示踪技术及应用.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,放射性示踪技术及应用,the Technology of Radioactive Trace and its Application,放射性示踪技术及应用,the Technology of Radioactive Trace and its Application,2,1,放射性示踪技术概述,2,放射性示踪法在工业中的应用,3,放射性示踪法在化学中的应用,4,示踪在考古学的应用：年代测定技术,5,放射性示踪法在生物学中的应用,7,放射示踪法在医学上的应用,6,放射性示踪法在生物化学研究的应用,8,放射性标记化合物,9,放射性示踪发展展望,内 容,3,1,放射性示踪技术概述,定义,应用放射性同位素对普通原子或分子加以标记，利用高灵敏，无干扰的放射性测量技术研究被标记物所显示的性质和运动规律，,以便追踪发生的过程、运行状况或研究物质结构等的科学手段。,4,1.1,放射性示踪技术基本性质,对于含有,x,个,A,类原子和,y,个,A*,原子的系统，变化进入,Z,或,Z*,状态，可表示为,S(xA,yA*)=Z(x,A,y,A*),或,=,Z(x,”,A,y,”,A*),认为同种元素的各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,x,/x=y,/y,或,x,”,/x=y,”,/y,即非放射性原子和放射性原子将有同等的分数进入变化生成的中间物或最终产物之中。,5,1.2,放射性示踪技术的分类,化学标记：,放射性示踪核素处于被研究系统组分相同的化合物中，跟踪特定元素的运动，反应或代谢过程，以得出关于该系统化学变化的信息。,物理标记：,放射性示踪核素不是被追踪系统的基本部分，而是以某种方式附着在被研究的对象或介质上，它的辐射可以用某种方法被探测，但其化学性质表现并不重要。,6,用示踪原子标记待研究的物质，追踪其化学变化或在有机体内的运动规律。,将示踪原子与待研究物质完全混合。然后追踪示踪原子。比如，研究河流中泥沙迁移规律，山坡地上水土流失规律，管道中液体的输运过程等。,将示踪原子加入待研究对象中，然后跟踪。比如炼铁高炉炉衬烧损程度的监测等。,1.3,放射性示踪技术的方式,7,1.4,放射性示踪技术的特点,灵敏度高,可探测,100Ci/g,市售,S=0.52Ci/g,对,1mCi,的放射性,As,前一种样品的质量,0.01mg,后一种,=20.5 mg,16,放射性示踪剂的选择,放射性核素的纯度,检验放射性纯度和放射化学纯度；提纯,放射性核素的毒性,尽量选择低毒性核素；,90,Sr,高毒,89,Sr,中毒,示踪剂的,生物半衰期,选择生物半衰期短的示踪剂，减少辐射剂量,17,最常用的放射性示踪核素,核素,CAS,登录号,Chemical Abstract Service,T,1/2,化活度,（,Bq/mMl,）,射线能量,（,Mev,）,衰变产物,生物半衰期,d,14,C,14762-75-5,5.730Y,0.156,100,14,N,10,3,H,10028-17-8,12.3Y,0.018,100,3,He,12,35,S,15117-53-0,86.7d,0.17,100,35,Cl,90,32,P,14596-37-3,14.3d,1.7,100,32,S,257,125,I,14158-31-7,60.2d,0.03,90,125,Te,138,许多标记化合物都是,14,C,和,3,H,为基础制取的,.,迄今,作为商品出售的放射性标记化合物已达,1000,多种,其中,14,C,标记化合物约,600,多种,3,H,约,300,多种,125,I,和,131,I,标记有,100,多种,.,18,2,放射性示踪法在工业中的应用,工业中,流率测量,常用方法：,放射性示踪技术,优点：,测量准确度与速度分布图无关，适用性强。,常用方法：,通过时间法：用于流体体积已知的密封管道。,连续稀释法：用于流体截面不精确，如敞开的沟渠。