สารติดตามรังสีหรือฉลากรังสีคือ อนุพันธ์ สังเคราะห์ของสารประกอบธรรมชาติ โดยที่อะตอมหนึ่งหรือมากกว่า นั้นถูกแทนที่ด้วยนิวไคลด์กัมมันตรังสี (อะตอมกัมมันตรังสี) ด้วยคุณสมบัติการสลายตัวของกัมมันตรังสีทำให้สามารถใช้สารติดตามรังสีนี้ในการศึกษาถึงกลไกของปฏิกิริยาเคมี โดยการติดตามเส้นทางที่ไอโซโทปกัมมันตรังสีเคลื่อนที่จากสารตั้งต้นไปยังผลิตภัณฑ์ ดังนั้น การติดฉลากด้วยรังสีหรือการติดตามด้วยรังสีจึงเป็นรูปแบบกัมมันตรังสีของการติดฉลากไอโซโทปในบริบททางชีววิทยา การทดลองที่ใช้สารติดตามไอโซโทปกัมมันตรังสีบางครั้งเรียกว่าการทดลอง ป้อนไอโซโทปกัมมันตรังสี

ไอโซโทปรังสีของไฮโดรเจนคาร์บอนฟอสฟอรัสซัลเฟอร์และไอโอดีนถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเพื่อติดตามเส้นทางของปฏิกิริยาทางชีวเคมี สารติดตามรังสีสามารถใช้เพื่อติดตามการกระจายตัวของสารภายในระบบธรรมชาติ เช่นเซลล์หรือเนื้อเยื่อ[ ^{1 ] หรือ}ใช้เป็นสารติดตามการไหลเพื่อติดตามการไหลของของเหลว สารติดตามรังสียังใช้เพื่อกำหนดตำแหน่งของรอยแตกที่เกิดจากการแตกร้าวด้วยแรงดันน้ำในการผลิตก๊าซธรรมชาติ^{[ 2 ]}สารติดตามรังสีเป็นพื้นฐานของระบบการถ่ายภาพที่หลากหลาย เช่นการสแกน PET การสแกน SPECTและการสแกนเทคนีเซียมการหาอายุด้วยคาร์บอนกัมมันตรังสีใช้ไอโซโทปคาร์บอน-14 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ เป็นฉลาก ไอโซโทป

ในวิทยาศาสตร์เภสัชรังสี มีการใช้คำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์ที่กำหนดไว้อย่างไม่ถูกต้องอยู่บ้าง ดังนั้นในปี 2015 สมาคมวิทยาศาสตร์เภสัชรังสี (SRS) จึงได้จัดตั้ง "กลุ่มทำงานระหว่างประเทศด้านการตั้งชื่อในเคมีเภสัชรังสีและสาขาที่เกี่ยวข้อง" ขึ้น โดยมีเป้าหมายเพื่อชี้แจงคำศัพท์และสร้างระบบการตั้งชื่อที่เป็นมาตรฐานผ่านฉันทามติระดับโลก เพื่อให้มั่นใจถึงความสอดคล้องและความถูกต้องภายในสาขาวิชา^{[ 3 ]}

ไอโซโทปของธาตุเคมีแตกต่างกันเฉพาะเลขมวลเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปของ^{ไฮโดรเจน}สามารถเขียนได้เป็น^1H , ^2Hและ3H โดย มีเลขมวลกำกับไว้ทางซ้าย เมื่อนิวเคลียสของอะตอมในไอโซโทปไม่เสถียร สารประกอบที่ประกอบด้วยไอโซโทปนี้จะเป็นสารกัมมันตรังสี ท ริเทียมเป็นตัวอย่างหนึ่งของไอโซโทปกัมมันตรังสี

หลักการเบื้องหลังการใช้สารติดตามกัมมันตรังสีคือ การ แทนที่ อะตอม หนึ่ง ในสารประกอบทางเคมีด้วยอะตอมอื่นที่มีธาตุเดียวกัน แต่ว่าอะตอมที่ใช้แทนนั้นเป็นไอโซโทปกัมมันตรังสี กระบวนการนี้มักเรียกว่า การติดฉลากกัมมันตรังสี พลังของเทคนิคนี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่า การสลายตัวของกัมมันตรังสีมีพลังงานสูงกว่าปฏิกิริยาเคมีมาก ดังนั้น ไอโซโทปกัมมันตรังสีจึงสามารถมีอยู่ได้ในความเข้มข้นต่ำ และสามารถตรวจจับได้ด้วยเครื่องตรวจจับรังสี ที่มีความไวสูง เช่นเครื่องนับไกเกอร์และเครื่องนับแสงวับจอร์จ เดอ เฮเวซีได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ในปี 1943 "จากผลงานของเขาเกี่ยวกับการใช้ไอโซโทปเป็นสารติดตามในการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการทางเคมี"

การใช้สารติดตามรังสีมีอยู่สองวิธีหลัก ๆ

1. เมื่อสารประกอบเคมีที่มีการติดฉลากเกิดปฏิกิริยาเคมี ผลิตภัณฑ์อย่างน้อยหนึ่งอย่างจะมีฉลากกัมมันตรังสีอยู่ด้วย การวิเคราะห์สิ่งที่เกิดขึ้นกับไอโซโทปกัมมันตรังสีจะให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกของปฏิกิริยาเคมี
2. มีการนำสารกัมมันตรังสีเข้าสู่สิ่งมีชีวิต และไอโซโทปกัมมันตรังสีนั้นจะช่วยให้สามารถสร้างภาพที่แสดงให้เห็นถึงการกระจายตัวของสารดังกล่าวและผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาของมันไปทั่วสิ่งมีชีวิตได้

ไอโซโทปรังสีที่ใช้กันทั่วไปมีครึ่งชีวิต สั้น จึงไม่พบในธรรมชาติในปริมาณมาก ไอโซโทปรังสีเหล่านี้ถูกผลิตขึ้นโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์หนึ่งในกระบวนการที่สำคัญที่สุดคือการดูดซับนิวตรอนโดยนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งเลขมวลของธาตุนั้นจะเพิ่มขึ้น 1 สำหรับนิวตรอนแต่ละตัวที่ถูกดูดซับ ตัวอย่างเช่น

¹³ C + n → ¹⁴ C

ในกรณีนี้ มวลอะตอมจะเพิ่มขึ้น แต่ธาตุยังคงเดิม ในกรณีอื่นๆ นิวเคลียสที่เกิดขึ้นจะไม่เสถียรและสลายตัว โดยทั่วไปจะปล่อยโปรตอน อิเล็กตรอน ( อนุภาคเบตา ) หรืออนุภาคอัลฟาเมื่อนิวเคลียสสูญเสียโปรตอนเลขอะตอมจะลดลง 1 ตัวอย่างเช่น

³² S + n → ³² P + p

การฉายรังสีนิวตรอนดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อีกวิธีหลักที่ใช้ในการสังเคราะห์ไอโซโทปรังสีคือการระดมยิงโปรตอน โปรตอนจะถูกเร่งให้มีพลังงานสูงในไซโคลตรอนหรือเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น^{[ 4 ]}

ทริเทียม (ไฮโดรเจน-3) ผลิตได้จากการฉายรังสีนิวตรอนของ^6Li :

⁶ Li + n → ⁴ He + ³ H

ทริเทียมมีครึ่งชีวิต4500 ± 8วัน (ประมาณ 12.32 ปี) ^{[ 5 ]}และสลายตัวด้วยการสลายตัวแบบเบตาอิเล็กตรอน ที่ผลิตได้มีพลังงานเฉลี่ย 5.7 keV เนื่องจาก อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมามีพลังงานค่อนข้างต่ำ ประสิทธิภาพการตรวจจับโดยการนับแสงวับจึงค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม อะตอมของไฮโดรเจนมีอยู่ในสารประกอบอินทรีย์ทั้งหมด ดังนั้นทริเทียมจึงถูกใช้เป็นตัวติดตามในการศึกษา ทางชีวเคมี บ่อยครั้ง

¹¹ Cสลายตัวโดยการปล่อยโพซิตรอนด้วยครึ่งชีวิตประมาณ 20 นาที ¹¹ C เป็นหนึ่งในไอโซโทปที่มักใช้ในการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบโพซิตรอน ^{[ 4 ]}

