放射性同位素的应用-同位素示踪法
同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。Hevesy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。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。
一、同位素示踪法基本原理和特点
同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，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（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。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，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点：
1.灵敏度高
放射性示踪法可测到10^(-14)－10^(-18)克水平，即可以从10^(15)个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感10^(8)-10^(7)倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10^(-12)克水平。
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，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r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.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。
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重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，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。放射性同位素示踪法的优点如上所述，但也存在一些缺陷，如从事放射性同位素工作的人员要受一定的专门训练，要具备相应的安全防护措施和条件，在目前个别元素（如氧、氮等）还没有合适的放射性同位素等等。在作示踪实验时，还必须注意到示踪剂的同位素效应和放射效应问题。所谓同位素效应是指放射性同位素（或是稳定性同位素）与相应的普通元素之间存在着化学性质上的微小差异所引起的个别性质上的明显区别，对于轻元素而言，同位素效应比较严重。因为同位素之间的质量判别是倍增的，如3H质量是1H的三倍，2H是1H的两倍，当用氚水（3H2O）作示踪剂时，它在普通H2O中的含量不能过大，否则会使水的物理常数、对细胞膜的渗透及细胞质粘性等都会发生改变。但在一般的示踪实验中，由同位素效应引起的误差，常在实验误差内，可忽略不计。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，以免实验对象受辐射损伤，而得错误的结果。
二、示踪实验的设计原则
设计一个放射性同位素的示踪实验应从实验的目的性，实验所具备的条件和对放射性的防护水平三方面着手考虑。原则上必须从两个主要方面来设计放射性示踪实验：一是必须寻求有效的、可重复的测定放射性强度的条件，二是必须选择一个合适的比活度λqδ（单位是原子／时间／分子，dpm／mol或ci／mol）。其中，λ = -(dN’/dt)／N’, 为该处放射性原子核的衰变常数。q＝N ’／n’，表示n’个该化学形式分子为N’个放射性原子所标记。δ＝n’／n表示放射性标记的分子数n’与总分子数（标记的加未标记的）n之比。采用放射性同位素示踪技术来实现所研究课题预期目的全部或一部分，一般须经过实验准备阶段，实验阶段和放射性废物处理三个步骤。
（一）实验准备阶段
1.示踪剂的选择
选定放射性示踪剂的比活度λqδ的值必须足够大，以保证实验所需要的灵敏度，而又要尽可能地小，使得在该实验条件下辐射自分解可忽略。一般情形是根据实验目的和实验周期长短，来选择具有合适的衰变方式，辐射类型和半衰期，且放射毒性低的放射性同位素。至今已确定的放射性核素包括天然的58种和人工制造的约1300种，其中大多数不常能用作放射性示踪剂。主要原因是制备困难、半衰期不合适及放射性不足以定量。在任何一种生产方法中，生产步骤很可能包含或多或少的化学处理，因而示踪实验人员需要了解某个核素及其周围的那些元素的化学性质，因为它们有可能成为此放射性同位素的杂质。
放射性同位素都衰变（经过或不经过中间状态）到处于基态的子体核素，衰变时伴
随各种形式的能量辐射，如α、β-、β+、γ、X放射等。在选择示踪剂时，示踪实验人员要仔细研究衰变纲图，根据实验条件和计数条件来决定那一种辐射，在衰变纲变内，代表核能级的两条水平线之间和距离表示能量差，↑或↓表示能级同伴随原子序数增或减少的能量，↓表示从激发态至基态的同质异能跃迁。一般要选择最适宜的半衰期τ的放射性同位素，使τ足够长，从而使衰变校正有意义或干脆不必作衰变校正，同时又要足够短，能较安全地进行示踪实验，并使得放射性废物容易处理，在实际工作中，使用的放射性同位素的半衰期应该与实验需要持续的时间t相适应，如对于某个实验，t／τ＝0.04时，应所选放射性同位素的衰变校正为
3.5％；而t／τ＝0.10时，应选放射性同位素的衰变校正为6.6％。t／τ＝0.15时，应选用其衰变校正为10％。
在体外示踪条件，一般选用半衰期较长而射线强度适中，既利于探测，又易于防护和保存的放射性示踪剂。体内示踪条件下，若实验周期短，应选用半衰期短，且能放出一定强度r射线物放射性同位素，若实验周期长，如需要将动物活杀后对组织脏器分别测定的，则应选用半衰期较长放射性同位素。此外，根据实验目的来选用定位的或不定位的标记示踪剂，例如研究氨基酸的脱羧反应，14C应标记在羧基上，只有这种定位标记的氨基酸，才能在脱羧后产生14CO2。而有些实验不要求特定位置标记，只须均匀标记即可。
选择放射性示踪剂还必须同时满足高化学纯度，高放射性核纯度的要求。在示踪剂制备期间、贮存期间以用试验体系中所使用的溶剂、化学试剂、酶等可能会产生化学杂质、放射化学杂质及辐射自分解引起的放射性杂质，这些杂质的存在，使得示踪实验中使用的示踪剂不“纯”，而或多或少影响实验的结果，甚至会导致错误结论。氚标记的胸腺嘧啶核苷（3H－TdR）和尿嘧啶核苷（3H－UR）是两种常用的示踪剂，前者有效地结合到DNA中，后者则掺入到RNA中，它们的辐射分解速度随比较放射性的增高及保存时间的延长而增加，在不同温度和不同溶液中的稳定性也不同。经保存八年的3H-TdR约有35％辐射分解为3H－胸腺嘧啶，并导致二醇和水合物的形式，在实验中这杂质会很快掺入细胞并与大分子（很可能是蛋白质）结合，而不是与DNA和RNA相结合，这些杂质用DNA酶和RNA酶处理细胞都不除去。3H－TdR和3H－UR贮存在-20℃的冷冻溶液中辐射分离速度要比+2℃增加3－4倍，但低温度（-140℃）对贮存也有利，在允许对示踪实验人员在选择保存放射性示踪剂时会有所启发。
2.放射性同位素测量方法的选择
测量方法的选择取决于射线种类，对于α射线通常可用硫化锌晶体、电离室、核乳胶等方法探测；对能量高的β射线可用云母窗计数管、塑料闪烁晶体及核乳胶测定，对于能量低的β射线可用液体闪烁计数器测量：对于γ射线则用G-M计数管，碘化钠（铊）闪烁晶体探测。目前大多数实验室主要采用晶体闪烁计数法和液体闪烁计数法两种测量方式。
同一台探测仪器对不同量的示踪剂具有不同的最佳工作条件，在实验准备阶段要检查探测器是否已调有所用示踪同位素的工作条件，否则需要用一定量的示踪剂作为
放射源（或选用该同位素的标准源），把探测器的最佳工作条件调整好，并且要保证探测器性能处于稳定可靠的状态。
