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1.示蹤原子和同位素示蹤法

同位素是二十世紀(jì)科學(xué)史上的重大發(fā)現(xiàn)之一。同位素示蹤法是隨之產(chǎn)生的一項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用技術(shù)。簡(jiǎn)單地說，帶有“放射性標(biāo)記”的原子叫做示蹤原子。同位素示蹤法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記的微量分析方法。形象地說，就是把示蹤原子派出去當(dāng)“偵察兵”，讓它去跟蹤研究對(duì)象。

匈牙利化學(xué)家海維西(Gyorgy Hevesy，1885—1966)于1923年首先用天然放射性212Pb研究鉛鹽在豆科植物內(nèi)的分布和轉(zhuǎn)移。1934年他在制備一種磷的放射性同位素之后，進(jìn)行磷在身體內(nèi)的示蹤試驗(yàn)。隨著加速器與核反應(yīng)堆的發(fā)明，大量同位素被生產(chǎn)出來，同位素示蹤法也得以廣泛應(yīng)用。

2.放射性同位素的特點(diǎn)

放射性同位素（radiosotlope）是不穩(wěn)定的。它的原子核會(huì)不間斷地、自發(fā)地放射出射線，直至變成另一種穩(wěn)定元素，這就是所謂“核衰變”。放射性同位素在進(jìn)行核衰變的時(shí)候，可放射出α射線、 β射線、γ射線或發(fā)生電子俘獲等，但是放射性同位素在進(jìn)行核衰變的時(shí)候并不一定能同時(shí)放射出這幾種射線。核衰變的速度不受溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的影響，也不受元素所處化學(xué)狀態(tài)的影響，只和時(shí)間有關(guān)。放射性同位素衰變的快慢，通常用“半衰期”來表示。半衰期較長(zhǎng)的放射性同位素被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)中鑒定化合物的理想工具。

3.同位素示蹤法的基本原理和特點(diǎn)

同位素示蹤所利用的放射性核素，與自然界存在的相應(yīng)普通元素及其化合物之間的化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)是相同的，只是具有不同的核物理性質(zhì)。因此，就可以用同位素作為一種標(biāo)記，制成含有同位素的標(biāo)記化合物代替相應(yīng)的不具有標(biāo)記的化合物。利用放射性同位素不斷地放出特征射線的核物理性質(zhì)，就可以用核探測(cè)器隨時(shí)追蹤它在體內(nèi)或體外的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等。用放射性同位素作為示蹤劑不僅靈敏度高，測(cè)量方法簡(jiǎn)便易行，能準(zhǔn)確地定量測(cè)量和定位，而且符合所研究對(duì)象的生理?xiàng)l件。放射性同位素示蹤法具有以下四個(gè)特點(diǎn)：

3．1靈敏度高

放射性同位素示蹤法可測(cè)到10-17kg～10-21kg水平，即可以從1015個(gè)非放射性原子中檢測(cè)出一個(gè)放射性原子，而迄今最準(zhǔn)確的化學(xué)分析法很難測(cè)定到10-15kg水平。

3．2方法簡(jiǎn)便

放射性測(cè)定不受其它非放射性物質(zhì)的干擾，可以省略許多復(fù)雜的物質(zhì)分離步驟。體內(nèi)(動(dòng)物、植物和其他物體的內(nèi)部)示蹤時(shí)，可以利用某些放射性同位素釋放出穿透力強(qiáng)的γ射線，在體外測(cè)量而獲得結(jié)果，這就大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，做到非破壞性分析。隨著液體閃爍計(jì)數(shù)的發(fā)展，14C和3H等發(fā)射軟β射線(能量較低)的放射性同位素在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3．3定位、定量準(zhǔn)確

放射性同位素示蹤法能準(zhǔn)確定量地測(cè)定代謝物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)變,與某些形態(tài)學(xué)技術(shù)相結(jié)合（如病理組織切片技術(shù)，電子顯微鏡技術(shù)等），可以確定放射性示蹤劑在組織器官中的定量分布，并且對(duì)組織器官的定位準(zhǔn)確度可達(dá)細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平乃至分子水平。