^14Cสลายตัวโดยการสลายตัวแบบเบตา โดย มีครึ่งชีวิต 5730 ปี มันถูกผลิตขึ้นอย่างต่อเนื่องในชั้นบรรยากาศตอนบนของโลก ดังนั้นจึงพบได้ในระดับเล็กน้อยในสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม การใช้ 14C ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติสำหรับการศึกษาติดตามนั้นไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ^จึงต้องสร้างขึ้นโดยการฉายรังสีนิวตรอนของไอโซโทป ^13Cซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติในคาร์บอนในระดับประมาณ 1.1% ^14Cถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเพื่อติดตามความคืบหน้าของโมเลกุลอินทรีย์ผ่านเส้นทางการเผาผลาญ ^{[ 6 ]}

^13Nสลายตัวโดยการปล่อยโพซิตรอนด้วยครึ่งชีวิต 9.97 นาที มันถูกผลิตขึ้นโดยปฏิกิริยา นิวเคลียร์

¹ H + ¹⁶ O → ¹³ N + ⁴ He

^13Nถูกนำมาใช้ในเทคนิคการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบโพซิตรอน( PET scan)

^{ไอโซโทป 15O}สลายตัวโดยการปล่อยโพซิตรอนด้วยครึ่งชีวิต 122 วินาที ใช้ในเทคนิคการถ่ายภาพด้วยโพซิตรอน (positron emission tomography )

^18Fสลายตัวโดยการปล่อย β เป็นหลัก โดยมีครึ่งชีวิต 109.8 นาที สร้างขึ้นโดยการระดมยิงโปรตอนของ 18O ^ในไซโคลตรอนหรือเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นเป็นไอโซโทปที่สำคัญใน อุตสาหกรรม เภสัชรังสีตัวอย่างเช่น ใช้ในการผลิตฟลูออโรดีออกซีกลูโคส (FDG) ที่ติดฉลากหรือD - 3-[ ^18F ]ฟลูออโรอะลานีนสำหรับการใช้งานในการสแกน PET ^{[ 4 ] [ 7 ]}

^32Pถูกสร้างขึ้นโดยการยิงนิวตรอนใส่^32S

³² S + n → ³² P + p

สารนี้สลายตัวด้วยปฏิกิริยาเบตา โดยมีครึ่งชีวิต 14.29 วัน นิยมใช้ในการศึกษาการฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนโดยเอนไซม์ไคเนสในสาขาชีวเคมี

^33Pผลิตได้ในปริมาณที่ค่อนข้างต่ำโดยการยิงนิวตรอนใส่ ^31Pนอกจากนี้ยังเป็นตัวปล่อยเบต้าที่มีครึ่งชีวิต 25.4 วัน แม้ว่าจะมีราคาแพงกว่า 32P แต่^{พลังงาน} ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมานั้นต่ำกว่า ทำให้ สามารถวิเคราะห์ได้ละเอียดกว่า เช่น ในการจัดลำดับดีเอ็นเอ

ไอโซโทปทั้งสองชนิดมีประโยชน์สำหรับการติดฉลากนิวคลีโอไทด์และสารชนิดอื่น ๆ ที่มีหมู่ ฟอสเฟต

^35Sถูกสร้างขึ้นโดยการยิงนิวตรอนใส่^35Cl

³⁵ Cl + n → ³⁵ S + p

ไอโซโทป 35S สลายตัวด้วยปฏิกิริยาเบตา โดยมีครึ่งชีวิต 87.51 วัน ใช้ในการติดฉลากกรดอะมิโนที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ เช่นเมไทโอนีนและซิสเทอีนเมื่ออะตอมของกำมะถันเข้ามาแทนที่อะตอมของออกซิเจนใน หมู่ ฟอสเฟตบนนิวคลีโอไท ด์ จะเกิดเป็นไทโอฟอสเฟต ดังนั้น^35Sจึงสามารถใช้ในการติดตามหมู่ฟอสเฟตได้เช่นกัน

^99m Tcเป็นไอโซโทปรังสีที่มีประโยชน์หลากหลายมาก และเป็นไอโซโทปรังสีติดตามที่ใช้กันมากที่สุดในทางการแพทย์ สามารถผลิตได้ง่ายในเครื่องกำเนิดเทคนีเซียม-99mโดยการสลายตัวของ ^99Mo

⁹⁹ Mo → ^99m Tc + e⁻+ ν_อี

ไอโซโทปโมลิบเดนัมมีครึ่งชีวิตประมาณ 66 ชั่วโมง (2.75 วัน) ดังนั้นเครื่องกำเนิดจึงมีอายุการใช้งานประมาณสองสัปดาห์ เครื่องกำเนิด ^99m Tc เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้คอลัมน์โครมาโทกราฟีซึ่ง^99Moในรูปของโมลิบเดต MoO42− ^จะ_ถูกดูดซับลงบนอะลูมินาที่เป็นกรด (Al2O3 ₎เมื่อ^99Moสลายตัว มันจะก่อตัวเป็น เพ อร์เทคนี^เท_ต TcO4− ซึ่งเนื่องจากมีประจุเดียวจึงยึดติดกับอะลูมินาได้หลวมกว่า การ _ดึงสารละลายเกลือปกติผ่านคอลัมน์ของ^99Mo ที่ตรึงอยู่จะ ชะล้าง^99m Tc ที่ละลายได้ออกมา ส่งผลให้ได้สารละลายเกลือที่มี^99m Tc ในรูปเกลือโซเดียมของเพอร์เทคนีเทตที่ละลายอยู่ เพอร์เทคนีเทตจะถูกบำบัดด้วยสารลดแรงตึง ผิว เช่นSn2 ⁺และลิแกนด์ ลิแกนด์ที่แตกต่างกันจะก่อตัวเป็นสารเชิงซ้อนซึ่งทำให้เทคนีเซียมมีแรงดึงดูดต่อตำแหน่งเฉพาะในร่างกายมนุษย์เพิ่มขึ้น

^99m Tc สลายตัวโดยการปล่อยรังสีแกมมา โดยมีครึ่งชีวิต 6.01 ชั่วโมง ครึ่งชีวิตที่สั้นนี้ทำให้ความเข้มข้นของไอโซโทปรังสีในร่างกายลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ภายในไม่กี่วัน

^123Iผลิตขึ้นโดยการฉายรังสีโปรตอนของ 124Xe ไอโซโทปซีเซียม^ที่ผลิตได้นั้นไม่เสถียรและสลายตัวเป็น ^123Iไอโซโทปนี้มักจะจัดหาในรูปของไอโอไดด์และไฮโปไอโอเดตในสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เจือจาง โดยมีความบริสุทธิ์ของไอโซโทปสูง ^[ 8 ] ^{123Iยังได้รับ}การผลิตที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์โดยการระดมยิงโปรตอนของ ^123Te [ ^{9 ]}

^{ไอโอดีน -123}สลายตัวโดยการจับอิเล็กตรอนด้วยครึ่งชีวิต 13.22 ชั่วโมง  รังสีแกมมา ที่ปล่อยออกมา 159 keV ใช้ในเทคนิคการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์ปล่อยโฟตอนเดี่ยว (SPECT) นอกจากนี้ยังมีการปล่อยรังสีแกมมา 127 keV ออกมาด้วย

^125Iมักใช้ในการตรวจวิเคราะห์ภูมิคุ้มกันด้วยรังสีเนื่องจากมีครึ่งชีวิตค่อนข้างยาว (59 วัน) และสามารถตรวจจับได้ด้วยความไวสูงโดยเครื่องนับรังสีแกมมา ^{[ 10 ]}

ไอโอดีน^{-129 (129I} ) พบได้ในสิ่งแวดล้อมอันเป็นผลมาจากการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศ นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นจากภัยพิบัติเชอร์โนบิลและ ฟุ กุชิมะ ไอโอดีน^-129สลายตัวด้วยครึ่งชีวิต 15.7 ล้านปี โดยปล่อย รังสีเบต้าและแกมมาพลังงานต่ำแม้ว่าจะไม่ได้ใช้เป็นสารติดตาม แต่สามารถตรวจหาการมีอยู่ของไอโอดีน-129 ในสิ่งมีชีวิตรวมถึงมนุษย์ได้โดยการวัดรังสีแกมมา

ไอโซโทปอื่นๆ อีกมากมายถูกนำมาใช้ในการศึกษาทางเภสัชรังสีเฉพาะทาง ไอโซโทปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ^67Gaสำหรับการสแกนด้วยแกลเลียม 67Ga ถูกนำมาใช้เนื่องจากเช่นเดียวกับ^99mTcมันเป็นตัวปล่อยรังสีแกมมา และสามารถติดลิแกนด์ต่างๆ เข้ากับไอออน Ga ^{3+ ได้}ทำให้เกิดสารประกอบเชิงซ้อนซึ่งอาจมีความสัมพันธ์แบบเลือกเฉพาะกับตำแหน่งเฉพาะในร่างกายมนุษย์

รายชื่อสารติดตามรังสีที่ใช้ในการแตกหินด้วยแรงดันน้ำอย่างละเอียดสามารถดูได้ด้านล่างนี้

ใน การวิจัย เกี่ยวกับการเผา ผลาญ กลูโคสที่ติดฉลาก ด้วยทริเทียมและ^14Cมักใช้ในการควบคุมระดับกลูโคสเพื่อวัดอัตราการดูดซึมกลูโคสการสังเคราะห์กรดไขมันและกระบวนการเผาผลาญอื่นๆ[ ^{11 ] แม้ว่า} สารติดตามกัมมันตรังสีจะยังคงใช้ในการศึกษาในมนุษย์บ้าง แต่ สารติดตาม ไอโซโทปเสถียรเช่น^13Cมักใช้กันทั่วไปในการศึกษาควบคุมระดับกลูโคสในมนุษย์ในปัจจุบัน สารติดตามกัมมันตรังสียังใช้ในการศึกษา การเผาผลาญ ไลโปโปรตีนในมนุษย์และสัตว์ทดลอง อีกด้วย ^{[ 12 ]}

ในทางการแพทย์สารติดตามถูกนำมาใช้ในการทดสอบหลายอย่าง เช่น^99m Tc ในการถ่ายภาพรังสีอัตโนมัติและเวชศาสตร์นิวเคลียร์รวมถึงการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์ (SPECT) การถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์แบบเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์ (PET) และการสแกนภาพการทดสอบลมหายใจ ยูเรีย สำหรับ เชื้อ Helicobacter pyloriมักใช้ ยูเรียที่ติดฉลาก ^14Cเพื่อตรวจหาการติดเชื้อ H. pylori หากยูเรียที่ติดฉลากถูกเมตาบอไลซ์โดย H. pylori ในกระเพาะอาหาร ลมหายใจของผู้ป่วยจะมีคาร์บอนไดออกไซด์ที่ติดฉลาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การใช้สารที่อุดมด้วยไอโซโทป^13C ที่ไม่เป็นกัมมันตรังสีได้ กลายเป็นวิธีการที่นิยมมากขึ้น โดยหลีกเลี่ยงการสัมผัสรังสีของผู้ป่วย^{[ 13 ]}

ในการแตกร้าวด้วยแรงดันน้ำ ไอโซโทปติดตามกัมมันตรังสีจะถูกฉีดเข้าไปพร้อมกับของเหลวที่ใช้ในการแตกร้าวด้วยแรงดันน้ำเพื่อกำหนดโปรไฟล์การฉีดและตำแหน่งของรอยแตกที่เกิดขึ้น^{[ 2 ]} จะใช้สารติดตามที่มีครึ่งชีวิตต่างกันในแต่ละขั้นตอนของการแตกร้าวด้วยแรงดันน้ำ ในสหรัฐอเมริกา ปริมาณต่อการฉีดสารกัมมันตรังสีจะระบุไว้ใน แนวทางของ คณะกรรมการกำกับดูแลนิวเคลียร์ แห่งสหรัฐอเมริกา (NRC) ^{[ 14 ]} ตาม NRC สารติดตามที่ใช้กันทั่วไปบางชนิด ได้แก่แอนติโมนี-124 , โบรมีน-82 , ไอโอดีน-125 , ไอโอดีน-131 , อิริเดียม-192และสแกนเดียม-46 ^{[ 14 ]}เอกสารเผยแพร่ปี 2003 โดยองค์การพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศยืนยันการใช้สารติดตามส่วนใหญ่ข้างต้นบ่อยครั้ง และระบุว่าแมงกานีส-56โซเดียม-24 เทคนีเซียม-99mเงิน-110mอาร์กอน-41 และซีนอน-133ก็ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเช่นกัน เนื่องจากสามารถระบุและวัดได้ง่าย^{[ 15 ]}

• ศูนย์พัฒนาไอโซโทปแห่งชาติแหล่งข้อมูลของรัฐบาลสหรัฐฯ เกี่ยวกับไอโซโทปรังสี - การผลิต การจัดจำหน่าย และข้อมูล
• โครงการ พัฒนาและผลิตไอโซโทปเพื่อการวิจัยและการประยุกต์ใช้ (IDPRA)เป็นโครงการของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ที่สนับสนุนการผลิตไอโซโทปและการวิจัยและพัฒนาการผลิตไอโซโทป