,总计数法：稀释法的变更,19,2.1,133,Xe-,地,下管道检漏,20,2.2,管道流率测定,信号处理显示,Q,V,探测器,探测器,Q C,i,C,f,S,i,S,f,21,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量,.,基本原理,0 1 2 3 4,小闪烁室,a,小闪烁室,b,可调容器,如图所示,0,点为钍射气,220,Rn,释放点,管道流量为,Q,小闪烁室的容积为,V,c,，,2,点至,3,点之间,(,包含可调容器,),的容积为,V,k,，,220,Rn,的衰变常数为,，则在稳定层流状态下，,根据放射性衰变规律，,各点的,220,Rn,浓度为：,22,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量,220,Rn,在小闪烁室,a,和小闪烁室,b,的衰变率为：,设小闪烁室的探测效率为,，,ThA(,216,Po,),的半衰期,(0.16,秒,),很短，可以认为,220,Rn,连续发射,2,个,粒子，则小闪烁室,a,和小闪烁室,b,测到的,计数率为：,23,小闪烁室,a,和小闪烁室,b,测到的,计数率比值为：,流经管道的气体流量,Q,为,:,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量,24,2.,实验装置,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量,25,3.,实验结果,有关参数：,小闪烁室容积：,V,c,=64(ml),即流率低于,740ml/min,时,216,Po,和,220,Rn,已经达到平衡,;,延迟体积：,V,k,=64(ml);,小闪烁室的探测效率,：,a,=,b,=100%,220,Rn,的衰变常数：,=1.32(min,-1,),；,气体流率：,Q,与,Q,分别表示实际流率与测量流率值（,ml/min,）,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量研究,26,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量,27,测量流率,Q,与实际流率,Q,的比对曲线,ZnS(Ag),小闪烁室,220,Rn,流气法测管道流量,28,3,放射性示踪法在化学中的应用,分子结构的研究,如：同位素交换反应,12,CO,2,+,13,CH,4,=,13,CO,2,+,12,CH,4,13,CO,2,+H,12,CO,3,-,=,12,CO,2,+H,13,CO,3,因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发生变化，从而引起光谱谱线位移，因此可以进行分子结构的研究。,化学反应机理研究,化学键的形成方式,反应中发生的分子重排,、异构、裂解、水解过程,催化反应中吸附催化机理、吸附分子寿命,29,3.1,放射分析化学方法,同位素稀释法,原理：放射示踪剂与待测物混合分离测量,实例：,P&G,公司测定洗衣粉中主要成分的残留量,放射分析法,原理：泛指用放射示踪剂测定浓度的各种方法,实例：,50,万年前北京猿人会不会用火,30,G.de Hevesy,（,1885-1966,）,在卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，他在剩菜中放上微量的钍，然后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他都能准确地判断是剩菜还是新菜。,1943,年荣获诺贝尔化学奖，获奖原因,“,使用同位素作为化学过程研究的示踪剂,”,。,核医学的创立者。,31,4,示踪在考古学的应用：年代测定技术,基本原理公式,设母核素的衰变常数为,，初始时核数为,N,0,，,t,时刻为,N,p,，子核素的核数为,N,d,，则有：,32,母核,子核,母核半衰期（年）,87,Rb,87,Sr,(4.0720.04)10,10,238,U,206,Pb,(4.4680.002)10,9,40,K,40,Ar+,40,Ca,(1.2770.008)10,9,235,U,20,8Pb,(7.0380.005)10,8,36,Cl,36,Ar,(3.000.02)10,5,14,C,14,N,5730 40,3,H,3,He,12.28 0.003,用于年代测量的天然放射性核素,33,4.1,碳,14,测定技术,利用碳的放射性同位素碳,14,的放射性测定生物体遗骸及其他地质样品的绝对年代的是,W.F.,利比,于,1947,年创立,他也因此获得,1960,年的诺贝尔化学奖。