探测最佳工作条件的选择方法：一种是测“坪曲线”，另一种是找最好的品质因素。对于光电倍增管，在理论上不存在“坪”（plateau）。但随着高压的增加，在一定范围内，脉冲数变化较小，形成一段坡度较小的电压脉冲曲线，通常也称其为坪。测坪曲线的方法：固定放射源，根据其射线能量的大小，初选一个广大器增益（放大倍数）和甄别器阈值。不断地改变高压（由低到高，均匀增加伏度），每改变一次高压，都测定一次本底和放射源的计数率，最后作出高压本底计数率和高压放射源计数曲线。用同样的方法，作另一个甄别阈值（放大倍数不变）下的高压计数率曲线，这样反复多作几条曲线。必要时，还可固定甄别阈值，改变放大倍数，求出高压计数率曲线。应选择“坪”比较平坦的曲线工作条件：甄别阈值和放大增益，作为正式测定时间的仪器工作条件，高压值应选择在该“坪”中点偏向起始段一边相应的高压值。品质因素，又称为优值，是指在一定条件下，要达到合适的统计数目所需要的时间是仪器的计数效率E和本底计数Nb的函数：品质因素F=E2／Nb它是衡量一台计数器性能的指标，仪器的品质因素F应该越大越好，品质因素F越大，表示测量效率E越高而本底Nb越小。如果某放射性示踪的标准源存在来源困难等问题的话，可以用相对品质因素f来代替。相品质因素f=ns／nb 式中ns指某种放射性样品的计数率。找最好品质因素的方法与测坪曲线一样，作出几条高压－F（或f）的关系曲线，在几条曲线中选择峰值最高的曲线。这根曲线的峰值所对应的条件：高压，甄别阈，放大倍数等，就是该仪器对被测同位素的最佳工作条件。最佳品质因素不一定恰好落在“坪”上，有的在“坪”附近，有的却在“坪”的下端。着眼于把同位素的整个能谱峰都计下来的示踪实验者主张取“坪”所对应的工作条件，而着眼于优值者，主张取最佳品质因素所对应的工作条件，也有人折衷。如果某仪器本底很低，光电倍增管噪音很低和能谱分辩高，二者应该相差不大。同一台仪器的最佳工作条件，随仪器的使用期延长而有所改变，不同的放射性同位素，其最佳工作条件不同。因此核探测仪器的最佳工作条件具有专属性，并且要经常通过选择其不同时期的最佳工作条件。更不能不问被测同位素的种类，而千篇一律地使用同一个工作条件。
为了达到准确地计数，可以长时间一次计数，或短时间多次测量，两者达到的标准误基本相同，为避免外界因素的影响，在实际工作中，取短时间多次测量较为合理适用。在测量样品的放射性时，本底是一个重要影响因素。本底高，则标准误和标准误差都增大，尤其在样品计数较低时，本底对标准误和标准误差的影响就愈大，从而影响实验结果的精度，而且为了达到一定的精度，势别要增加样品的测量时间。根据核衰变的统计规律，在实验中如果样品数量少，选择tN=1.4tb的比例（式中tN为样品放射性测量时间，tb为本底测量时间）较为合理；如果样品数量较多是一大批样品，则延长本底测量时间tb，取tb的时间均值，而tN则可相对短，这样可节省时间，有利于缩短实验周期。对于示踪实验设计来说，样品中所含放射性强度的要求，是使其放射性计数率大于或等于本底计数的10－20倍。
3.进行非放射性的模拟实验，把实验全过程预演一遍
同位素示踪实验要求准确、仔细，稍有疏忽或考虑不周就匆忙进行正式实验，既容易导致实验失败，又会造成示踪剂和其它实验用品的浪费，还会增加放射性废物，增加实验室本底水平，使实验者接受不必要的辐射剂量，所以模拟实验不仅可以检查正式实验中所用器材，药品是否合格，又可以操作人员进行训练，以保证正式实验能顺利进行。
（二）正式实验阶段
1.选择放射性同位素的剂量
同位素必须能经得起稀释，使其最后样品的放射性不能低于本底，一般来说放射性同位素在生物体内不是完全均匀地被稀释，可能在某些器官、组织、细胞、某些分子中有选择性地蓄积，蓄积的部分放射性就会很强，在这种情况下，应以相关部位对示踪剂的蓄积率来考虑示踪剂用量。在细胞培养，切片保温，酶反应等示踪实验中，应依据实验目的、反应时间及反应体积的不同来考虑示踪剂的用量，通常小于一个微居里或几个微居里。由于放射性同位素存在辐射效应，应该根据使用的放射性核素的种类，将用量控制在最大允许剂量之内（maximun permissible dose），以免因剂量过大所造成的辐射效应，给实验带来较大的误差。
2.选择示踪剂给入途径
整体示踪实验时，应根据实验目的，选择易吸收、易操作的给入途径，一般给予的数量体积小，要求给予的剂量准确，防止可能的损失和不必要的污染。体外示踪实验时，应根据实验设计的实验步骤的某个环节加入一定剂量的示踪到反应系统中去，力求操作准确，仔细。
3.放射性生物样品的制备
根据实验目的和示踪剂的标记放射性同位素的性质制备放射性生物样品，其中放射性同位素的性质是生物样品制备形式的主要依据。若是释放r射线的示踪剂，则样品制备比较容易，只要定量地取出被测物放入井型NaI（TL）晶体内就能测定；若是释放出硬β射线的示踪剂，须将生物样品制成厚度较薄的液体，或将液体铺样后烘干，也可灰化后铺样，放入塑料晶体闪烁仪内测定，或用钟罩型盖一革计数管探测；若标记同位素仅释放软β射线，那么样品应制成液体闪烁样品（详见放射性测量”一章），在液体闪烁计数器内测量。不论采用何种测量方法，都应该对样品作定量采集。对某些放射性分散的样品，应当作适当浓集，如测定组织内蛋白质的放射性，应对蛋白质作提取处理然后制备成相应的测量样品。有些样品需采用灰化法，但灰化法对易挥发的同位素或易挥发的组织样品不合适。
4.放射性样品的测量
测量方法分为绝对测量和相对测量。绝对测量是对样品的实有放射性强度作测量，求出样品中标记同位素的实际衰变率，在作绝对测量时，要纠正一些因素对测量结果的影响，这些因素包括仪器探头对于放射源的相对立体角、射线被探头接收后被
计数的几率、反散射、放射源的自吸收影响等等。而相对测量只是在某个固定的探测仪器上作放射性强度的相对测量，不追求它的实际衰变率。在一般的示踪实验中，大多采用相对测量的方法，比较样品间的差异。在相对测量时，要注意保持样品与探测器之间的几何位置固定。几何条件的影响是放射性测量中最重要的影响因素。当两个放射性强度相同的样品在测量中所置的几何位置不一，或样品制备过程造成的几何条件差异，其计数会相差很多，尤其当样品与探头之间距离较近时，两者计数率相差会很大。但是当样品与探头之间相距较远时，由于样品与探头之间形成的相对立体角较小，所以两者计数率的差异会显著减小。在用纸片法测量3H标记物的放射性强度时，要注意纸片在闪烁瓶中的位置，一批样品应该一致，如果是将滤纸剪成圆状作支持物，圆片的直径最好与闪烁瓶底的直径相等，保证滤纸在闪烁瓶内的位置固定。减小几何条件对放射性测量的影响可以从三方面入手：⑴选择探测窗大的探测器，如光电倍增管作探头的探测器；⑵在样品制备时，注意尽量将样品做成点状源，这样当样品的放射性强度较弱时，由于距离探测窗较近而有可能造成的水平位移的影响就可以忽略；⑶无论样品距离探测窗远近，样品都应置于探测窗的垂直轴线上，以减少样品与探测窗之间的相对立体角。
（三）放射性去污染和放射性废物处理
放射性实验，无论是每次实验或阶段性实验结束后，都可能有不同程度的放射性污染和放射性废物的出现，因此，在实验结束后，要作去污染处理和放射性废物处理。必要时在实验过程进行中，就要作除污染和清理放射性废物的工作。
三、同位素示踪法在生物化学和分子生物学中的应用
放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。近几年来，同位素示踪技术在原基础上又有许多新发展，如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。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，使人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。下面仅就同位素示踪技术在生物化学和分子生物学中应用的几个主要方面作一介绍。
1.物质代放谢的研究
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。为了研究胆固醇的生物合成及其代谢，采用标记前身物的方法，揭示了胆固醇的生成途径和步骤，实验证明，凡是能在体内转变为乙酰辅酶A的化合物，都可以作为生成胆固醇的原料，从乙酸到胆固醇的全部生物合成过程，至少包括36步化学反应，在鲨烯与胆固醇之间，就有二十个中间物，胆固醇的生物合成途径可简化为:乙酸→甲基二羟
