稳定核素标记物的制备

对于任何应用稳定核素的生物医学工作，先决条件是选择并获得适用的标记物。为此必须考虑下列因素：
❶分子内需要标记那种原子，或多少种原子，每种多少个；
❷从生物学角度看，那一标记位置最为合适；
❸从化学角度看，标记原子是否处于稳定的位置；
❹采用什么合成方法与途径；
❺原料的同位素丰度；
❻产率及产品的价格。
一般合成都是以简单的分子为原料，包括¹³CO、¹³CO₂、1⁵NO、¹⁵NH₃、H₂¹⁷O、H₂¹8O、³⁴SO₂、D₂O、D₂等。从上述原料，先制成一批关键的中间物。这些中间物主要由原子能基地或有关厂商生产。例如13C的关键中间物共有十几种，其中二氧化碳、甲醇、乙酸是最重要的三种，从它们可以合成所有的标记有机化合物。

洛斯阿拉莫斯实验室大量生产¹³C中间物所采用的合成途径

每个实验室可以用上述关键中间物为原料，制备本身实验或研究中所需要的¹³C标记物。
生物合成也常用于制备复杂的标记物。此时所用的方法与放射性核素标记物的生物合成相似(见“放射性核素标记物的生物合成”条)，只不过将含稳定核素的原料代替相应的放射性原料而已。对于合成抗生素等天然产物的标记物，生物合成特别有用。
氘化微生物是制备氘标记物的一种很方便的方法。许多微生物都可以制成高度氘化的形式。从它们可以提取蛋白质、核酸、色素、糖类以及各种超分子组织结构，包括核蛋白体、染色质及生物膜。可置绿藻、细菌或酵母于99.7%氘水中生长，同时加葡萄糖或琥珀酸盐作为碳源(高级植物及动物只能分别耐受60%及30%D₂O)。从酵母培养得到的乙醇含氘85%。从细菌培养得到的乳酸、蛋白质及核酸的含量分别为70%、85%及55%。从绿藻，用此法可以制得高度氘化的DNA、电子传递蛋白质及其他许多代谢物。也可以用氘化的有机化合物(如糖类、氨基酸等)代替D₂O，作为微生物的饲料。它们比氘水毒性小，可用以氘化高级生物；但是，重水最便宜，也易于大量获得。
有机合成和生物合成配合应用能够发挥各自的优点。常以定位标记的化合物用作生物合成的前身；反之，生物合成所制得的均匀标记的化合物也常用作有机合成中极为方便的原料。
为了提高整个分子的同位素丰度，或加大与非标记分子之间的质量差别，多标记是有效的方法。例如在研究苯丙氨酸代谢的实验中，曾经合成了DL-苯丙氨酸-(环d₅,α-d₂)及L-苯丙氨酸-d₈。有些标记嘧啶在合成时，甚至分步引入标记原子，以达到将分子内的C、H、O、N等原子全部都变成相应重原子的目的。
合成稳定核素标记物的方法和合成放射性标记物相比，除了没有辐射危害性之外，还有两点主要差别：
❶化学量： 合成反应所采用的化学量比制备放射性标记物要大许多倍。每合成一批稳定核素标记物，产量大致在1～100g之间。在特殊情况下，如制备核磁共振所需的含氘溶剂，一批产品有可能多达数千克；
❷同位素丰度：为了便于探测，稳定核素标记物往往要求很高的同位素丰度，最好不低于90%。
制备及应用核素标记物必须考虑以下二点，否则将引起错误的实验结果。
(1)标记的丢失： 处于不稳定位置上的同位素，将于实验过程中离开化合物，失去标记的作用。极性基团中的氢原子不稳定。—COOH、—OH、—NH₂、—NH等，很快就与水或其他一些极性溶剂中的氢交换。位于羟基α位置的氢原子，及苯环上与羟基处于邻位或对位的氢原子，也都是不稳定的。连接于碳原子的氢一般比较稳定，但也不是完全没有脱落的危险。例如溶于油酸并贮封于胶囊中的(1,2-²H)-十一酸睾丸酮酯，在室温保存一年后大约丢失30%的标记。
仅在试管中保持稳定还不够，标记在体内的脱落，同样也会模糊实验的结果。例如(11,12-²H)-石胆酸在肝肠循环中大量丢失标记。可能的解释是： 石胆酸主要是以与硫酸相结合的形式从胆汁排出，它只有在肠道经脱硫作用后才能重新吸收，因而不免受到肠内细菌酶的侵袭，引起标记的损失。
为了确证氘标记的生物稳定性，可以在给以氘标记物的同时，引入相应的¹⁴C标记物，然后比较组织、组织液或排出物中两种核素的比放射性衰减曲线，或核素比值。例如可以同时给动物氘标记的胆酸及24-¹⁴C-胆酸，然后从胆汁分出胆酸，比较两种核素的比放射性丰度衰减曲线，以检验该氘标记物在肝肠循环中的稳定程度。也可进一步收集粪便样品，分出胆酸，并测定核素比值，以查明在肠道中氘标记有否受到破坏。
(2)同位素效应： 核素的应用是以同一元素的不同同位素在化学及生物反应上的一致性为前提的。可是，有时同一元素的同位素之间由于质量的不同而显示出性质上的差异。这种情况称为“同位素效应”(见“同位素效应”条)或“质量鉴别作用”。例如重水穿透入红细胞的速度比平常的水分子为慢。氘标记的琥珀酸被特殊脱氢酶氧化的速率也与非标记者有所不同。其他元素的同位素在质量上的差别比氢的同位素显然要小得多，不过这种差别仍可能对化学反应的速度略有影响。此外，同位素效应也可表现在分析或鉴定的实验中。同位素标记可能影响化合物的酸碱度，因而标记物的分配系数有别于相应的非标记物，以至在提取过程中二者不能得到一致的结果。层析分离中，尤其是用高压液相层析时，含有多个氘原子的标记物往往和相应的非标记物完全分开，形成两个独立的层析峰。
目前已经制成的稳定核素标记物已相当可观。它们包括标记脂肪、生物胺、氨基酸及其代谢产物、糖类、核酸衍生物、卟啉、维生素、辅酶、抗生素、胆酸、类固醇激素等代谢物质和许多药物。