,基本原理：,宇宙线的中子同大气中的氮,-14,反应，产生具有放射性的碳,14,其平均寿命,8266,30,年。由于产生和衰变之间的平衡，加上碳,14,的平均寿命较长和大气、海洋等巨大的碳的交换贮存库的调剂,使得大气中的,CO,2,的碳,14,的放射性比活度基本保持为一不变的常数,A,0,。,34,生物体同大气进行气体交换，其体内的碳,14,的放射性比活度也十分接近为,A,0,。一旦生物体死亡,它同大气的交换停止,其碳,14,的放射性比活度,A,就按指数规律减少,A=A,0,e,-t/,测量,A,和,A,0,的值,就能定出生物体从死亡至今的绝对年代,t,。,碳,-14,测年法分为,常规碳,-14,测年法,和,加速器质谱碳,-14,测年法,两种。当时，,Libby,发明的就是常规碳,-14,测年法。,35,碳,-14,测定年代主要是采用低本底、低能量（碳,-14,的最大能量为,0.156MeV,）的,测量技术。因为天然碳中的碳,-14,放射性比活度很低，,A,0,为,2.2510,2,Bq/kg,，而样品年代愈古老,A,值愈低。目前常用的探测器有正比计数器和液体闪烁计数器。测量时采用屏蔽，宇宙线反符合环，假信号甄别等方法来降低探测器的本底。目前碳,-14,方法的最大可测年限为四五万年，测量精确度一般为一百年左右。用加速器的超灵敏质谱仪直接测定样品中的,碳,-14,原子数目,，有可能将碳,-14,方法的最大可测年代增至近十万年。,36,加速器质谱碳,-14,测年法具有明显的独特优点。一是样品用量少，只需,1,5,毫克样品就可以了，如一小片织物、骨屑、古陶瓷器表面或气孔中的微量碳粉都可测量；而常规碳,-14,测年法则需,1,5,克样品，相差,3,个数量级。二是灵敏度高，其测量同位素比值的灵敏度可达,10,-15,至,10,-16,；而常规碳,-14,测年法则与之相差,5,7,个数量级。三是测量时间短，若要达到,1%,的精度，只需,10,20,分钟；而常规碳,-14,测年法却需,12,20,小时。,37,碳,-14,测定年代方法的可靠性已经被对已知年代的考古样品和生物样品,(,树木年轮,),的测定所证实，并在考古学、人类学、地质学等领域中得到广泛的应用。可以说，对测定,50000,年以内的文物样品，加速器质谱碳,-14,测年法是测定精度最高的一种。,38,对动则上亿年（地球年龄,45,亿年）的地质年代，利用半衰期仅,5700,年的碳,-14,断代是不可能的事情,(why?),。幸好在矿石中，有其他的放射性物质可以利用：例如铀,-238,会衰变为铅,206,，其半衰期为,45,亿年；云母或长石中的钾,-40,会衰变为氩,40,，其半衰期为,13,亿年等。,39,4.2,钾,-,氩法断代,利用矿物质中钾,-40,衰变成氩,-40,的原理来进行断代的技术。测定年代的范围在,10,万年以上。它是古人类学中常用的放射性断代方法之一。,钾在地壳中含量丰富,重量约占,2.8,。它有两个主要的非放射性同位素钾,-39,、钾,-41,共占,99.9%,以上。另有一个放射性同位素钾,-40,，只占,0.0118,。钾,-40,有两种不同的衰变方式,约有,9%,放射一个电子,衰变成钙,-40,余,91,以捕获,K,层一个电子的方式衰变成氩,-40,。放射性成因钙,-40,与原来岩石中的钙,-40,，无法加以区别，难以定量估计。因此只有钾,-40,衰变成氩,-40,容易测定，可作为断代的根据。,40,氩是惰性气体。在火山岩形成时，由于高温，岩石中不可能保留有气体。冷却后，放射性成因氩,-40,才逐渐在岩石中积累。因此只要测出岩石中的钾,-40,和放射性成因氩,-40,的含量，就可以定出该岩石形成的年代。在实验上需要对来自空气中的氩,-40,污染作扣除校正。,41,钾,-,氩法断代主要应用于地质学上测定火山岩的年代，因为钾,-40,的半衰期很长，约有,13,亿年,年轻样品累积的氩,-40,很少,不易测准，误差较大。考古上的应用主要是确定年代久远的旧石器时代早期遗址和古人类的年代。