同位素示踪技术isotopic tracer techniques

以同位素或其标记物为示踪剂，引入生物体系后，追踪其在体内动态过程的技术。是揭示生物体生命活动规律的一种重要科研手段。按所用同位素的核物理性质分为以下三类：
放射性同位素示踪 以放射性同位素为示踪原子，利用原子核自发衰变而放射射线的特征，可用射线探测器直接检测放射性射线的存在及其量，从而追踪它在生物体系内的动态。
放射性同位素 生物学研究中常用的放射性同位素有3H、14C、32P、35S、42K、45 Ca、51Cr、55Fe、59Fe、65Zn、86Rb、125I、131I等，其中3H、14C、32P、35S、125I、131I经常用来标记各种化合物，包括生物高分子(表1)。

表1 生物学研究中常用的放射性同位素及其射线类型和半衰期

元素名称	生物学中常用的 放射性同位素	射线类型	半 衰 期
氢 碳 磷 硫 碘	3H 14C 32P 35S 125I、131I	β β β β γ	12.26年 5730年 14.3天 87.9天 60.2天、8天

检测仪器 测量放射性的仪器，常用的有盖革一缪勒计数器、闪烁计数器 （包括固体和液体闪烁计数器） 等，其中液体闪烁计数器是测量低能射线(3H、¹⁴C)样最为有效的仪器。它促进了现代生物学研究中同位素技术的广泛应用。
放射性强度单位（活度） 现用国际单位称为贝可勒尔(Becquerel)，简称贝可(Bq)。1贝可相当于每秒一个核衰变。目前中国并用的单位有居里(Ci)(1Ci=3.7×1010Bq)、毫居里(mCi)和微居里(μCi),1Ci=10³mCi=10⁶μCi。试样的放射性强度由仪器测量时表现为计数率，若将之除以仪器计数效率即得到衰变率。
实验方法 生物学研究中应用放射性同位素示踪进行定量检测的基本程序可归纳为：❶同位素（标记化合物）的选择与准备；
❷示踪剂向示踪实验体系的引入；
❸主实验过程；
❹样品的采集与预处理；
❺试样的制备与测量；
❻测获数据的处理与放射性废弃物的处置。为分离目的物进行定量测定，常用的方法有： 同位素稀释分析法、放射层析法和放射呼吸法等。放射性同位素示踪方法具有检测灵敏度高(10-¹⁴～10-¹⁸克)，可分辨生物体内原有的和实验引入的分子在体内的分布和含量。实验操作简便，可在整体和生理条件下进行试验等，但应用时需要特殊的训练和仪器等。用于示踪物定位检测时，基本程序同定量法，但最后采用放射自显影法。利用同位素能使底片感光原理，显影后，即可看到示踪物在生物体内的分布。
应用 放射性同位素示踪技术在生物学研究的历程中起着强有力的推动作用，揭示了生物体和细胞内的理化过程，阐明了生命活动的物质基础，如DNA的复制机制，植物光合作用的碳素循环等。放射性同位素技术广泛地应用于生物科学各个领域，按其“功能”，它在生物科学中可以有效地研究和解决： ❶示踪生物体在空间的迁移和分布；
❷示踪化合物在生物体内的运转和分配；
❸生物体内示踪化合物的化学转化和物质代谢；
❹生态系统中示踪化合物的分布、转化及循环；
❺生物有机体对不同营养源中营养元素的同化、吸收利用的程度；
❻生物有机体的信息传递，以及在生物工程研究中应用放射性同位素标记的蛋白质或多肽、氨基酸、糖类、脂类、核苷酸甚至染色体或细胞，以及病毒、噬菌体等微生物进行DNA的重组和复制，酶的活性和新陈代谢，杂交新种和抗逆性遗传基因型的筛选，细胞遗传机理等的研究。
稳定性同位素示踪 以元素的稀有稳定性同位素为示踪原子，以其质量差异而区别。自然界元素的同位素组成比是相对恒定的，将人工富集的稀有稳定性同位素标记物引入生物体系后，根据试样中同位素组成比的变化即可达到示踪的目的。稳定性同位素的相对含量常用原子百分数或同位素丰度(%)表示(表2)，天然物质中某元素的同位素丰度称为自然丰度，实验时应用富集同位素的丰度减去自然丰度即得同位素的原子百分超（或富集度），不同的实验需要的丰度值有异。

表2 生物学研究中常用的稳定性同位素

元素 名称	元素的主要同位素及 其自然丰度(%)	生物学研究中使用的稀有同位 素及其自然丰度(%)
氢 碳 氮 氧 硫 钾 钙	1H(99.985) 12C(98.89) 14N(99.635) 16O(99.76) 32S(95.05) 39K(93.22) 40Ca(96.94)	2H(0.0148) 13C(1.11) 15N(0.365) 17O(0.038)、 18O(0.204) 33S(0.75)、34S(4.21)、36S(0.017) 41K(6.7) 46Ca(0.0035)、48Ca(0.19)

同位素丰度的测定方法有： 质谱法、发射光谱法、红外光谱法、核磁共振法和活化分析法等(表3)。稳定性同位素作为示踪原子它不存在衰变、不具放射性，无须防护，在生物医学和动物生理研究中尤为适用。常用的有2H、13C、15N、17O、18O和33S等。其中特别是N和O元素无适当的放射性同位素，所以其稳定性同位素¹⁵N和¹⁸O的应用尤为重要。因此，在植物N素营养研究、生物固氮、动物的氮代谢等研究中均广泛应用¹⁵N及其标记物。

表3 稳定性同位素主要测定方法

方 法	所需样品量	样品形式
发射光谱法	毫克～微克	N2(其他同位素效 果较差)
气体同位素比值质 谱法	微克～微微克	N2、H2、CO等简 单气体分子
有机质谱法及色质 谱法	微克～微微克	各种分子量<1000～ 2000的有机物或其衍 生物
核磁共振法 红外光谱法	毫克～微克 毫克～微克	各种有机物的溶液 CO2、H2、O2、NO2 等简单分子
活化分析法	微克～微微克	气体、 液体或固体 样品， 也可是生物组 织。

后活化示踪 是稳定性同位素示踪法的发展，它利用可以活化的稳定性同位素作示踪物，试样经高能粒子(中子、质子)照射产生核反应（即活化）后，转化为放射性同位素，最后用射线探测仪器（如能谱仪）测量活化后放射性同位素所放出的射线能量和强度，进行定性、定量分析，从而提高稳定性同位素的检测灵敏度，同时在示踪实验中可避免放射性同位素污染。

同位素示踪技术isotopic tracer techniques

以同位素或其标记物为示踪剂，引入生物体系后，追踪其在体内动态过程的技术。(见“核素示踪技术”)