Известно 40 изотопов йода ( 53 I) от 108 I до 147 I; все они подвергаются радиоактивному распаду, за исключением 127 I , который стабилен. Таким образом, йод является моноизотопным элементом .
Его самый долгоживущий радиоактивный изотоп , 129 I, имеет период полураспада 16,14 миллионов лет, что слишком мало для того, чтобы он существовал как первичный нуклид . Космогенные источники 129 I производят очень малые его количества, которые слишком малы, чтобы повлиять на измерения атомного веса; таким образом, йод также является мононуклидным элементом — элементом, который встречается в природе только в виде одного нуклида. Большая часть радиоактивности 129 I на Земле является искусственной, нежелательным долгоживущим побочным продуктом ранних ядерных испытаний и аварий ядерного деления.
Все остальные радиоизотопы йода имеют период полураспада менее 60 дней, и четыре из них используются в качестве индикаторов и терапевтических агентов в медицине. Это 123 I, 124 I, 125 I и 131 I. Все промышленное производство радиоактивных изотопов йода включает эти четыре полезных радионуклида.
Изотоп 135 I имеет период полураспада менее семи часов, что слишком мало для использования в биологии. Неизбежное in situ производство этого изотопа важно для управления ядерным реактором, поскольку он распадается до 135 Xe, самого мощного известного поглотителя нейтронов и нуклида , ответственного за так называемый феномен йодной ямки .
Помимо коммерческого производства, 131 I (период полураспада 8 дней) является одним из распространенных радиоактивных продуктов деления ядерного деления и, таким образом, непреднамеренно производится в очень больших количествах внутри ядерных реакторов . Из-за своей летучести, короткого периода полураспада и высокой распространенности в продуктах деления, 131 I (вместе с короткоживущим изотопом йода 132 I, который производится при распаде 132 Te с периодом полураспада 3 дня) несет ответственность за большую часть радиоактивного загрязнения в течение первой недели после случайного загрязнения окружающей среды радиоактивными отходами с атомной электростанции. Таким образом, высокодозированные добавки йода (обычно йодид калия ) даются населению после ядерных аварий или взрывов (а в некоторых случаях и до любого такого инцидента в качестве механизма гражданской обороны ), чтобы уменьшить поглощение соединений радиоактивного йода щитовидной железой до того, как высокорадиоактивные изотопы успеют распасться.
Радиоизотопы йода называются радиоактивным йодом или радиойодом . Существуют десятки, но около полудюжины наиболее заметны в прикладных науках, таких как науки о жизни и ядерная энергетика, как подробно описано ниже. Упоминания радиойода в контексте здравоохранения чаще относятся к йоду-131, чем к другим изотопам.
Из множества изотопов йода только два обычно используются в медицинских целях: йод-123 и йод-131. Поскольку 131 I имеет как бета-, так и гамма-режим распада, его можно использовать для радиотерапии или визуализации. 123 I, который не имеет бета-активности, больше подходит для рутинной ядерной медицинской визуализации щитовидной железы и других медицинских процессов и менее повреждающ для пациента изнутри. Существуют некоторые ситуации, в которых йод-124 и йод-125 также используются в медицине. [6]
Из-за преимущественного поглощения йода щитовидной железой радиоактивный йод широко используется для визуализации и, в случае 131 I, для разрушения дисфункциональных тканей щитовидной железы. Другие типы тканей избирательно поглощают определенные содержащие йод-131 радиофармацевтические агенты, нацеливающие и убивающие ткани (такие как MIBG ). Йод-125 является единственным другим радиоизотопом йода, используемым в лучевой терапии, но только в виде имплантированной капсулы в брахитерапии , где изотоп никогда не имеет возможности высвободиться для химического взаимодействия с тканями организма.
Гамма -излучающие изотопы йод-123 (период полураспада 13 часов) и (реже) более долгоживущий и менее энергичный йод-125 (период полураспада 59 дней) используются в качестве радиоизотопных индикаторов для оценки анатомической и физиологической функции щитовидной железы. Аномальные результаты могут быть вызваны такими расстройствами, как болезнь Грейвса или тиреоидит Хашимото . Оба изотопа распадаются путем электронного захвата (EC) на соответствующие нуклиды теллура , но ни в одном из случаев это не метастабильные нуклиды 123m Te и 125m Te (которые имеют более высокую энергию и не производятся из радиоактивного йода). Вместо этого возбужденные нуклиды теллура распадаются немедленно (период полураспада слишком короток для обнаружения). После EC возбужденный 123 Te из 123 I испускает высокоскоростной электрон внутренней конверсии 127 кэВ (не бета-луч ) примерно в 13% случаев, но это наносит небольшой ущерб клеткам из-за короткого периода полураспада нуклида и относительно небольшой доли таких событий. В остальных случаях испускается гамма-луч 159 кэВ, что хорошо подходит для гамма-визуализации.
