Tracer - Tore-saa (English spelling) tracer

Japanese: トレーサー - とれーさー（英語表記）tracer

A substance added from the outside as a marker to track the behavior, distribution, and chemical reaction process of a target substance. It is also called a tracer. The first use of a chemical substance as a tracer was in an experiment to investigate whether two lakes were connected underground, in which fluorescein, a type of green fluorescent dye, was added to one lake and the other lake was stained green after a certain period of time. However, radioisotopes (RIs) are now widely used as tracers. This is because if an element in a target substance is replaced with RI, the target substance is expected to behave exactly like the target substance, and the radiation emitted by RIs is highly sensitive and easy to measure. The use of radioactive tracers expanded rapidly in all research fields, including science and engineering, agriculture, biology, pharmacy, and medicine, after World War II, when nuclear reactors and accelerators made it possible to mass-produce a wide variety of RIs.

Although isotopes have the same atomic number as the corresponding element and are expected to behave in the same physical and chemical manner, there are cases where subtle differences in behavior can be seen due to the difference in the mass of the two. This difference is called the "isotope effect." The isotope effect is more noticeable in elements with smaller atomic numbers than in elements with larger atomic numbers. For example, hydrogen is composed of the stable isotopes hydrogen 1 (protium, symbol H, natural isotope abundance 99.9885%) and hydrogen 2 (deuterium, symbol D, natural isotope abundance 0.0115%), but radioisotope hydrogen 3 (tritium, symbol T, half-life 12.32 years) has a mass three times larger than hydrogen 1. For this reason, even with the same water molecule, there are subtle differences in boiling points, etc. between light water (H ₂ O, molecular weight approximately 18), heavy water (HDO, molecular weight approximately 19), and tritiated water (HTO, molecular weight approximately 20). When using tracers for light elements, attention must be paid to the isotope effect, but when using normal tracers other than light elements, the isotope effect can be considered negligible. When suitable RI cannot be obtained, stable isotopes are used as tracers and are measured and tracked using a mass spectrometer, etc. Tracers are sometimes called physical tracers when tracking the physical behavior or distribution state of a substance, and chemical tracers when tracking the process of a chemical reaction.

Using RIs outdoors, rather than in a laboratory, can lead to environmental pollution, and is usually quite difficult. In such cases, it is advisable to use the activatable tracer method. This method uses a non-RI, i.e., a stable isotope, as a tracer, and measures the amount of stable isotopes extracted from the target object by radioactivation analysis (a type of highly sensitive elemental analysis method in which stable isotopes are converted into RIs through nuclear reactions, and the type and amount of the original stable isotope is determined by measuring the radiation). This is used to track the behavior of the target object. For example, a famous example of the activatable tracer method is the study of salmon migration. This utilizes the fact that europium, an element that exists only in small amounts in nature, is mixed into food and given to young salmon, and the ingested europium is concentrated in their scales. These young fish are released into rivers, and after a few years, adult salmon that have migrated upstream into the ocean or rivers are captured and their scales are subjected to radioactivation analysis to study how the salmon migrate in the ocean and what percentage of them return to the river from which they were released.

In animal and plant research, RI is widely used as a tracer to investigate the function and metabolism of compounds labeled with RI, and to investigate the distribution state within organs and tissues. In nuclear medicine diagnosis, labeled compounds called internal diagnostic radiopharmaceuticals labeled with technetium-99m (half-life 6.02 hours, m indicates that nuclear energy is in an excited state), iodine-131 (half-life 8.02 days), fluorine-18 (half-life 109.8 minutes), etc. are widely used as tracers.

[Kunikazu Noguchi August 19, 2015]

Medicine

In terms of its use in the medical field, it can be broadly divided into sample measurement (in vitro testing) and biomeasurement (in vivo testing).

Sample measurement does not require administration of a tracer to the living body, and blood, urine, etc. can be used as samples. The sample is placed in a test tube containing the substance to be measured that has been labeled with a tracer, and the labeled substance and unlabeled substance are allowed to compete with each other. The target substance in the sample is measured or quantified by measuring the radioactivity using radioimmunoassay, competitive protein binding analysis, isotope dilution, etc. A wide range of substances can be measured, including various hormones, angiotensin, Australian antigen and antibody, vitamin _B12 , and cholesterol. Measurement methods for new substances are also under development. Sample measurement has the advantage of being more sensitive than other methods and being able to measure a large number of samples in a short period of time.

In biomedicine, a radiopharmaceutical that has been labeled with an RI tracer to a substance that accumulates in a specific organ is administered to the living body, and the gamma (gamma) rays emitted by the tracer are detected outside the body to diagnose the shape and size of the organ and the presence or absence of disease. Most organs can be examined, including the brain, thyroid gland, salivary gland, lungs, liver, spleen, biliary tract, pancreas, kidneys, adrenal glands, bones, bone marrow, heart, and large blood vessels. Biomedicine can be performed non-invasively by simply injecting a radiopharmaceutical intravenously, and the images obtained are almost the same as those obtained by ultrasound or X-ray CT, making it highly valuable as a diagnostic tool.

