方面：

1.射线照相技术，可以把物体内部的情况显示在照片上。

2.测定技术方面的应用，古生物年龄的测定，对生产过程中的材料厚度

进行监视和控制等。

3.用放射性同位素作为示踪剂。

4.用放射性同位素的能量，作为航天器、人造心脏能源等。

5.利用放射性同位素的杀伤力，转恶为善，治疗癌症、灭菌消毒以及进行催化反应等。

放射性同位素的应用放射性同位素的应用是沿着以下两个方向展开的．

1.利用它的射线

放射性同位素也能放出a射线、B射线和r射线.a射线由于贯穿本领

强，可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹，所用的设备叫a射线探伤

仪.a射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电．生物体内的DNA（脱氧核糖核酸）承载着物种的遗传密码，但是D

NA在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种．射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫．人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗”．

和天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状，特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处理．由于这些优点，在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，不用天然放射性物质．

2.作为示踪原子一种放射性同位素的原子核跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子（只是中子的数量不同），因此核外电子的数量也相同,由此可知，

一种元素的各种同位素都有相同的化学性质．这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”，用仪器可以探测出来．这种原子叫做示踪原子．

棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上也能吸收．但是，什么时候的吸收率最高、磷能在作物体内存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究．如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决．

人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病．

近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，几乎都要借助于放射性同位素．

三、放射性同位素的应用-同位素示踪法同位素示踪法（isotopictracermethod）是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。

H

evesy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。

继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。

一、同位素示踪法基本原理和特点同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。

因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。

利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。

放

射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点：

1.灵敏度高

放射性示踪法可测到10-14－10-18克水平，即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。

它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。

2.方法简便放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软B射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。

3.定位定量准确

放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些

形态学技术相结合（如病理组织切片技术，电子显微镜技术等），可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。

4.符合生理条件在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微

量的，它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。

放射性同位素示踪法的优点如上所述，但也存在一些缺陷，如从事放射性同位素工作的人员要受一定的专门训练，要具备相应的安全防护措施和条件，在目前个别元素（如氧、氮等）还没有合适的放射性同位素等等。

在作示踪实验时，还必须注意到示踪剂的同位素效应和放射效应问题。

所谓同位素效应是指放射性同位素（或是稳定性同位素）与相应的普通元素之间存在着化学性质上的微小差异所引起的个别性质上的明

显区别，对于轻元素而言，同位素效应比较严重。

因为同位素之间的质量判别是倍增的，如3H质量是1H的三倍，2H是1H的两倍，当用氚水（3H2O）作示踪剂时，它在普通H2O中的含量不能过大，否则会使水的物理常数、对细胞膜的渗透及细胞质粘性等都会发生改变。

但在一般的示踪实验中，由同位素效应引起的误差，常在实验误差内，可忽略不计。

放射性同位素释放的射线利于追踪测量，但射线对生物体的作用达到一定剂量时，会改变机体的生理状态，这就是放射性同位素的辐射效应，因此放射性同位素的用量应小于安全剂量，严格控制在生物机体所能允许的范围之内，以免实验对象受辐射损伤，而得错误的结果。

示踪实验的设计原则设计一个放射性同位素的示踪实验应从实验的目的性，实验所具备的条件和对放射性的防护水平三方面着手考虑。

原则上必须从两个主要方面来设计放射性示踪实验：

一是必须寻求有效的、可重复的测定放射性强度的条件，二是必须选择一个合适的比活度入q（单位是原子/时间/分子，

dpm/mol或ci/mol）。

其中，入=-dN'/N'为该处放射性原子核的衰变常数。

q=N'/n',表示n'个该化学形式分子为N'个放射性原子所标记。

S=n'/n表示放射性标记的分子数n'与总分子数（标记的加未标记的）n

之比。

采用放射性同位素示踪技术来实现所研究课题预期目的全部或一部分，一般须经过实验准备阶段，实验阶段和放射性废物处理三个步骤。

（一）实验准备阶段

1.示踪剂的选择

选定放射性示踪剂的比活度入q舶勺值必须足够大，以保证实验所需要

的灵敏度，而又要尽可能地小，使得在该实验条件下辐射自分解可忽略。

一般情形是根据实验目的和实验周期长短，来选择具有合适的衰变方式，辐射类型和半衰期，且放射毒性低的放射性同位素。

至今已确定的放射性核素包括天然的58种和人工制造的约1300种，其中大多数不常能用作放射性示踪剂。

主要原因是制备困难、半衰期不合适及放射性不足以定量。

在任何一种生产方法中，生产步骤很可能包含或多或少的化学处理，因而示踪实验人员需要了解某个核素及其周围的那些元素的化学性质，因为它们有可能成为此放射性同位素的杂质。