Возбужденный 125 Te, полученный в результате захвата электронов 125 I, также испускает гораздо более низкоэнергетический внутренний конверсионный электрон (35,5 кэВ), который наносит относительно небольшой ущерб из-за своей низкой энергии, хотя его испускание встречается чаще. Относительно низкоэнергетическая гамма-волна от распада 125 I/ 125 Te плохо подходит для визуализации, но ее все равно можно увидеть, и этот долгоживущий изотоп необходим в тестах, требующих визуализации в течение нескольких дней, например, при сканировании фибриногена для обнаружения тромбов.
Оба 123 I и 125 I испускают обильное количество низкоэнергетических электронов Оже после своего распада, но они не вызывают серьезных повреждений (разрывов двухцепочечной ДНК) в клетках, если только нуклид не включен в лекарство, которое накапливается в ядре, или в ДНК (это никогда не происходит в клинической медицине, но это было замечено в экспериментальных моделях животных). [7]
Йод-125 также широко используется радиоонкологами в низкодозной брахитерапии при лечении рака в других местах, помимо щитовидной железы, особенно при раке простаты . Когда 125I используется терапевтически, он инкапсулируется в титановые зерна и имплантируется в область опухоли, где он остается. Низкая энергия гамма-спектра в этом случае ограничивает радиационное повреждение тканей, находящихся далеко от имплантированной капсулы. Йод-125, из-за его подходящего более длительного периода полураспада и менее проникающего гамма-спектра, также часто предпочтителен для лабораторных тестов, которые полагаются на йод как на трассер, который подсчитывается гамма-счетчиком , например, в радиоиммуноанализе .
125I используется в качестве радиоактивной метки при исследовании того, какие лиганды взаимодействуют с рецепторами распознавания образов растений (PRR). [8]
Йод-124 — это изотоп йода, богатый протонами, с периодом полураспада 4,18 дня. Его режимы распада: 74,4% — захват электронов, 25,6% — испускание позитронов. 124 I распадается до 124 Te. Йод-124 может быть получен многочисленными ядерными реакциями с помощью циклотрона . Наиболее распространенным исходным материалом является 124 Te.
Йод-124 в виде соли йода может использоваться для прямой визуализации щитовидной железы с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). [9] Йод-124 также может использоваться в качестве радиофармпрепарата для ПЭТ с более длительным периодом полураспада по сравнению с фтором-18 . [10] При таком использовании нуклид химически связывается с фармацевтическим препаратом, образуя радиофармпрепарат, излучающий позитроны, и вводится в организм, где он снова визуализируется с помощью ПЭТ-сканирования.
Йод-129 ( 129 I; период полураспада 15,7 млн лет) является продуктом расщепления космических лучей на различных изотопах ксенона в атмосфере , при взаимодействии мюонов космических лучей с теллуром-130, а также деления урана и плутония , как в подземных породах, так и в ядерных реакторах. Искусственные ядерные процессы, в частности переработка ядерного топлива и атмосферные испытания ядерного оружия, в настоящее время заглушили естественный сигнал для этого изотопа. Тем не менее, теперь он служит трассером грунтовых вод как индикатором рассеивания ядерных отходов в естественной среде. Аналогичным образом 129 I использовался в исследованиях дождевой воды для отслеживания продуктов деления после катастрофы на Чернобыльской АЭС .