3．4符合生理?xiàng)l件

在放射性同位素實(shí)驗(yàn)中，所引用的放射性標(biāo)記化合物的化學(xué)量是極微量的，它對(duì)體內(nèi)原有的相應(yīng)物質(zhì)的改變是微不足道的，體內(nèi)生理過程仍保持正常狀態(tài)，獲得的分析結(jié)果符合生理?xiàng)l件，更能反映客觀存在的事物本質(zhì)。

同位素示蹤法的優(yōu)點(diǎn)如上所述，但還需注意：放射性同位素釋放的射線利于追蹤測(cè)量，但射線對(duì)生物體的作用達(dá)到一定劑量時(shí)，會(huì)改變機(jī)體的生理狀態(tài)，這就是放射性同位素的輻射效應(yīng)，因此放射性同位素的用量應(yīng)小于安全劑量，嚴(yán)格控制在生物機(jī)體所能允許的范圍之內(nèi)。

4.同位素示蹤法與生命科學(xué)的發(fā)展

在半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程中，同位素示蹤法被廣泛用于生命科學(xué)研究的各個(gè)方面。

最早，同位素示蹤法應(yīng)用在物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化的研究方面。生物體內(nèi)存在著很多種物質(zhì)，究竟它們之間是如何轉(zhuǎn)變的，如果在研究中應(yīng)用適當(dāng)?shù)耐�位素�?biāo)記物作示蹤劑分析這些物質(zhì)中同位素含量的變化，就可以知道它們之間相互轉(zhuǎn)變的關(guān)系，還能分辯出誰是前身物，誰是產(chǎn)物，分析同位素示蹤劑存在于物質(zhì)分子的哪些原子上，可以進(jìn)一步推斷各種物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)變機(jī)制。1935年，美國(guó)科學(xué)家桑恩海默（R．Schoenheimer）和雷頓博格（D．Rittcnberg）用15N做標(biāo)記，研究氨基酸在動(dòng)物體內(nèi)的變化，發(fā)現(xiàn)氨基酸在動(dòng)物體內(nèi)是相互轉(zhuǎn)變的。他們還用2H標(biāo)記水分子來研究大鼠體內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。1938年，美國(guó)科學(xué)家卡門（M．D．Kamen）和魯賓（S．Roben）用18O標(biāo)記水和CO2，證明了植物放出的O2來自水，而不是CO2。二戰(zhàn)后，美國(guó)物理學(xué)家卡爾文（M．Calvin）用14C對(duì)光合作用進(jìn)行研究。經(jīng)過10年的細(xì)致工作，終于在1957年探索出了光合作用的三碳途徑。并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

20世紀(jì)50年代以來，生物學(xué)進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)代。同位素示蹤法為揭示細(xì)胞內(nèi)理化過程的秘密和闡明生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)起了極其重要的作用。1952年，美國(guó)科學(xué)家赫爾希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）通過35S和32P標(biāo)記噬菌體侵染細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)了病毒的復(fù)制機(jī)制和遺傳結(jié)構(gòu)，再次證明遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)。1957年美國(guó)科學(xué)家梅塞爾森（M．Meselson）和斯塔爾(F．Stahl)通過15N做標(biāo)記，研究大腸桿菌的DNA復(fù)制過程，證明了DNA的半保留復(fù)制。

在細(xì)胞水平上，20世紀(jì)70年代詹姆森（J．D．Jamieson）等在豚鼠的胰腺細(xì)胞中注射3H標(biāo)記的亮氨酸，觀察其在細(xì)胞內(nèi)的變化，由此發(fā)現(xiàn)了分泌蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)姆绞绞谴置鎯?nèi)質(zhì)網(wǎng)"高爾基復(fù)合體"濃縮小泡"酶原顆粒。

近幾年來，物理和化學(xué)上的重大突破，給同位素示蹤技術(shù)注入了新元素。雙標(biāo)記和多標(biāo)記技術(shù)，穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，活化分析，電子顯微鏡技術(shù)，同位素技術(shù)與其它新技術(shù)相結(jié)合等應(yīng)運(yùn)而生。由于這些技術(shù)的發(fā)展，使生物化學(xué)從靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，從細(xì)胞水平進(jìn)入分子水平，闡明了一系列重大問題，如遺傳密碼、細(xì)胞膜受體、RNA-DNA逆轉(zhuǎn)錄等，為人類對(duì)生命基本現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)開辟了一條新的途徑。