放射性同位素都衰变（经过或不经过中间状态）到处于基态的子体核素，衰变时伴随各种形式的能量辐射，如a俟、B+YX放射等。

在选

择示踪剂时，示踪实验人员要仔细研究衰变纲图，根据实验条件和计数条件来决定那一种辐射，在衰变纲变内，代表核能级的两条水平线之间和距离表示能量差，T或/表示能级同伴随原子序数增或减少的能量，J表示从

激发态至基态的同质异能跃迁。

一般要选择最适宜的半衰期T的放射性同位

素，使T足够长，从而使衰变校正有意义或干脆不必作衰变校正，同时又

要足够短，能较安全地进行示踪实验，并使得放射性废物容易处理，在实际工作中，使用的放射性同位素的半衰期应该与实验需要持续的时间t相

适应，如对于某个实验，t/T=0.04时，应所选放射性同位素的衰变校正为3.5%;而t/t=0.10时，应选放射性同位素的衰变校正为6.6%。

t/t=0.

15时，应选用其衰变校正为10％。

在体外示踪条件，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。

体内示踪条件下，若实验周期短，应

选用半衰期短，且能放出一定强度r射线物放射性同位素，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，则应选用半衰期较长放射性同位素。

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，14C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14CO2。

而有些实验不要求特定位置标记，只须均匀标记即可。

选择放射性示踪剂还必须同时满足高化学纯度，高放射性核纯度的要求。

在示踪剂制备期间、贮存期间以用试验体系中所使用的溶剂、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性杂质，这些杂质的存在，使得示踪实验中使用的示踪剂不“纯”，而或多或少影响实验的结果，甚至会导致错误结论。

氚标记的胸腺嘧啶核苷（3H－TdR）和尿嘧啶核苷（3H－UR）是两种常用的示踪剂，前者有效地结合到D

NA中，后者则掺入到RNA中，它们的辐射分解速度随比较放射性的增高及保存时间的延长而增加，在不同温度和不同溶液中的稳定性也不同。

经保存八年的3H-TdR约有35％辐射分解为3H－胸腺嘧啶，并导致二醇和水合物的形式，在实验中这杂质会很快掺入细胞并与大分子（很可能是蛋白质）结合，而不是与DNA和RNA相结合，这些杂质用DNA酶和RNA酶处理细胞都不除去。

3H—TdR和3H—UR贮存在-20C的冷冻溶液中辐

射分离速度要比+2C增加3—4倍，但低温度（-140C）对贮存也有利，在允许对示踪实验人员在选择保存放射性示踪剂时会有所启发。

2.放射性同位素测量方法的选择

测量方法的选择取决于射线种类，对于a射线通常可用硫化锌晶体、电离室、核乳胶等方法探测；对能量高的B射线可用云母窗计数管、塑料

闪烁晶体及核乳胶测定，对于能量低的B射线可用液体闪烁计数器测量:

对于丫射线则用G-M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闪烁计数法两种测量方式

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已调有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（或选用该同位素的标准源），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。

探测最佳工作条件的选择方法:

一种是测“坪曲线”，另一种是找最好的

品质因素。

对于光电倍增管，在理论上不存在“坪”（plateau）。

但随着高

压的增加，在一定范围内，脉冲数变化较小，形成一段坡度较小的电压脉冲曲线，通常也称其为坪。

测坪曲线的方法:

固定放射源，根据其射线能量的大小，初选一个广大器增益（放大倍数）和甄别器阈值。

不断地改

变高压（由低到高，均匀增加伏度），每改变一次高压，都测定一次本底和放射源的计数率，最后作出高压本底计数率和高压放射源计数曲线。

用同样的方法，作另一个甄别阈值（放大倍数不变）下的高压计数率曲线，这样反复多作几条曲线。

必要时，还可固定甄别阈值，改变放大倍数，求出高压计数率曲线。

应选择“坪”比较平坦的曲线工作条件：

甄别阈值和放大增益，作为正式测定时间的仪器工作条件，高压值应选择在该“坪”中点偏向起始段一边相应的高压值。

品质因素，又称为优值，是指在一定条件下，要达到合适的统计数目所需要的时间是仪器的计数效率E和本底计数Nb的函数：

品质因素F=E2／Nb它是衡量一台计数器性能的指标，仪器的品质因素F应该越大越好，品质因素F越大，表示测量效率E越高而本底Nb越小。

如果某放射性示踪的标准源存在来源困难等问题的话，可以用相对品质因素f来代替。

相品质因素f=ns／nb式中ns指某种放射性样品的计数率。

找最好品质因素的方法与测坪曲线一样，作出几条高压一F（或

f）的关系曲线，在几条曲线中选择峰值最高的曲线。

这根曲线的峰值所对应的条件：

高压，甄别阈，放大倍数等，就是该仪器对被测同位素的最佳

工作条件。

最佳品质因素不一定恰好落在“坪”上，有的在“坪”附近，有的却在“坪”的下端。

着眼于把同位素的整个能谱峰都计下来的示踪实验者主张

取“坪”所对应的工作条件，而着眼于优值者，主张取最佳品质因素所对应的工作条件，也有人折衷。

如果某仪器本底很低，光电倍增管噪音很低和能谱分辩高，二者应该相差不大。

同一台仪器的最佳工作条件，随仪器的使用期延长而有所改变，不同的放射性同位素，其最佳工作条件不同。

因此核探测仪器的最佳工作条件具有专属性，并且要经常通过选择其不同时期的最佳工作条件。

更不能不问被测同位素的种类，而千篇一律地使用同一个工作条件。

为了达到准确地计数，可以长时间一次计数，或短时间多次测量，两者达到的标准误基本相同，为避免外界因素的影响，在实际工作中，取短时间多次测量较为合理适用。

在测量样品的放射性时，本底是一个重要影响因素。

本底高，则标准误和标准误差都增大，尤其在样品计数较低时，本底对标准误和标准误差的影响就愈大，从而影响实验结果的精度，而且为了达到一定的精度，势别要增加样品的测量时间。

根据核衰变的统计规律，在实验中如果样品数量少，选择tN=1.4tb的比例（式中tN为样品放射性测量时间，tb为本底测量时间）较为合理；如果样品数量较多是一大批样品，则延长本底测量时间tb，取tb的时间均值，而tN则可相对短，

这样可节省时间，有利于缩短实验周期。

对于示踪实验设计来说，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10

－20倍。

3.进行非放射性的模拟实验，把实验全过程预演一遍

同位素示踪实验要求准确、仔细，稍有疏忽或考虑不周就匆忙进行正式实验，既容易导致实验失败，又会造成示踪剂和其它实验用品的浪费，还会增加放射性废物，增加实验室本底水平，使实验者接受不必要的辐射剂量，所以模拟实验不仅可以检查正式实验中所用器材，药品是否合格，又可以操作人员进行训练，以保证正式实验能顺利进行。

（2）正式实验阶段

1.选择放射性同位素的剂量同位素必须能经得起稀释，使其最后样品的放射性不能低于本底，一般来说放射性同位素在生物体内不是完全均匀地被稀释，可能在某些器官、组织、细胞、某些分子中有选择性地蓄积，蓄积的部分放射性就会很强，在这种情况下，应以相关部位对示踪剂的蓄积率来考虑示踪剂用量。

在细胞培养，切片保温，酶反应等示踪实验中，应依据实验目的、反应时间及反应体积的不同来考虑示踪剂的用量，通常小于一个微居里或几个微居里。

由于放射性同位素存在辐射效应，应该根据使用的放射性核素的种类，将用量控制在最大允许剂量之内（maximunpermissibledose），以免因剂量过大所造成的辐射效应，给实验带来较大的误差。

2.选择示踪剂给入途径整体示踪实验时，应根据实验目的，选择易吸收、易操作的给入途径，一般给予的数量体积小，要求给予的剂量准确，防止可能的损失和不必要的污染。

体外示踪实验时，应根据实验设计的实验步骤的某个环节加入一定剂量的示踪到反应系统中去