小小“侦察兵” 工作细无声
小小“侦察兵” 工作细无声
示踪原子与同位素示踪法
山东省滨州市邹平县第一中学 郭小燕
1.示踪原子和同位素示踪法
 同位素是二十世纪科学史上的重大发现之一。同位素示踪法是随之产生的一项科学应用技术。简单地说，带有“放射性标记”的原子叫做示踪原子。同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。形象地说，就是把示踪原子派出去当“侦察兵”，让它去跟踪研究对象。
匈牙利化学家海维西(Gyorgy Hevesy，1885—1966)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。1934年他在制备一种磷的放射性同位素之后，进行磷在身体内的示踪试验。随着加速器与核反应堆的发明，大量同位素被生产出来，同位素示踪法也得以广泛应用。
2.放射性同位素的特点
放射性同位素（radiosotlope）是不稳定的。它的原子核会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定元素，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α射线、 β射线、γ射线或发生电子俘获等，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，也不受元素所处化学状态的影响，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。半衰期较长的放射性同位素被认为是实验中鉴定化合物的理想工具。
3.同位素示踪法的基本原理和特点
同位素示踪所利用的放射性核素，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代替相应的不具有标记的化合物。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。用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度高，测量方法简便易行，能准确地定量测量和定位，而且符合所研究对象的生理条件。放射性同位素示踪法具有以下四个特点：
3．1灵敏度高
放射性同位素示踪法可测到10-17kg～10-21kg水平，即可以从1015个非放射性原子中检测出一个放射性原子，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-15kg水平。
3．2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(动物、植物和其他物体的内部)示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的γ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β射线(能量较低)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。
3．3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。
3．4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改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常状态，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。
同位素示踪法的优点如上所述，但还需注意：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。
4.同位素示踪法与生命科学的发展
在半个多世纪的发展历程中，同位素示踪法被广泛用于生命科学研究的各个方面。
最早，同位素示踪法应用在物质代谢和转化的研究方面。生物体内存在着很多种物质，究竟它们之间是如何转变的，如果在研究中应用适当的同位素标记物作示踪剂分析这些物质中同位素含量的变化，就可以知道它们之间相互转变的关系，还能分辩出谁是前身物，谁是产物，分析同位素示踪剂存在于物质分子的哪些原子上，可以进一步推断各种物质之间的转变机制。1935年，美国科学家桑恩海默（R．Schoenheimer）和雷顿博格（D．Rittcnberg）用15N做标记，研究氨基酸在动物体内的变化，发现氨基酸在动物体内是相互转变的。他们还用2H标记水分子来研究大鼠体内的物质转化过程。1938年，美国科学家卡门（M．D．Kamen）和鲁宾（S．Roben）用18O标记水和CO2，证明了植物放出的O2来自水，而不是CO2。二战后，美国物理学家卡尔文（M．Calvin）用14C对光合作用进行研究。经过10年的细致工作，终于在1957年探索出了光合作用的三碳途径。并获得诺贝尔奖。
20世纪50年代以来，生物学进入分子生物学时代。同位素示踪法为揭示细胞内理化过程的秘密和阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。1952年，美国科学家赫尔希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）通过35S和32P标记噬菌体侵染细菌，发现了病毒的复制机制和遗传结构，再次证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。1957年美国科学家梅塞尔森（M．Meselson）和斯塔尔(F．Stahl)通过15N做标记，研究大肠杆菌的DNA复制过程，证明了DNA的半保留复制。
在细胞水平上，20世纪70年代詹姆森（J．D．Jamieson）等在豚鼠的胰腺细胞中注射3H标记的亮氨酸，观察其在细胞内的变化，由此发现了分泌蛋白质运输的方式是粗面内质网"高尔基复合体"浓缩小泡"酶原颗粒。
近几年来，物理和化学上的重大突破，给同位素示踪技术注入了新元素。双标记和多标记技术，稳定性同位素示踪技术，活化分析，电子显微镜技术，同位素技术与其它新技术相结合等应运而生。由于这些技术的发展，使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平，阐明了一系列重大问题，如遗传密码、细胞膜受体、RNA-DNA逆转录等，为人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。
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