和微居里(μci),单位大小依次递减1000倍。另外还用衰变数/秒(dps)或衰变数/分(dpm)表示放射强度。
放射强度大小显然与放射性核素的数量和核素的衰变常数λ有关。因此由放射性物质的质量和半衰期可以计算出其放射强度。已知放射性物质的质量m和其原子量M,则放射性核素的数量N为
N?mK/M, K为阿佛加德罗常数6.023?1023
由(3)式,??ln2/T1/2
N/dt(1)式的微分方程为?dN/dt??N,而?d是单位时间衰变得原子核数,
即放射强度,亦即放射强度A??N,因此有:
A??N??ln2/T1/2???mK/M??m?4.174?1022/?M?T1/2?dps?? (6) 在研究物质代谢的同位素示踪试验中,经常使用比活度(specific activity, SA)的概念。其含义是样品中作为示踪物的放射性同位素原子与被示踪的稳定性同位素原子的数量比。由于放射性同位素的放射强度与与放射性同位素原子数之间是线性关系,且所研究化合物中标记原子数与分子数之间的比例是固定的,因此一般用单位质量标记化合物的放射强度表示其比活度,如dpm/mg等。
表9-1 常用放射性核素半衰期
核素 氢3 碳11 碳14 钠24 硫35 磷32 钾40 钾42 钙45 铁59 钴60 锶89
符号 半衰期
3放射 强度(μci) 核素 符号 半衰期
90放射 强度(μci)
H
12.4年 20.5分 5700年 15小时 87.1天 14.3天 1.3×10年 12.4小时 164天 45.1天 5.24年 53天
4
1.173?109 8.33?1014 4.482?106 8.705?1012 4.283?1010 2.853?1011
6.88
锶90 碘131 铯134 钡131 铊204 钋210 锰56 铬51 铜64 锌65 钼99 钌103
Sr I
19.9年 8.1天 2.3年 12天 4年
1.997?108 1.23?1011
11C C
13114134Cs Ba Tl
24Na S P K K
1318.304?1010
3520432210Po 138.4天
404256Mn 2.8小时
6.017?1012 1.759?1010
51Cr
27.7天
45Ca
64Cu 12.7小时 Zn 243.8天
59Fe Co Sr
65601.138?109 2.768?1010
99Mo 66.2小时 Ru 39.35天
89103
四. 放射性测量方法
核辐射探测器的种类繁多,从制作原理上大致分为以下几类:
⒈ 利用射线通过物质时产生的电离效应进行探测。包括电离室、正比计数器、G-M计数器、半导体探测器、热释光剂量仪等。
⒉ 利用射线通过物质时激发荧光的效应探测。如闪烁计数器、荧光玻璃剂量仪、契伦科夫计数器等。
⒊ 利用射线作用于物质引起的化学变化探测。如X光底片、核乳胶、胶片剂量仪等。
⒋ 利用射线通过饱和蒸汽或过热液体产生电离,蒸汽或液体在粒子路径上凝结,显示出粒子径迹的方法探测。如云雾室、气泡室等。 ⒌ 利用射线通过物体时产生的热效应探测。
在动物营养研究中常用气体探测器和闪烁探测器。气体探测器是利用射线经过高压电场中气体时引起气体电离,产生电流进行测量。闪烁探测器包括固体闪烁计数器和液体闪烁计数器,均利用射线引起某些物质发出荧光进行测量。其中液体闪烁测量时,放射性样品与闪烁液混合在一起,灵敏度高、样品容量大,特别适合3H、14C等低能β辐射体的测量。 五. 稳定性同位素的测量
一种元素可以有几种不同的稳定性核素,它们的原子序数相同,中子数不同,互称为稳定性同位素。一种稳定性同位素原子数在同位素混合物种所占的比例称为富集度(abundance),用百分数表示。如自然界中1H的富集度是99.985%,表示在自然界中存在的所有氢元素中,99.985%是1H形式的。自然界中某种元素的同位素富集度称为自然富集度(natural abundance)。
表9-2 常用稳定性同位素
元素
稳定性同位素
自然富集度%
氢 碳 氮 氧 硫 硅
1元素 稳定性同位素 自然富集度%
H H
99.985 0.015 98.89 1.11 99.63 0.37 99.76 0.037 0.204 95.0 0.76 4.22 92.21 4.90 3.09
铁 锌 硒
54Fe Fe Fe Fe Zn Zn Zn Zn Zn
5.82 91.66 2.19 0.33 48.89 27.81 4.11 18.57 0.62 0.87 9.02 7.58 23.52 49.82 9.19
25612C C
57135814N N O O O S S S
6415661667176818703274Se Se Se Se Se Se
3376347728Si Si Si
7829803082
稳定性同位素是根据同位素间质量的不同来探测的,相应的分析仪器称为质谱仪。质谱仪的种类很多,大多不是以定量分析为目的设计的。物质代谢的同位素示踪研究中需要对同位素或同位素的比例进行定量测定,使用的测定仪器主要有两种:气相同位素比质谱仪(gas isotope- ratio mass spectrometry, IRMS)
和四极气相色谱-质谱仪(quadrupole gas chromatograph- mass spectrometer, GCMS)。两种仪器均是对同位素的比例进行测定,虽然在测定技术上有明显差别,但基本测定原理相同。样品通过阀门以气体形式引入真空腔(电子发射源),也有以用固体或液体形式引入的,但这种设计一般不用于同位素比例的测定。样品在发射源中被离子化,然后进入质量过滤器(分析器)中。在分析器中,无论样品以何种形式引入发射源,均为气态。有不同形式的分析器,但各种分析器均根据质荷比(m/e)分离各种离子。
分开的离子分别被探测器(detector)收集,在这里离子流打到金属板上脱去电荷,形成可测电流。目前的探测器已达到很高的灵敏度,以至可以探测到单个离子。打到探测器上的离子数与产生信号的幅度直接相关。如质量为44的
12CO2和质量为45的13CO2可分别形成离子流。测定输出信号的幅度大小,可以
计算出含有两种不同C同位素的CO2比例。
同位素的富集度可由质谱仪测定出的同位素比计算。样品的同位素富集度通常表示为σ。如果测定出的样品同位素比是rsa,参比气体的同位素比是rr,σ由下式计算:
??10000/00??rsa?rr?/rr??? (7)
上式的含义是:样品中的某种同位素的比例相当于向含有1000个该同位素的参比气体中加入σ个同位素原子后达到的比例。
σ用于代谢动力学研究不方便,常用的富集度表示方法是原子百分超 (atom percent atom excess,APE)。APE的定义如下:
APE?100%??rsa?rr?/???rsa?rr??1????? (8)
上式的含义是:向元素的同位素混合物中加入一定量的某种同位素,加入的同位素原子数占加入同位素原子数与原同位素混合物中非该同位素的其它同位素原子数之和的百分比。
σ和APE的含义均与放射性同位素示踪中使用的术语比活度(specific activity, SA)不同。SA的含义是放射性标记的示踪分子与被示踪分子的比例,稳定性同位素示踪的富集度与之含义相同的表达是加入示踪物后样品的同位素比与加入示踪物前样品同位素比之差: