張 勝

(廣東省深圳市第三高級(jí)中學(xué) 深圳 518172)

1 同位素

原子序數(shù)相同(即具有相同數(shù)目質(zhì)子)的原子，具有相同的化學(xué)性質(zhì)，都屬于同一種元素。盡管一種元素的所有原子都含有同樣多的質(zhì)子，但它們卻可能具有不同的中子數(shù)，具有不同中子數(shù)的同種元素的原子叫做該種元素的核素，同一元素的不同核素之間互稱為同位素[1]。例如，氫有1H、2H、3H三種核素，它們互稱為同位素。同位素可分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素兩類，穩(wěn)定性同位素是原子核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生衰變的同位素。放射性同位素是原子核不穩(wěn)定、會(huì)自發(fā)衰變的同位素。

自然界的大多數(shù)元素往往是幾種核素的混合物，如碳具有三種核素： ①絕大多數(shù)(超過99%)是具有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子的核素，稱為12C；②其次是具有6個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子的13C；③最稀少的是具有6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子的14C。與12C和13C不同的是：14C不穩(wěn)定，它的核會(huì)分裂成原子序數(shù)更低的元素。這種會(huì)釋放出大量能量的核破裂叫做放射性衰變，這樣的核素叫做放射性核素(radioactive isotope)。

對(duì)于任意一種給定的核素來說，它的衰變率是一定的。衰變率通常表示為半衰期(half-life)，是樣品中一半原子發(fā)生衰變的時(shí)間。例如，14C的半衰期為5600年，今天含有1g碳-14的樣品，5600年后將剩下0.5g。通過測(cè)定巖石或生物試樣中碳或其他元素不同的核素含量的比率，科學(xué)家可以精確地測(cè)出樣品形成的時(shí)間。

放射性核素有很多用處，但在使用時(shí)也必須要考慮到它有害的一面。放射性核素會(huì)釋放出高能的粒子，有可能對(duì)活細(xì)胞造成嚴(yán)重傷害，導(dǎo)致基因突變，高劑量時(shí)甚至?xí)辜?xì)胞死亡，因此，暴露在放射源下的操作要小心地加以控制和調(diào)節(jié)。對(duì)于從事放射性工作的科學(xué)家或工作人員來說，工作時(shí)要在胸前或腹部佩帶對(duì)射線敏感的標(biāo)牌(一種能夠測(cè)量輻射劑量的小牌子)，以監(jiān)測(cè)他們接受的輻射總量，這是在放射性危險(xiǎn)環(huán)境中工作的一套“預(yù)警系統(tǒng)”。

2 同位素示蹤技術(shù)

同位素示蹤法即同位素標(biāo)記法，包括穩(wěn)定性同位素示蹤法和放射性同位素示蹤法。放射性同位素示蹤法因其靈敏度高，且容易測(cè)定，因而在實(shí)踐中運(yùn)用較廣。同位素示蹤技術(shù)(isotopic tracer technique)是利用放射性同位素或經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定同位素作為示蹤劑，研究各種物理、化學(xué)、生物、環(huán)境和材料等領(lǐng)域中科學(xué)問題的技術(shù)。

2.1 原理 自然界中組成每種元素的穩(wěn)定核素和放射性核素大體具有相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。因此，可利用放射性核素或經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定核素來示蹤待研究對(duì)象的客觀狀態(tài)及其變化過程。通過放射性測(cè)量方法，可觀察由放射性核素標(biāo)記的物質(zhì)的分布和變化情況；對(duì)經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定核素可用質(zhì)譜法直接測(cè)定，亦可用中子活化法加以測(cè)定。

2.2 標(biāo)記方法 常用的標(biāo)記方法有化學(xué)合成法、同位素交換法和生物化學(xué)法。通常是根據(jù)所需標(biāo)記化合物的組成、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用要求來選擇合適的放射性同位素，然后再結(jié)合應(yīng)用要求來設(shè)計(jì)其標(biāo)記路線。

2.3 標(biāo)記化合物 含有示蹤原子的化合物，稱為標(biāo)記化合物(labelled compound)，也稱為示蹤化合物。理論上，幾乎所有的化合物都可被示蹤原子標(biāo)記。一種原子被標(biāo)記的化合物，稱為單標(biāo)記化合物； 兩種原子被標(biāo)記的化合物，則稱為雙標(biāo)記化合物(如2H218O)。用同位素置換后的化合物，其化學(xué)性質(zhì)通常沒有明顯變化，可參與同類的化學(xué)反應(yīng)。但它易于測(cè)定，故可用來研究該化合物的運(yùn)動(dòng)和變化的規(guī)律。

2.3.1 穩(wěn)定同位素標(biāo)記化合物 用經(jīng)富集的稀有穩(wěn)定同位素取代化合物分子中的一種或幾種原子。它與未標(biāo)記的相應(yīng)化合物具有相同的化學(xué)及生物學(xué)的性質(zhì)，但具有不同的同位素效應(yīng)，可利用質(zhì)譜、密度測(cè)量或中子活化分析技術(shù)來測(cè)定、追蹤。穩(wěn)定同位素標(biāo)記化合物作為一種無損傷性的示蹤技術(shù)，在生命科學(xué)方面得到了廣泛的應(yīng)用。例如，對(duì)孕婦及兒童某些疾病診斷中，要將食物或藥物成分用示蹤劑標(biāo)記，就不能使用或多或少具有毒副作用的放射性同位素，而只能使用對(duì)人體無害、安全的穩(wěn)定性同位素。常用的穩(wěn)定同位素有2H、13C、15N和18O等。其中，高中生物學(xué)教材中介紹的梅塞爾森做的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)，是用15N標(biāo)記親代的DNA分子；魯賓和卡門研究光合作用氧氣來源的實(shí)驗(yàn)中，就是用18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2。然后進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)： 第一組向植物提供H2O和C18O2，第二組向同種植物提供H218O和CO2。在其他條件都相同的情況下，結(jié)果表明： 第一組釋放的氧氣全部是O2；第二組釋放的氧氣全部是18O2。這一實(shí)驗(yàn)有力地證明光合作用釋放的氧氣來自水。