戊酸→胆固醇。又如在研究肝脏胆固醇的来源时，用放射性同位素标记物3H－胆固醇作静脉注射的示踪实验说明，放射性大部分进入肝脏，再出现在粪中，且甲状腺素能加速这个过程，从而可说明肝脏是处理血浆胆固醇的主要器官，甲状腺能降低血中胆固醇含量的机理，在于它对血浆胆固醇向肝脏转移过程的加速作用。
2.物质转化的研究
物质在机体内相互转化的规律是生命活动中重要的本质内容，在过去的物质转化研究中，一般都采用用离体酶学方法，但是离体酶学方法的研究结果，不一定能代表整体情况，同位素示踪技术的应用，使有关物质转化的实验的周期大大缩短，而且在离体、整体、无细胞体系的情况下都可应用，操作简化，测定灵敏度提高，不仅能定性，还可作定量分析。在阐明核糖苷酸向脱氧核糖核苷酸转化的研究中，采用双标记法，对产物作双标记测量或经化学分离后分别测量其放射性。如在鸟嘌呤核苷酸（GMP）的碱基和核糖上分别都标记上14C，在离体系统中使之参入脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP），然后将原标记物和产物（被双标记GMP掺入的dGMP）分别进行酸水解和层析分离后，测定它们各自的碱基和戊糖的放射性，结果发现它们的两部分的放射性比值基本相等，从而证明了产物dGMP的戊糖就原标记物GMP的戊糖，而没有别的来源，否则产物dGMP的碱基和核糖的比值一定与原标记物GMP的两部分比值有显著差别。这个实验说明戊糖脱氧是在碱基与戊糖不分记的情况下进行的，从而证明了脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸直接转化而来的，并不是核糖核苷酸先分解成核糖与碱基，碱基再重新接上脱氧杭核糖。无细胞的示踪实验可以分析物质在细胞内的转化条件，例如以3H-dTTP为前身物作DNA掺入的示踪实验，按一定的实验设计掺入后，测定产物DNA的放射性，作为新合成的DNA的检出指标。
3.动态平衡的研究
阐明生物体内物质处于不断更新的动态平衡之中，是放射性同位素示踪法对生命科学的重大贡献之一，向体内引入适当的同位素标记物，在不同时间测定物质中同位素含量的变化，就能了解该物质在体内的变动情况，定量计算出体内物质的代谢率，计算出物质的更新速度和更新时间等等。机体内的各种物质都在有大小不同的代谢库，代谢库的大小可用同位素稀释法求也。
4.生物样品中微量物质的分析
在放射性同位素示踪技术被应用之前，由于制备样品时的丢失而造成回收率低以及测量灵敏度不高等问题，使得对机体正常功能起很重要作用的微量物质不易被测定。近年来迅速发展、应用愈来愈广泛的放射免疫分析（radioimmunoassay）技术是一种超微量的分析方法，它可测定的物质300多种，其中激素类居多，包括类固醇激素，多肽类激素，非肽类激素，蛋白质物质，环核苷酸，酶，肿瘤相关的抗原，抗体以及病原体，微量药物等其它物质。
5.最近邻序列分析法（Nearest neighbour-sequence analysis method）
放射性同位素示踪技术，是分子生物学研究中的重要手段之一，对蛋白质生物合成的研究，从DNA复制、RNA转录到蛋白质翻译均起了很大的作用。最近邻序列分
析法应用同位素示踪技术结合酶切理论和统计学理论，研究证实了DNA分子中碱基排列规律，在体外作合成DNA的实验：分四批进行，每批用一种不同的32P标记脱氧核苷三磷酸，32P标记在戊糖5'C的位置上，在完全条件下合成后，用特定的酶打开5'C－P键，使原碱基上通过戊糖5'C相连的32P移到最邻近的另一单核苷酸的3'C上。用最近邻序列分析法首次提出了DNA复制与RNA转录的分子生物学基础，从而建立了分子杂交技术，例如以噬体T2-DNA为模板制成
[32P]RNA，取一定量T2-DNA和其它一些DNA加入此[32P]RNA中，经加热使DNA双链打开，并温育，用密度梯度离心或微孔膜分离出DNA-[32P]RNA复合体测其放射性，实验结果只有菌体T2的DNA能与该[32P]RNA
形成放射性复合体。从而证明了RNA与DNA模板的碱基呈特殊配对的互补关系，用分子杂交技术还证实了从RNA到DNA的逆转录现象。此外，放射性同位素示踪技术对分子生物学的贡献还表现在：⑴对蛋白质合成过程中三个连续阶段，即肽链的起始、延伸和终止的研究；⑵核酸的分离和纯化；⑶核酸末端核苷酸分析，序列测定；⑷核酸结构与功能的关系；⑸RNA中的遗传信息如何通过核苷酸的排列顺序向蛋质中氨基酸传递的研究等等。为了更好地应用放射性同位素示踪技术，除了有赖于示踪剂的高质量和核探测器的高灵敏度外，关键还在于有科学根据的设想和创造性的实验设计以及各种新技术的综合应用。
同位素示踪法在高中生物学实验中的应用 同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。 同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。总之，同位素示踪法正在更大规模地应用于生物研究领域。 用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下： 1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程 把具有反射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里以及分布如何。 2 研究分泌蛋白的合成和运输 用3H标记亮氨酸，探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。例如，通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。 3 研究细胞的结构和功能 用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内，探测这些放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。 4 探究光合作用中元素的转移 利用放射性同位素18O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用过程中某些物质的变化过程，从而揭示光合作用的机理。例如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供H218O 和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。在相同条件下，他们对两组光合作用释放的氧进行了分析，结果表明第一组释放的氧全部是18O2，第二组释放的氧全部是O2，从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。另外，卡尔文等用14C标记的CO2，供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。 5 研究细胞呼吸过程中物质的转变途径 利用18O作为示踪原子研究细胞呼吸过程中物质的转变途径，揭示呼吸作用的机理。例如，用18O标记的氧气（18O），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放射性，即18O→H218O。用18O标记的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部无放射性，即C6H1218O6→C18O2。例如将一只实验小鼠放入含有放射性18O2气体的容器内，18O2进入细胞后，最先出现的放射性化合物是水。 6 研究某些矿质元素在植物体内的吸收、运输过程 研究矿质元素的吸收部位时，常用放射性同位素32P等来做实验，发现根毛区是根尖吸收矿质离子最活跃的部位。研究矿质离子在茎中的运输部位时，用不透水的蜡纸将柳树的韧