[Junichi Nishikawa]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

対象となる物質の行動や分布状態、化学反応の過程を追跡するために目印として外部から加える物質。追跡子ともよばれる。二つの湖が地下でつながっているかどうかを調査する目的で、一方の湖に緑色の蛍光色素の一種であるフルオレセインを投入し、一定時間後に他方の湖に緑色の着色が現れることによって調べた例が、化学物質をトレーサーとして使用した最初とされている。しかし、現在ではラジオ・アイソトープradioisotope（略称RI。放射性同位体ともいう）がトレーサーとして広く利用されている。その理由は、対象となる物質中のある元素をRIで置換すれば、目印となる物質が当該物質とまったく同様に行動することが期待でき、かつRIから放出される放射線は高感度で容易に測定可能だからである。放射性トレーサーの利用は、第二次世界大戦後、原子炉と加速器によって多種多様なRIが大量に生産できるようになり、理工学、農学、生物学、薬学、医学などのあらゆる研究分野で急速に拡大していった。

　同位体は当該元素と原子番号が等しいために物理化学的に同様に挙動することが期待できるとはいえ、両者の質量の違いにより微妙に挙動に差がみられることがある。この差を「同位体効果」という。同位体効果は原子番号の大きな元素よりも原子番号の小さな元素で顕著に現れる。たとえば水素は安定同位体の水素1（プロチウム。記号H、天然同位体存在比99.9885％）と水素2（ジュウテリウム。同D、同0.0115％）で構成されるが、RIの水素3（トリチウム。同T、半減期12.32年）は水素1の3倍も大きな質量を有する。このため同じ水分子でも、軽水（H₂O、分子量およそ18）と重水（HDO、分子量およそ19）とトリチウム水（HTO、分子量およそ20）では、沸点などに微妙な差が現れる。軽い元素についてのトレーサー利用では同位体効果に注意する必要があるが、軽い元素を除く通常のトレーサー利用においては、同位体効果は無視できると考えてよい。適当なRIが得られない場合は、トレーサーとして安定同位体を用い、質量分析計などで測定し追跡することもある。トレーサーは、物質の物理的な挙動や分布状態を追跡する場合には物理的トレーサー、化学反応の過程を追跡する場合は化学的トレーサーとよばれることもある。

　RIを実験室ではなく野外で使用することは、環境汚染につながりかねず、通常はなかなかむずかしい。このような場合にはアクチバブルトレーサー法を用いるとよい。この方法は非RI、すなわち安定同位体をトレーサーとして用い、対象物から採取した安定同位体を放射化分析（高感度の元素分析方法の一種で、安定同位体を核反応によりRIに変え、その放射線を測定することにより、もとの安定同位体の種類と量を求める方法）することによりその量を求め、対象物の挙動を追跡するものである。たとえばアクチバブルトレーサー法の有名な例としてサケの回遊調査がある。これは天然に微少量しか存在しない元素ユウロピウムを餌(えさ)に混ぜてサケの稚魚に与えると、摂取されたユウロピウムが鱗(うろこ)に濃縮されることを利用するものである。この稚魚を川に放流し、数年後に海洋や川に遡上(そじょう)するサケの成魚を捕獲して鱗を放射化分析することにより、サケが海洋でどのように回遊し、どの程度の割合で放流したもとの川に戻ってくるかを調査する。

　動植物の研究ではRIで標識された標識化合物を用いて機能や代謝を調べたり、臓器・組織内での分布状態を調べたりと、RIはトレーサーとして多用されている。また核医学的診断においても、テクネチウム99m（半減期6.02時間。mは核エネルギーが励起(れいき)状態にあることを表す）、ヨウ素131（同8.02日）、フッ素18（同109.8分）などで標識された体内診断用放射性医薬品とよばれる標識化合物がトレーサーとして広く利用されている。

［野口邦和　2015年8月19日］

医学

医学分野の利用については、試料測定（in vitro検査）と生体測定（in vivo検査）とに大別される。

　試料測定では生体へのトレーサーの投与は必要なく、血液・尿などが試料となる。トレーサーを標識した測定目的の物質が入った試験管に試料を入れ、標識物質と非標識物質を競合させ、放射免疫測定法、競合的タンパク結合分析法、アイソトープ希釈法などを利用し、放射能の測定により試料中の目的物質を測定ないし定量するものである。測定可能の物質としては、種々のホルモン、アンギオテンシン、オーストラリア抗原・抗体、ビタミンB₁₂、コレステロールなど多岐にわたっている。また、新しい物質の測定法も開発中である。試料測定は、他の方法と比較して感度が高く、多数の試料を短時間に測定できる利点がある。

　生体測定は、ある特定の臓器に集まる物質にRIトレーサーを標識した放射性医薬品を生体に投与し、トレーサーより放出されるγ(ガンマ)線を体外で検出し、臓器の形・大きさ、病変の有無を診断するものである。検査が可能となる臓器は、脳、甲状腺(せん)、唾液(だえき)腺、肺、肝臓、脾(ひ)臓、胆道、膵(すい)臓、腎(じん)臓、副腎、骨、骨髄、心臓、大血管など、ほとんどの臓器がその対象となる。生体測定では、放射性医薬品の静脈注射のみで非侵襲的に検査ができ、得られる画像も超音波検査、X線CTとほぼ同程度であり、診断的価値が高い。

［西川潤一］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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