2.3.2 放射性同位素標(biāo)記化合物 常用的放射性同位素有3H、14C、32P、35S、131I、42K等。放射性標(biāo)記化合物除了醫(yī)學(xué)應(yīng)用不可缺少外，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生物學(xué)、遺傳工程、藥物學(xué)等領(lǐng)域也都得到廣泛應(yīng)用。例如，32P和35S標(biāo)記的核苷酸在遺傳工程研究中已成功地用于脫氧核糖核酸和核糖核酸的分子序列測(cè)定、缺口標(biāo)記和分子雜交等。高中生物學(xué)教材在關(guān)于探究光合作用中CO2中碳的轉(zhuǎn)化途徑的內(nèi)容中介紹： 美國(guó)科學(xué)家卡爾文等用14C標(biāo)記的14CO2，供小球藻進(jìn)行光合作用，然后追蹤檢測(cè)其放射性，最終探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環(huán)。

2.4 高中生物學(xué)中涉及示蹤原子法的實(shí)驗(yàn) ①用3H標(biāo)記亮氨酸追蹤分泌蛋白的合成過程；②用32P標(biāo)記胸腺嘧啶脫氧核苷酸“T”追蹤DNA復(fù)制過程或細(xì)胞周期中間期歷時(shí)的時(shí)間；③用3H或15N或32P標(biāo)記尿嘧啶核糖核苷酸“U”追蹤RNA合成過程；④用14CO2追蹤光合作用中碳原子轉(zhuǎn)移途徑；⑤用H218O和C18O2相互對(duì)照探究光合作用中O2的來源；⑥用32P、35S分別標(biāo)記噬菌體DNA和蛋白質(zhì)探究噬菌體遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)。

3 同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用

赫維西最初于1912年提出同位素示蹤技術(shù)，并開展了一系列研究。由于其開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，赫維西于1943年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從20世紀(jì)30年代開始，隨著重氫同位素和人工放射性的發(fā)現(xiàn)，同位素示蹤技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 主要應(yīng)用于研究施肥方法、途徑及其肥效；殺蟲劑和除莠劑對(duì)昆蟲和雜草的抑制和殺滅作用；植物激素和生長(zhǎng)刺激素對(duì)農(nóng)作物代謝和功能的影響；激素、維生素、微量元素、飼料和藥物對(duì)家畜生長(zhǎng)和發(fā)育的影響；昆蟲、寄生蟲、魚及動(dòng)物等的生命周期、遷徙規(guī)律、交配和覓食習(xí)性等。此外，正是由于放射性同位素14C的應(yīng)用，導(dǎo)致了自然界中光合作用機(jī)理的發(fā)現(xiàn)。

3.2 生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 主要應(yīng)用于臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究方面。例如，2H和18O雙標(biāo)記的葡萄糖可用于研究人體能量的攝入和消耗過程，用51Cr標(biāo)記方法可研究人體的血量，用131I可研究甲狀腺功能，用58Fe可研究缺鐵性貧血，用放射性同位素或經(jīng)富集的稀有稀土核素可研究稀土元素在生物體內(nèi)的分布、蓄積和代謝規(guī)律，用18F標(biāo)記的葡萄糖可研究腦血流量及其代謝活動(dòng)等[2]。

3.3 環(huán)境研究中的應(yīng)用 同位素示蹤技術(shù)可用于研究環(huán)境各介質(zhì)(水圈、土壤圈、大氣圈、生物圈等)中污染物的分布、遷移和富集規(guī)律，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面，研究污染物的時(shí)空特征。例如，用經(jīng)富集的、穩(wěn)定的196Hg或202Hg來研究汞在大氣圈、水圈和生物圈中的轉(zhuǎn)移、甲基化過程及其環(huán)境效應(yīng)[2]。

3.4 基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用 同位素示蹤技術(shù)已在物理、化學(xué)、生物、地學(xué)等基礎(chǔ)研究中發(fā)揮了重要作用。例如，用32P放射性同位素示蹤揭示了DNA的結(jié)構(gòu)以及RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合放射自顯影法即可閱讀核苷酸順序。此外，天文地質(zhì)學(xué)的一些重大基礎(chǔ)問題(如隕石演化史、巖石學(xué)和礦物學(xué)等)研究中，同位素示蹤都是一種重要的應(yīng)用技術(shù)。

4 結(jié)語

綜上所述，同位素并不都具有放射性。同位素示蹤法即同位素標(biāo)記法，包括穩(wěn)定性同位素示蹤法和放射性同位素示蹤法。同位素標(biāo)記不等于放射性同位素標(biāo)記，應(yīng)該嚴(yán)格區(qū)分彼此的關(guān)系。