放射性トレーサー
化学元素の同位体は、質量数のみが異なる。たとえば、水素の同位体はH、H、Hと表記することができ、質量数は元素記号の左側に上付き文字で表示される。同位体の原子核が不安定な場合、その同位体を含む化合物は放射性物質となる。たとえば、後述するトリチウムは放射性同位体元素の一つである。
放射性トレーサーの背景にある使用原理は、化合物中のある原子が、同じ化学元素の別の原子に置き換わることである。ただし、置換される原子は放射性同位体である。この過程は、しばしば放射性標識(英: radioactive labeling)と呼ばれる。この技術の能力は、放射性崩壊が化学反応よりもはるかにエネルギーが高いことにある。したがって、放射性同位体は低濃度で存在することができ、その存在はガイガーカウンターやシンチレーションカウンターなどの高感度放射線検出器によって検出することができる。ゲオルク・ド・ヘヴェシーは、「化学反応研究におけるトレーサーとしての同位体の応用研究」の功績によって、1943年にノーベル化学賞を受賞した。
放射性トレーサーは、主に次の2つの方法で利用される。
標識された化学物質が化学反応を起こすと、一つまたは複数の生成物に放射性標識が含まれる。この放射性同位体に何が起こったかを分析することで、化学反応の機構を詳しく知ることができる。
放射性化合物を生体に投与し、化合物やその反応生成物が生体内にどのように分布しているかを示す画像を作成する手段となる。
一般的に使用される放射性同位体は半減期が短いため、自然界に大量に存在することはない。これらは原子核反応によって生成する。最も重要な過程の一つは、原子核による中性子の吸収で、中性子を1つ吸収するごとに当該元素の質量数が1つ加する。たとえば、
C + n → C
この場合、原子質量は増加するが、元素は変化しない。また、生成核が不安定で崩壊し、陽子、電子(ベータ粒子)またはアルファ粒子を放出する場合もある。原子核が1つ陽子を失うと、原子番号が1つ減る。たとえば、
S + n → P + p
中性子照射は原子炉内で行われる。放射性同位体の合成に使われるもう一つの主な方法は、プロトン衝撃(英: proton bombardment)である。陽子はサイクロトロンや線形加速器で高エネルギーに加速される。