放射性追踪剂

放射性示踪剂（英语：Radioactive tracer），又称放射性标记物（radioactive label），一种化合物，其中的一个或多个原子被替换为放射性同位素（radioisotope），是同位素标记（isotopic labeling）的一种。由于这种化合物在衰变过程中会产生放射性，经由追踪其放射性，可以了解化合物从反应物到产物的路径，从而研究化学反应机理。氢（H）、碳（C）、磷（P）、硫（S）和碘（I）的放射性同位素被广泛地用来追踪生化反应路径。放射性示踪剂也可用于在细胞和组织等生物系统中追踪某物质的分布。在使用水力压裂（hydraulic fracturing）技术生产天然气时，放射性示踪剂可以用来确认裂缝的位置。放射性示踪剂是正电子发射计算机断层扫描（Positron emission tomography，简称PET）、单光子发射计算机断层扫描（Single-photon emission computed tomography ，简称SPECT，或SPET）和锝（Technetium）扫描等影像技术的基础。而放射性碳定年法（Radiocarbon dating）则使用天然存在的碳14作为同位素标记物。同一元素各种同位素唯一不同的是质量数。例如，氢的同位素可以写为1H，2H和3H，左上角的数字代表质量数。当同位素的原子核不稳定时，含有这种同位素的化合物就会有放射性。氚（Tritium，3H）是放射性同位素的一个例子。化合物中的一个原子被其放射性同位素原子取代，这个过程称作放射性标记。放射性衰变比一般化学反应能量强很多，因此，放射性同位素只需要很低浓度，而其存在也可由灵敏的辐射探测器，如盖革计数器（Geiger counter）和闪烁计数器 （scintillation counter）检测到。乔治·德海韦西（George de Hevesy）因“在化学过程研究中使用同位素作为示踪剂”而获1943 诺贝尔化学奖。放射性示踪剂主要有两种使用方式：1. 当一种标记过的化合物发生化学反应时，一个或多个产物会含有放射性标记。通过分析放射性同位素的变化可以得到化学反应机制的详细信息。2. 将某种放射性化合物引入生物体，放射性同位素可以提供一个影像方法来显示该化合物及其反应产物在生物体中的分布。常用的放射性同位素半衰期短，所以在自然界不存在，需经核反应产生。最重要的过程之一是原子核吸收一个中子，使相应元素质量数加1。例如：13C + n → 14C在这种情况下，原子质量增加，但元素保持不变。在其它情况下，生成的原子核不稳定发生衰变，通常这会放出质子，电子（β粒子）或α粒子。当一个原子核失去一个质子时，原子数减1。例如：32S + n → 32P + p中子辐照在核反应堆中进行，因此示踪剂研究在靠近反应堆本身的地方进行。另一个合成放射性同位素的主要方法是质子轰炸。质子需要利用回旋加速器（cyclotron）或是直线粒子加速器（Linear particle accelerator）加速到高能量状态。氚是通过中子辐照6Li而产生：6Li + n → 4He + 3H氚的半衰期为 4500±8天（大约为12.32年），通过β衰变而衰变。产生的电子的平均能量为5.7 keV，相对较低，故闪烁计数的检测效率也相当低。但是，氢原子存在于所有有机化合物中，因此常在生化研究中作示踪剂。11C由正电子发射而衰变，半衰期为20分钟。11C是常用于正电子发射断层扫描（positron emission tomography）的同位素之一。14C的衰变是通过β衰变，半衰期5730年。它在地球的大气层上层会不断地产生，所以在环境中有微量存在。然而，用自然产生的14C来做示踪物研究并不实际。相反地，它可由13C经中子辐照制成，13C在天然C中含量为 1.1% 。14C非常广泛地用于追踪有机分子在代谢途径的变化。13N衰变经由正电子发射发生，半衰期为9.97分钟。它是由核反应产生：1H + 16O → 13N + 4He13N用于正电子发射断层扫描（PET扫描）。15O衰变经由正电子发射发生，半衰期为122秒。可以用在正电子发射断层扫描。18F衰变经由正电子发射发生，半衰期为109分钟。在回旋加速器或线性粒子加速器中，用质子轰击18O而制成。它是放射性药物中非常重要的同位素。它在PET扫描中被用来标记氟脱氧葡萄糖（fluorodeoxyglucose，FDG）。32P通过中子辐照32S而得：32S + n → 32P + p其衰变为β衰变，半衰期为14.29天。它通常用于生物化学中研究蛋白质在激酶作用下的磷酸化过程。 33P可以通过中子轰击31P制得，产率相对较低。其衰变也是β衰变，半衰期为25.4天。虽然比32P更昂贵，但因发射的电子能量较低，可以在诸如DNA定序过程中得到更高的分辨率。 33P和31P两种同位素在标记核苷酸和其他含有磷酸基团的化合物方面非常有用。35S由中子轰击35Cl而制得：35Cl + n → 35S + p其衰变为β衰变，半衰期87.51天。它可用来标记含硫氨基酸（amino-acids）甲硫氨酸（methionine）和半胱氨酸（cysteine）。当核苷酸的磷酸基上的氧原子被硫原子取代时，形成一个硫代磷酸基(thiophosphate)，所以35S也可以用于追踪磷酸基团。99mTc是一种用途很广的放射性同位素。它很容易在锝-99m发生器中由99Mo衰变产生。99Mo → 99mTc + e- + νe99Mo半衰期大约66小时（2.75天），所以，发生器使用时间大概两个星期。大多数商业用99mTc发生器采用柱色谱（Column chromatography）法，99Mo以钼酸盐的形式──MoO42-吸附在酸性氧化铝上（Al2O3）。当99Mo衰变时，形成过锝酸盐 TcO4- ，由于其单电荷，所以与氧化铝的结合不那么紧密。当盐水溶液通过吸附有99Mo的柱子时，99mTc就会以可溶性过锝酸钠的形式被洗脱出来。过锝酸盐须利用还原剂如Sn2+和配体（Ligand）来处理。不同的配体形成的配合物（coordination complexes ）可增强锝在人体特定部位的亲和力。99mTc通过放出γ射线而衰变，半衰期为6.01小时。短的半衰期可确保体内放射性同位素的浓度在几天后下降为零。123I由124Xe通过质子辐照产生。辐照产生的铯同位素不稳定，会衰变成123I。该同位素通常会在稀氢氧化钠溶液中以高纯度碘化物和次碘酸盐的形式存在。123I也已经在橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratories）通过123Te的质子轰击生产成功。123I衰变是经由电子捕获产生，其半衰期为13.22小时。其所发射的159keVγ射线被用于单光子发射计算机断层显像（SPECT），此外也会发射出127keV的γ射线。125I常被用于放射免疫测定，因为它拥有颇长的半衰期（59天）且可以通过高灵敏度γ计数器来检测。129I会因空气核武器实验的缘故而存在于环境中，另外也产生于切尔诺贝利核灾以及福岛核灾。129I的半衰期为1570万年，衰变时放出低能量的β和γ射线。它没有被用作示踪剂，尽管其在生物体，包括人类，的存在可由γ射线测量的方式来表征。许多其它同位素已用于专门放射药理学研究。最广泛使用的是用于镓扫描的67Ga。使用67Ga的原因与99mTc类似，它们都可放出伽玛射线，并与各种配位体形成与人体特定部位有选择性亲和力的配合物。在水力压裂中使用的放射性示踪剂参见下一部分。在代谢研究中，氚和以14C标记的葡萄糖常用在葡萄糖钳夹（glucose clamp）技术中测量葡萄糖摄取速率，脂肪酸合成，以及其它代谢过程。虽然放射性示踪剂有时仍然用在人类研究中，稳定同位素示踪剂，如13C，更适合用于人类钳夹研究。放射性示踪剂也用于人和实验动物的脂蛋白代谢研究。在医药学中，示踪剂被应用于一些检验，比如99mTc用在放射自显影（Autoradiography）和核医药（nuclear medicine），包括单光子发射计算机断层显像（SPECT），正电子发射断层扫描（PET）和闪烁扫描（scintigraphy）。在尿素呼气试验中常用经14C标记的尿素检测幽门螺旋杆菌（helicobacter pylori）。如果标记的尿素被胃中的幽门螺旋杆菌代谢，患者会呼出含有被标记过的二氧化碳。在近些年来，利用含非放射性的同位素13C已成为首选方法，避免患者暴露于放射性中。在水力压裂中，放射性示踪剂加在水力压裂液之中，以确认注入剖面和形成裂缝的位置。示踪剂的不同半衰期可用在水力压裂的每一个特定阶段中。在美国，每次注射的放射性核素的量都列在美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission，NRC）的指导方针之中。根据NRC，一些最常用的示踪剂包括锑-124（antimony），溴-82，碘-125，碘-131，铱-192（iridium），和钪-46（scandium）。在2003年，国际原子能机构的一份出版物证实上面多数示踪剂经常被使用，并且表示，锰-56（ manganese），钠-24，锝-99m，银-110m，氩-41，和氙-133（xenon）也被广泛使用，因为它们易于识别和测量。