浅论放射性同位素示踪技术的应用-----《原子物理》课程论文 这学期通过学习XX老师的《原子物理》课程，我对原子物理其中一个领域—放射性同位素产生了很大的兴趣，这兴趣源于我在高中时期对生物学科中同位素示踪法的学习经历，当时我就感觉这一技术十分奇妙，但不明原理，《原子物理》课程让我认识并理解了物理和生物两大学科之间的这一联系。课堂上老师简明扼要地介绍了一些有关的应用，但是我仍不满足。老师只能作为课程的引路人，为学生指明入门方向，要想横向更加广泛地，纵向更加深入地了解这一课程的某个领域还是要学生在课外多方搜集资料，筛选整合有价值的信息，通过比较和研究，最终形成自己对这一领域的独特而深刻的认识，放射性同位素的应用浩瀚广博，即使仅仅只谈它的示踪技术应用，也远非我这篇小论文可以概述详尽的，所以我也只能用“浅论”这两个字。下面我就对放射性同位素示踪技术的应用进行浅显的介绍和论述。 具体论述前我们首先要明确相关的基本概念，无论结构多么复杂的物理学大厦，它的地基都是由一块块叫做“基本概念”的砖石筑成的。基本概念不明晰，我们就无法理解为什么放射性同位素具有如此广泛而丰富的应用。那么什么是“放射性同位素”呢？科学家发现，元素周期表中同一位元素的原子并不完全一样，有的原子重些，有的原子轻些；有的原子很稳定，不会变，有的原子有放射性，会变化，衰变后成了另一种元素的原子。我们把这些处于同一位的元素但有不同性质（质子数相同，但中子数不同）的原子称为同位素。同位素中有的会放出射线，因此称放射性同位素。 放射性同位素不断发出射线，它到哪里，人们就可以追踪到哪里，可作为示踪剂使用。示踪剂可以是示踪原子，也可以做成示踪化合物。因为加入示踪剂之后，就像贴上标记一样，所以又称之为标记化合物。人们已经用氚、碳-14、磷-32、硫-35、碘-125等许多核素合成了许许多多标记化合物。用放射性同位素示踪技术（以下简称示踪技术）作检测，具有灵敏度高、方法简便、干扰少、准确性好等优点，因此，在工农业生产、医疗、环保、国防和科学研究等许多领域有着十分广泛的应用，并且这种应用还在迅速扩展。 （一）示踪技术在生物学领域的应用 高中时期我们就曾经学过同位素示踪法在生物学科的应用，即用示踪元素标记的化合物，可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。它可用于研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。有关光合作用的基本产物的知识，也是在利用二氧化碳-14（14CO2）作为示踪剂之后才被人们所了解的。二氧化碳-14中的碳-14是碳的一个放射性同位素。此外，有些植物具有非常巧妙的机能——在夜间，不断地吸收二氧化碳，到了白昼，就在叶子中进行光合作用。这一现象也是利用二氧化碳-14进行研究后才发现的。利用示踪剂二氧化碳-14还可以研究有关植物呼吸的详细情况。例如，由于昼夜之间的差别，植物的呼吸情况有什么不同？呼吸对光合作用有什么影响？不同植物之间，呼吸有什么差异等等。 （二）示踪技术在工业生产领域的应用 放射性示踪剂在工业生产中有着广泛的应用。石油蕴藏在地下，油层非均匀性质很严重，油水分布复杂。搞清地下油水分布的情况，对提高采油率有着十分重要的意义。如果用氚或碘-125、硫-35作示踪剂，注入油井中，打一些监测井进行监测，就可以知道地下油水的分布情况。再如，不同公司生产的石油往往共用一条输油管道，要想把哪个公司输送过来的石油分辨得一清二楚，也可找示踪剂来帮忙。例如在甲公司的石油中加入放射性碘做示踪剂，在乙公司的石油中加入放射性硫做示踪剂，当接收站测到放射性碘示踪剂信号时，就知道甲公司的石油过来了，就会自动打开甲公司的贮油槽。当测到放射性硫示踪剂信号时，就知道是乙公司的石油过来了，就会打开乙公司的贮油槽，保证不会认错货。 （三）示踪技术在科学研究领域的应用 用氚标记示踪剂可以帮助水利学家们研究江河中泥沙是怎么淤积的。利用氯-36示踪剂可以帮助人们了解地下水运动走向和渗透率的大小。利用碳-14示踪剂可以研究大洋水流的循环模式和全球气候变暖的原因，等等。磷-32、硫-35、碘-125、碳-14或氚作示踪剂，可以帮助医生从分子水平研究神经系统、内分泌系统疾病的机制，进行药物代谢，基因工程等研究。用磷-32或硫-35标记的核苷酸，可用于DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）分子序的测定。 （四）示踪技术在医学领域的应用 通过查阅相关医学文献，我发现在医学研究中，经常需要了解某种物质在机体内的分布情况和代谢规律，包括药物、抗体、细胞膜受体，基因片段以及蛋白质等各种分子。如何能够较为方便地在活体动物或人体条件下了解这些情况呢？示踪技术是一种较为常用的方法。随着放射性标记药物的品种不断增加，在体外探测体内放射性分布的设备不断进步，示踪技术应用越来越广泛。最早，我们为了解甲状腺的功能，给病人口服放射性碘，然后测定甲状腺部位的放射性高低，定量显示甲状腺的摄碘功能，这一方法沿用至今，对于甲状腺整体和甲状腺肿块局部功能的评价，用数字或图像的方式很容易获得。还可以用于
同位素示踪与荧光标记技术 [热考解读] 1．同位素示踪法 (1)同位素示踪法：用示踪元素标记的化合物，可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。这种科学的研究方法叫做同位素示踪法，也叫同位素标记法。(2)应用：可用于研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。还可用于疾病的诊断和治疗，如碘的放射性同位素可以用来治疗甲状腺肿大。 (3)使用注意事项：一次只能使用一种同位素标记 2．荧光标记法 荧光标记法(Fluorescent Labeling)是利用荧光蛋白或荧光蛋白基因作为标志物对研究对象进行标记的分析方法。 (1)常用的荧光蛋白为绿色和红色两种 ①绿色荧光蛋白(GFP)常用的是来源于发光水母的一种功能独特的蛋白质，分子量为27 kD，具有238个氨基酸，蓝光或近紫外光照射，发射绿色荧光。 ②红色荧光蛋白来源于珊瑚虫，是一种与绿色荧光蛋白同源的荧光蛋白，在紫外光的照射下可发射红色荧光，有着广泛的应用前景。 (2)人教版教材中用到荧光标记法的地方 ①《必修1》P66“细胞融合实验”：这一实验很有力地证明了细胞膜的结构特点是具有一定的流动性。 ②《必修2》P30“基因在染色体上的实验证据”：通过现代分子生物学技术，运用荧光标记的手段，可以很直观地观察到某一基因在染色体上的位置。 (3)荧光标记法特别是在免疫学研究中也有重要的作用，例如免疫荧光抗体标记法。将已知的抗体或抗原分子标记上荧光素，当与其相对应的抗原或抗体起反应时，在形成的复合物上就带有一定量的荧光素，在荧光显微镜下就可以看见发出荧光的抗原抗体结合部位，检测出抗原或抗体。 [命题设计] 1．(2018·山东青岛一模)同位素标记法常用于追踪物质运行和变化规律的研究，下列相关叙述不正确的是() A．给小鼠供应18O2，其呼出气体中可能含有C18O2 B．用含3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸的营养液培养洋葱根尖，只能在分生区细胞中检测到放射性 C．用15N标记DNA分子，可用于研究DNA分子的半保留复制 D．用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，保温、搅拌、离心后可检测到沉淀物中放射性很高