如遗址或古人类化石被埋在火山灰中，或者遗址地层与火山岩层相关联能进行比较，则可利用此种火山岩作钾,-,氩法测定，以定出古人类遗址的绝对年代。,42,例题：,在蒙古发现翼手龙的化石，设同地质层中的长石内，钾与氩的比例为,92:8,，请由此估算其年代。,t=(1.27710,9,ln2)ln(1+8/92)=1.5365 10,8,(,年,),即 约一亿,5365,万年前，时当侏罗纪后期。,43,5,放射性示踪法在生物学中的应用,研究植物的营养生理、对营养元素以及农药的,吸附、转运、分配和积累规律,研究人和动物体内物质的吸收、分布、代谢和排泄情况,为分子生物学提供原子和分子水平的研究手段,应用于基因工程,17,世纪：光学显微镜发明标志着生物医学发展中的里程碑,20,世纪：放射性示踪技术的诞生对生物学推进同样重要,44,其原理是将放射性同位素（如,14C,和,3H,）标记的化合物导入生物体内，经过一段时间后，将标本制成切片或涂片，涂上卤化银乳胶，经一定时间的放射性曝光，组织中的放射性即可使乳胶感光。然后经过显影、定影处理显示还原的黑色银颗粒，即可得知标本中标记物的准确位置和数量，放射自显影的切片还可再用染料染色，这样便可在显微镜下对标记上放射性的化合物进行定位或相对定量测定。,5.1,放射自显影术,Radioautography,45,卡尔文循环（光合碳循环）：,用放射性示踪技术研究植物的光合作用过程，发现植物吸收,CO,2,以及,CO,2,被还原为碳水化合物并转化为葡萄糖。,由于每一次放射性衰变能够指示出单个原子所处的位置，因此在各个化学反应的各个阶段，通过高灵敏度的探测器可以一直跟踪某种放射性核素的径迹，从而可以窥视用其他技术不能发现的反应机理和历程,1961,，卡尔文 获得诺贝尔化学奖。获奖原因：研究光合作用的化学过程。,5.2,放射性示踪法研究光合作用,46,47,6,放射性示踪法在生物化学研究中的应用,生物体内的物质代谢,确定代谢途径或中间代谢环节,找出代谢物在体内发生变化之后的产物,找出体内存在的各种生化物质的前身,48,6,放射性示踪法在生物化学研究中的应用,传统实验方法,整体实验,离体实验,传统实验方法的缺点,同位素示踪法,示踪量，不破坏体内生理过程的平衡,3,H,（,T,1/2,=12.3 y),14,C(T,1/2,=5730 y),液体闪烁测量,;,加速器质谱法（,AMS,）,49,7,放射示踪法在医学上的应用,目前全世界,80%,的同位素用于医学,核药物的分类,诊断核药物,：,进入体内的示踪剂，产生,射线，通过体外监测装置记录示踪剂在体内的位置、不同器官浓度及随时间的变化。,如：,扫描机、,相机、,SPECT,（单光子发射计算机断层,技术）、,PET,（正电子发射计算机断层技术）,显象：,平面显象、三维断层显象、动态显象,50,治疗核药物,：,利用放射性核素衰变时产生射线的,辐照效应,达到治疗的目的。,多为,、,衰变,剂量定位在体内某特定部位,如：,131,I-NaI,：治疗甲亢、甲状腺癌,放射示踪法在医学上的应用,51,放射性药物,99,Tc,m,（锝）,生产便利，,（,99,Tc,m,标记物占,80%,）,物理特性：,T,1/2,=6.02h,；,辐射，,E=141keV,，适用于,相机和,SPECT,临床应用：,可标记多种化合物,脏器显象剂,心肌显象、脑显象,52,7.1,Na,131,I,诊断甲状腺功能,口服示踪量,Na,131,I,，,在甲状腺部位测量放射性，求,131,I,吸收率,53,7.2,放射免疫分析（,RIA,）,Radio Immuno Assay,定义：,应用放射示踪剂测定体液中,生物活性物质含量,的体外检测技术。,原理：,放射性标记抗原和非标记抗原对限量特异性抗体的竞争抑制反应。,常见分析方法：,测量,X,和,射线样品的放免计数器,测量软,射线样品的液体闪烁计数器,54,应用,:,糖尿病人血浆中胰岛素浓度；,血清中甲状腺素浓度；,内分泌学,肿瘤学,免疫学,病毒学等,;,测定,300,多种人体活性物质和药物,灵敏度达,10,-9,10,-12,g,7.2,放射免疫分析（,RIA,）,55,8,放射性示踪发展展望,核医学发展更加普及,形成相关高科技产业,社会效益显著：心血管病和肿瘤,今后的发展方向,珠联璧合：,核辐射探测技术的高灵敏度,+,现代计算机技术,