题目：同位素示踪在植物光合作用研究中应用 学院：XXXXXXX学院 专业班级：XXXXXX班 姓名：XXX 引言： 同位素示踪法是利用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，Hevesy创立了示踪实验并于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。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。 中文名称：同位素示踪 英文名称：isotopic tagging;isotopic tracing 定义：化合物的同位素标记物与其非标记物具有相同 的生物化学性质，且同位素能够很灵敏地被检测，因而 追踪同位素标记物在所研究对象中的移动、分布、转变 或代谢等，是生物科学研究的有力手段。 正文： 同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，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（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。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，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点： 1.灵敏度高 放射性示踪法可测到10-14－10-18克水平，即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。 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，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r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
同位素示踪法在生物学科中的应用 用放射性同位素标记的化合物，其化学性质不变，根据其放射性，对生物体内各种复杂的生理、生化过程进行追踪，叫同位素示踪法。常利用14C、18O、15N、3H、32P、35S等同位素作为示踪原子。 1．推断动、植物细胞的结构和功能 用同位素标记的氨基酸或核苷酸引入细胞内，探测这种放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。 例1．用示踪原子3H标记的四种脱氧核苷酸，将其配制到培养基中培养人的白细胞，待细胞恢复分裂后，发现子代细胞中除细胞核外，细胞质中也探测到3H的存在，你认为细胞质中的3H主要存在于（） A．叶绿体B．核糖体C．线粒体D．高尔基体 例2．用14C标记的葡萄糖培养去掉细胞壁的植物细胞，3h后用放射自显影技术观察，该植物细胞内含有14C最多的结构是（） A．核糖体B．高尔基体C．内质网D．细胞核 例3．若用放射性同位素15N标记的氨基酸研究胰腺细胞合成并分泌消化酶的过程，则放射性同位素15N先后出现在（） A．高尔基体、内质网、核糖体B．内质网、高尔基体、核糖体 C．核糖体、内质网、高尔基体D．核糖体、高尔基体、内质网 2．判断光合作用和呼吸作用过程中原子转移的途径 （1）光合作用：O2来自于水的光解，C6H12O6中的C和O全来自于CO2 （2）有氧呼吸：CO2中的O来自于C6H12O6和H2O，H2O中的O来自于O2。 例4．用C18O2参与光合作用，再经过有氧呼吸，则18O转移的途径是（）A．CO2O2 B．CO2 C3 C6H12O6 H2O C．CO2C3 C6H12O6 CO2 D．CO2 C3C6H12O6 H2O+ CO2 例5．在某动物有氧呼吸实验中，若所用的水中有12%含18O，氧气中有4%含18O，则该动物有氧呼吸释放的CO2中约含（） A．6%的C18O2 B．12%C18O2 C．4% C18O2 D．2%C18O2 例6．将生长旺盛的两盆绿色植物分别放置于两个玻璃钟罩内，甲钟罩内的花盆浇足含18O 的水，乙钟罩内充足含18O的CO2，将两个花盆用塑料袋包扎起来，并用玻璃钟罩密封，在适宜温度下光照1h，回答： （1）甲钟罩的壁上出现了许多含18O的水珠，这些水是经过植物的蒸腾作用产生的。还有许多18O2，这是植物进行产生的。 （2）乙钟罩的壁上有许多含18O的水珠，这是C18O2进行作用产生的。 （3）将甲移入黑暗环境中，几小时后，钟罩内18O2减少，减少的18O2被转移到植物体内形成了，这一生理过程的主要意义是。3．定蛋白质代谢过程中元素的转移情况 例7．有人给农作物施用15N标记的肥料，结果在食用该农作物的动物尿液中查出15N。（1）含15N的化肥从土壤溶液中先后经过和过程进入根细胞。（2）含15N的物质在植物体内的核糖体处合成植物蛋白。以后动物摄取该植物蛋白，在消化道内先后经等酶的作用，又分解为含15N的氨基酸。（3）含15N的氨基酸被吸收到动物体内，又经过作用被分解为含15N的物质，进而在内转化为，随尿液排出体外。 4．证明植物生长素的极性运输
“同位素示踪法”专题练习 同位素示踪法是利用放射性元素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素。如3H、14C、15N、18O、32P、35S等。一、3H练习 1．将植物细胞在3H标记的尿苷存在下温育数小时，然后收集细胞，经适当处理后获得各种细胞器。放射性将主要存在于（） A．叶绿体和高尔基体B．细胞核和液泡C．细胞核和内质网D．线粒体和叶绿体2．用3H标记葡萄糖中的氢，经有氧呼吸后，下列物质中可能有3H的是（） A、H2O B、CO2 C、C2H5OH D、C3H6O3 3．愈伤组织细胞在一种包含所有必需物质的培养基中培养了几个小时，其中一种化合物具有放射性（3H 标记）。当这些细胞被固定后进行显微镜检，利用放射自显影技术发现放射性集中于细胞核、线粒体和叶绿体中。因此，可以肯定被标记的化合物是（） A 一种氨基酸 B 尿嘧啶核苷 C 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 D 葡萄糖 4．（多选）下列生物学研究选择的技术（方法）恰当的是（） A．用3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸研究DNA的复制B．用利用纸层析法提取叶绿体中的色素 C．用标志重捕法进行鼠的种群密度的调查D．用无毒的染料研究动物胚胎发育的过程 5．为了研究促进有丝分裂物质对细胞分裂的促进作用，将小鼠的肝细胞悬浮液分成等细胞数的甲、乙两组，在甲组的培养液中只加入3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷（3H-TdR）；乙组中加入等剂量的3H-TdR 并加入促进有丝分裂物质。培养一段时间后，分别测定甲、乙两组细胞的总放射强度。据此回答下列问题：（1）细胞内3H-TdR参与合成的生物大分子是，该种分子所在的细胞结构名称是、。 （2）乙组细胞的总放射性强度比甲组的，原因是。（3）细胞利用3H-TdR合成生物大分子的过程发生在细胞周期的期。 （4）在上述实验中选用3H-TdR的原因是。二、14C练习 1．若用14C 标记CO2 分子，则放射性物质在植物光合作用过程中将会依次出现在（） A．C5、CO2、C3、（CH2 O）B．C3、C5、（CH2 O） C．CO2、C3、（CH2 O）D．CO2 、C3、C5、（CH2 O） 2．用同位素标记追踪CO2 分子，某植物细胞产生后进入相邻细胞中被利用，一共穿越几层磷脂分子层?（） A 2层 B 4层 C 6层 D 0层或8层 3．科学家利用“同位素标记法”搞清了许多化学反应的详细过程。下列说法正确的是（） A．用14C 标记CO2 最终探明了CO2 中碳元素在光合作用中的转移途径 B．用18O标记H2 O和CO2 有力地证明了CO2 是光合作用的原料 C．用15N标记核苷酸搞清了分裂期染色体形态和数目的变化规律 D．用35S标记噬菌体的DNA并以此侵染细菌证明了DNA是遗传物质 4．用同位素14C 标记的吲哚乙酸来处理一段枝条一端，然后探测另一端是否 含有放射性14C 的吲哚乙酸存在。枝条及位置如右下图。下列有关处理方法 及结果的叙述正确的是（） A．处理图甲中A端，不可能在图甲中的B端探测到14C 的存在 B．处理图乙中A端，能在图乙中的B端探测到14C 的存在
“同位素示踪法”专题复习 同位素示踪法是利用放射性元素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素。如3H、14C、15N、18O、32P、35S等。 一、3H练习 1．将植物细胞在3H标记的尿苷存在下温育数小时，然后收集细胞，经适当处理后获得各种细胞器。放射性将主要存在于：（） A．叶绿体和高尔基体B．细胞核和液泡C．细胞核和内质网D．线粒体和叶绿体 2．用3H标记葡萄糖中的氢，经有氧呼吸后，下列物质中可能有3H的是（） A、H2O B、CO2 C、C2H5OH D、C3H6O3 3．愈伤组织细胞在一种包含所有必需物质的培养基中培养了几个小时，其中一种化合物具有放射性（3H标记）。当这些细胞被固定后进行显微镜检，利用放射自显影技术发现放射性集中于细胞核、线粒体和叶绿体中。因此，可以肯定被标记的化合物是（） A一种氨基酸B尿嘧啶核苷C胸腺嘧啶脱氧核苷酸D葡萄糖 4．（多选）下列生物学研究选择的技术（方法）恰当的是（） A．用3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸研究DNA的复制B．用利用纸层析法提取叶绿体中的色素 C．用标志重捕法进行鼠的种群密度的调查D．用无毒的染料研究动物胚胎发育的过程 5．为了促进有丝分裂物质对细胞分裂的促进作用，将小鼠的肝细胞悬浮液分成等细胞数的甲、乙两组，在甲组的培养液中加入3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷（3H-TdR）；乙组中加入等剂量的3H-TdR加入促进有丝分裂物质。培养一段时间后，分别测定甲、乙两组细胞的总放射强度。据此回答下列问题： （1）细胞内3H-TdR参与合成的生物大分子是，该种分子所在的细胞结构名称是，。 （2）乙组细胞的总放射性强度比甲组的，原因是。 （3）细胞利用3H-TdR合成生物大分子的过程发生在细胞周期的期。
同位素示踪法在高中生物学实验中的应用同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下： 1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程 把具有放射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里以及分布如何。 2 研究分泌蛋白的合成和运输 用3H标记亮氨酸，探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。例如，通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。 3 研究细胞的结构和功能 用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内，探测这些放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。 4 探究光合作用中元素的转移 利用放射性同位素18O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用过程中某些物质的变化过程，从而揭示光合作用的机理。例如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。在相同条件下，他们对两组光合作用释放的氧进行了分析，结果表明第一组释放的氧全部是18O2，第二组释放的氧全部是O2，从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。另外，卡尔文等用14C标记的CO2，供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。 5 研究细胞呼吸过程中物质的转变途径 利用18O作为示踪原子研究细胞呼吸过程中物质的转变途径，揭示呼吸作用的机理。例如，用18O标记的氧气（18O），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放射性，即18O→H218O。用18O标记的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部无放射性，即C6H1218O6→C18O2。例如将一只实验小鼠放入含有放射性18O2气体的容器内，18O2进入细胞后，最先出现的放射性化合物是水。 6 研究某些矿质元素在植物体内的吸收、运输过程 研究矿质元素的吸收部位时，常用放射性同位素32P等来做实验，发现根毛区是根尖吸收矿质离子最活跃的部位。研究矿质离子在茎中的运输部位时，用不透水的蜡纸将柳树的韧皮部和木质部隔开，并在土壤中施用含42K的肥料，5小时后测定42K在柳茎各部位的分布；有蜡纸隔开的木质部含有大量42K，韧皮部几乎无42K，说明运输42K的是木质部；柳茎在用蜡纸隔开韧皮部和木质部的以下区段以及不插入蜡纸的对照实验中，韧皮部中也有很多42K，说明42K可从木质部横向运输到韧皮部。 7 研究有丝分裂过程中染色体的变化规律
同位素示踪法及其在中学生物学中的应用娄志义 (安徽省合肥市中国科技大学附属中学230026) 左丽丽 (山东省寿光市第五中学262735) 同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。示踪实验的创建者是Hevesy，HeX,esy于1923年首先用天然放射性z1Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。目前，由于中学《生物》课本中介绍的实验越来越多，涉及的同位素示踪法也频繁地出现，本文对同位素示踪法的原理及其应用做一介绍 1 同位素示踪法基本原理和特点 1．1基本原理具有相同的质子数和不同中子数的原子互称同位素，如16O、17O和18O是氧的三个同位素。而具有放射性的同位素叫放射性同位素，如235U和236U是铀元素的两个放射性同位素。同位素示踪所利用的放射性核素(或稳定性核素)及它们的化合物，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(如标记食物，药物和代谢物质等)代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线(如a、B 一、B’、Y、X射线等)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；稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气
相层析仪、核磁共振等质量分析仪器来测定。。 1．2放射性同位素示踪法的特点 放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂，但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而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，而且具有能准确地定量，准确地定位及符合研究对象的生理条件等特点：①灵敏度高。放射性示踪法可以检测10-18～10-19放射性核素，比普通化学分析法的灵敏度(10—12g)要高得多。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，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的Y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。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，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。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质量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，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。 2各种同位素及其在中学生物学中的应用 2．1 氢的同位素已知氢有三种同位素，即氕、氘和氚，氕和氘是稳定的同位素，而氚具有放射性，能够发射负B射线，因而可以通过
同位素示踪法是什么 同位素示踪法(isotopic tracer ?method)是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。Hevesy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。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立(加速器、反应堆等)，为放射性同位素示 踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。下面小编就 给大家科普一下关于同位素示踪法的资料，欢迎阅读。 ?同位素示踪法简介用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂，研究化学、 生物或其他过程的方法。放射性核素或稀有稳定核素的原子、分子及其化合物，与普通物质的相应原子、分子及其化合物具有相同的化学、生物学性质。例如，含有放射性核素的食物、药物或代谢物质，与相应的非放射性的食物、药物或代谢物质在生物体内所发生的化学变化及生物学过程完全相同。可以 利用放射性核素的原子作为一种标记，制成含有这种标记核素的食物、药物 或代谢物质。由于放射性核素能不断地发射具有一定特征的射线;通过放射性探测方法，可以随时追踪含有放射性核素的标记物在体内或体外的位置及其 数量的运动变化情况。如果用稳定核素原子作为标记，则通过探测该原子的 特征质量的方法追踪。示踪原子(又称标记原子)，是其核物理特征易于探测 的原子。含有示踪原子的化合物称为标记化合物。在特殊情况下，有时也采 用标记的细胞、微生物、动植物等各类标记物。1912年G·C·DE赫维西首先 试用同位素示踪技术，并陆续作了许多工作。由于其开创性贡献赫维西1943年获得了诺贝尔化学奖。从30年代开始随着重氢同位素和人工放射性核素的发现，同位素示踪方法大量应用于生命科学、医学、化学等领域。同位素示
同位素标记法在高中生物的应用：同位素标记法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，生物学上经常使用的同位素是组成原生质的主要元素，即H、N、C、S、P和O等的同位素。 在浙科版必修1P6教材中也有说明：放射性同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。此研究方法在高中生物教材中多次出现，总结如下： 1．分泌蛋白的合成与分泌（必修1P40简答题） 20世纪70年代，科学家詹姆森等在豚鼠的胰腺细胞中注射3H标记的亮氨酸。3min后被标记的亮氨酸出现在附有核糖体的内质网中；17min后，出现在高尔基体中；117min后，出现在靠近细胞膜内侧的囊泡中及释放到细胞外的分泌物中。由此发现了分泌蛋白的合成与分泌途径：核糖体→内质网→高尔基体→囊泡→细胞膜→外排。 2．光合作用中氧气的来源 1939年，鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，然后进行两组对比实验：一组提供H2O 和C18O2，另一组提供H218O和CO2。在其他条件相同情况下，分析出第一组释放的氧气全部为O2，第二组全部为18O2，有力地证明了植物释放的O2来自于H2O而不是CO2。3．光合作用中有机物的生成 20世纪40年代美国生物学家卡尔文等把单细胞的小球藻短暂暴露在含14C的CO2里，然后把细胞磨碎，分析14C出现在哪些化合物中。经过10年努力终于探索出了光合作用的“三碳途径”——卡尔文循环。为此，卡尔文荣获“诺贝尔奖”。 4．噬菌体侵染细菌的实验 1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，用35S、32P分别标记噬菌体的蛋白质外壳和DNA，再让被35S、32P分别标记的两种噬菌体去侵染大肠杆菌，经离心处理后，分析放射性物质的存在场所。此实验有力证明了DNA是遗传物质。 5．DNA的半保留复制 1957年，美国科学家梅塞尔森和斯坦尔用含15N的培养基培养大肠杆菌，使之变成“重”细菌，再把它放在含14N的培养基中继续培养。在不同时间取样，并提取DNA进行密度梯度离心，根据轻重链浮力等的不同，就分出新生链和母链，这就证实了DNA复制的半保留性。 6．基因工程 在目的基因的检测与鉴定中，采用了DNA分子杂交技术。将转基因生物的基因组DNA提取出来，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素作标记，以此为探针使之与基因组DNA 杂交，如果显示出杂交带，就表明目的基因已导入受体细胞中。 另外，还可采用同样方法检测目的基因是否转录出了mRNA，不同的是从转基因生物中提取的是mRNA。 7．基因诊断 基因诊断是用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子作探针，依据DNA分子杂交原理，鉴定被检测样本上的遗传信息，从而达到检测疾病的目的。 另外，还可以用在植物有机物的运输研究过程中。 示踪原子不仅用于科学研究，还用于疾病的诊断和治疗。例如，射线能破坏甲状腺细胞，使甲状腺肿大得到缓解。因此，碘的放射性同位素就可用于治疗甲状腺肿大。 利用到同位素示踪的实验有： 1.光合作用中释放出的氧来自水还是二氧化碳：美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了这个问题，证明得到氧全部来自水而不是二氧化碳。
同位素示踪法在生物中的应用归纳 1同位素示踪法，是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析的方法。 常用的标记元素有： （1）14C :常用于标记CO2,葡萄糖，生长素等物质中的C，也可用与标记生长素的运输方向 （2）18O：常用于标记光合作用和呼吸作用过程中的H2O,CO2，O2,葡萄糖等， （3）3H：经常用于标记核苷酸示踪DNA，RNA的分布 （4） 15N：常用于标记无机盐，示踪在自然界中的N循环，也可用来标记氨基酸等 （5）32P:常用于标记核酸，标记含P的无机盐可示踪无机盐在植物体内的利用状况，也可用来标记DNA的复制情况 （6）35S：标记蛋白质，在研究遗传的物质基础实验中标记噬菌体 例22 陆生植物能不能通过根部获得碳源，且用于光合作用?请做出假设，且根据提供的实验材料，完成相关实验问题。 (1)假设为：。 (2)利用实验器材，补充相关实验步骤。 (3)方法和步骤：
①； ②； ③对菜豆幼苗的光合作用产物进行检查。 结果预测和结论：。 该实验最可能的结果是，原因是。 答案 (1)陆生植物能通过根部获得碳源 (2)①把适量含有NaH14CO3，的营养液置于锥形瓶中，并选取生长正常的菜豆幼苗放入锥形瓶中②将上述装置放在温暖、阳光充足的地方培养③结果预测和结论：在光合作用产物中发现有14C，说明陆生植物能通过根部获得碳源，用于光合作用。如果是在光合作用产物中没有发现14C，说明陆生植物不能通过根部获得碳源，用于光合作用。最可能的结果和结论是：在光合作用产物中发现有14C，说明陆生植物能通过根部获得碳源，用于光合作用。原因是陆生植物的根部可以吸收土壤中的CO2和碳酸盐，用于光合作用。 例2将植物细胞放在有3H标记的胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸存在的环境中，温育数小时。然后收集细胞，粉碎并轻摇匀浆，进行分级离心以获得各种细胞结构。放射性3H将主存在于（） A．核仁、质体和高尔基体B．细胞核、核仁和溶酶体 C．细胞核、核糖体和液泡D．细胞核、线粒体和叶绿体 例3 从某腺体的细胞中提取一些细胞器，放入含有14C氨基酸的培养液中，培养液中有这些细胞器完成其功能所需的物质和条件，连续取样测定标记的氨基酸在这些细胞器中的数量，下图中能正确描述的曲线是（） 例4．用32P标记了水稻体细胞（含24条染色体）的DNA分子双链，再次这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂的中期、后期，一个细胞中的染色体总条数 和被32P标记的染色体条数分别是 （） A．中期24和12、后期48和12 B．中期24和12、后期48和24 C．中期24和24、后期48和12 D．中期24和24、后期48和24 例5．用32P和35S分别标记噬菌体的DNA分子和蛋白质外壳，然后去侵染含31P与32S的细菌，待细菌解体后，子代噬菌体的DNA分子和蛋白质外壳 （） A．少数含32P、大多数含31P和全部含32S B．只含31P和少数含32S C．少数含32P、大多数含31P和少数含35S、大多数含32S D．只含32P和大多数含35S
同位素示踪法在高中生物中的应用归类盘点 一、同位素示踪法，是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析的方法。常用的标记元素有：（1）14C:常用于标记CO2,葡萄糖，生长素等物质中的C，也可用与标记生长素的运输方向 （2）18O：常用于标记光合作用和呼吸作用过程中的H2O,CO2，O2,葡萄糖等， （3）3H：经常用于标记核苷酸示踪DNA，RNA的分布 （4）15N：常用于标记无机盐，示踪在自然界中的N循环，也可用来标记氨基酸等 （5）32P:常用于标记核酸，标记含P的无机盐可示踪无机盐在植物体内的利用状况，也可用来标记DNA的复制情况 （6）35S：标记蛋白质，在研究遗传的物质基础实验中标记噬菌体
例析同位素示踪法在高中生物学中的应用学术研究2011-03-11 09:51:52 阅读9 评论0 字号：大中小订阅. 同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫示踪元素。用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。人们可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。这种科学研究方法叫同位素示踪法。生物学上常用放射性同位素作为示踪元素，来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。用于示踪的放射性元素一般是构成细胞化合物的重要元素，如H、N、O、P、S 等。在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳例析。 1 光合作用和呼吸作用过程中特征元素的示踪 例1 一个密闭的透明玻璃容器内，放有绿色植物和小白鼠（小白鼠以植物为食），容器内供应O，每天给予充足的光照，一段时间后，绿色植物和小白鼠体内的有机物含O的情况是（） A．只在植物体内 B.植物和小白鼠体内均含有C．只在小白鼠体内 D. 植物和小白鼠体内均无 解析O在绿色植物体内的转移途径如下： OHOCOCHO 绿色植物体内的CHO被动物摄食，通过同化作用转变成自身的有机物。因此，植物和小白鼠体内的有机物都含有O。 答案B 2 研究C植物光合作用的途径 例 2 在光照下，供给玉米离体叶片少量的CO，随着光合作用时间的延续，在光合作用固定CO形成C化合物与C化合物中，C含量变化示意图正确的是（） 解析用C标记CO来追踪C植物光合作用的途径：首先在C植物叶肉细胞叶绿体内CO与PEP相结合形成C化合物，然后C化合物进入维管束鞘细胞叶绿体并分解为CO和丙酮酸，CO与一个C化合物相结合，形成2个C化合物，C化合物被还原为CHO。因此放射性同位素在C植物光合作用过程中的转移途径为： CO→C→C→CHO 所以C化合物先出现放射性，C化合物后出现放射性。由于含放射性标记的CO是少量的，所以C化合物的放射量达到一定量后，然后降低，逐渐转入C化合物和CHO 中。 答案B 3 测定矿质元素在植物体内的分布和利用 例3 把菜豆幼苗放在含P的完全培养液中培养1h，测其放射性，发现幼苗各部分都含有P。然后将该幼苗转移到不含P的完全培养液中培养1h，再测定放射性。预计P 在植株体内分布的变化最可能是（） A．P在下层叶中减少，幼嫩部分增加 B．P在下层叶中增加，幼嫩部分减少 C．P在下层叶中减少，幼嫩部分减少 D．P在下层叶中增加，幼嫩部分不变 解析当培养液中缺乏某种可再度利用的必需矿质元素时，植物体内发生调节，即优先保证幼嫩组织的生长发育，老叶中的矿质元素转移到幼嫩组织中去，从而使老叶受到损害。 答案A 4 研究细胞的生物膜在功能上的联系 例4 把胰腺细胞培养在含H标记的亮氨酸的培养液中，最后测得细胞分泌物中含有放射性的胰岛素。若用仪器追踪上述过程中放射性同位素在细胞结构中出现的先后顺序，最可能是（） ①线粒体②核糖体③中心体④内质网 ⑤高尔基体⑥细胞膜⑦细胞核 A．①②④⑦⑥ B.⑥②④⑤⑥C. ②③⑦④⑤ D.⑥②⑦④⑤ 解析将用放射性同位素标记的氨基酸，使其进入胰腺细胞，目的是为了了解细胞的分泌蛋白的合成、加工、运输和分泌的过程。根据细胞的生物膜系统及细胞的亚显微结构的功能可知，其过程为：细胞膜→核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜。 答案B 5 研究原肠胚三个胚层的发育方向 例5 动物学家研究蛙的胚胎发育时，用C将囊胚植物半球的表面部分细胞作上标记，这些标记可能出现在蝌蚪的（） A．肝脏和胰脏B．骨骼和肌肉C．心脏和肾脏D．大脑和小脑 解析蛙的囊胚通过动物半球外包和植物半球内陷，形成了具有一孔（胚孔）、二腔（原肠腔、缩小的囊胚腔）、三胚层（外胚层、中胚层、内胚层）的原肠胚，内陷的植物半球形成了原肠胚的内胚层。其中外胚层将发育成神经系统、感觉器官、表皮及其附属结构；中胚层发育成骨骼、肌肉以及循环、排泄、生殖系统等；内胚层发育成肝、胰等腺体，以及呼吸道、消化道的上皮。
放射性同位素的应用-同位素示踪法 同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。Hevesy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。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。 一、同位素示踪法基本原理和特点 同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，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（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。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，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点： 1.灵敏度高 放射性示踪法可测到10^(-14)－10^(-18)克水平，即可以从10^(15)个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感10^(8)-10^(7)倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10^(-12)克水平。 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，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r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.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。 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