В некотором смысле 129 I похож на 36 Cl . Это растворимый галоген, существует в основном как несорбирующийся анион и производится космогенными, термоядерными и in-situ реакциями. В гидрологических исследованиях концентрации 129 I обычно сообщаются как отношение 129 I к общему I (который практически весь представляет собой 127 I). Как и в случае с 36 Cl/Cl, отношения 129 I/I в природе довольно малы, от 10 −14 до 10 −10 (пик термоядерного 129 I/I в 1960-х и 1970-х годах достигал около 10 −7 ). 129 I отличается от 36 Cl тем, что его период полураспада больше (15,7 против 0,301 миллиона лет), он очень биофилен и встречается в нескольких ионных формах (обычно I − и IO 3 − ), которые имеют различное химическое поведение. Это позволяет 129 I довольно легко проникать в биосферу, поскольку он включается в растительность, почву, молоко, ткани животных и т. д. Было показано, что избытки стабильного 129 Xe в метеоритах являются результатом распада «первичного» йода-129, вновь произведенного сверхновыми, которые создали пыль и газ, из которых образовалась Солнечная система. Этот изотоп давно распался и поэтому называется «вымершим». Исторически 129 I был первым вымершим радионуклидом, который был идентифицирован как присутствующий в ранней Солнечной системе . Его распад лежит в основе схемы радиометрического датирования I-Xe йод-ксенон , которая охватывает первые 85 миллионов лет эволюции Солнечной системы .
Йод-131 (131
я
) представляет собой бета-излучающий изотоп с периодом полураспада восемь дней и сравнительно энергичным (средняя энергия 190 кэВ и максимальная энергия 606 кэВ) бета-излучением, которое проникает на расстояние от 0,6 до 2,0 мм от места поглощения. Это бета-излучение может использоваться для разрушения узлов щитовидной железы или гиперфункционирующей ткани щитовидной железы, а также для устранения оставшейся ткани щитовидной железы после операции для лечения болезни Грейвса . Целью этой терапии, которая была впервые исследована доктором Солом Герцем в 1941 году, [11] является разрушение ткани щитовидной железы, которая не может быть удалена хирургическим путем. В этой процедуре 131I вводится либо внутривенно, либо перорально после диагностического сканирования. Эта процедура также может использоваться с более высокими дозами радиоактивного йода для лечения пациентов с раком щитовидной железы .
131 I поглощается тканью щитовидной железы и концентрируется там. Бета-частицы, испускаемые радиоизотопом, разрушают связанную ткань щитовидной железы с небольшим повреждением окружающих тканей (более 2,0 мм от тканей, поглощающих йод). Из-за аналогичного разрушения 131 I является радиоизотопом йода, используемым в других водорастворимых радиофармацевтических препаратах, меченных йодом (таких как MIBG ), используемых в терапевтических целях для разрушения тканей.
Высокоэнергетическое бета-излучение (до 606 кэВ) от 131 I делает его наиболее канцерогенным из изотопов йода. Считается, что он вызывает большинство избыточных случаев рака щитовидной железы, наблюдаемых после загрязнения ядерным делением (например, выпадение бомб или серьезные аварии на ядерных реакторах, такие как Чернобыльская катастрофа ). Однако эти эпидемиологические эффекты наблюдаются в основном у детей, а лечение взрослых и детей терапевтическим 131 I и эпидемиология взрослых, подвергшихся воздействию низких доз 131 I, не продемонстрировали канцерогенности. [12]
Йод-135 — изотоп йода с периодом полураспада 6,6 часов. Это важный изотоп с точки зрения физики ядерных реакторов . Он производится в относительно больших количествах как продукт деления и распадается на ксенон-135 , который является ядерным ядом с самым большим известным поперечным сечением тепловых нейтронов , что является причиной многочисленных осложнений в управлении ядерными реакторами . Процесс накопления ксенона-135 из накопленного йода-135 может временно помешать перезапуску остановленного реактора. Это известно как отравление ксеноном или «падение в йодную яму ».
Изотопы, полученные делением йода, не рассмотренные выше (йод-128, йод-130, йод-132 и йод-133), имеют период полураспада в несколько часов или минут, что делает их практически бесполезными в других применимых областях. Упомянутые изотопы богаты нейтронами и подвергаются бета-распаду с образованием изотопов ксенона. Йод-128 (период полураспада 25 минут) может распадаться либо на теллур-128 путем захвата электронов, либо на ксенон-128 путем бета-распада. Он имеет удельную радиоактивность2,177 × 10 6 ТБк/г .
В разговорной речи радиоактивные материалы можно описать как «горячие», а нерадиоактивные материалы можно описать как «холодные». Есть случаи, когда холодный йодид вводят людям, чтобы предотвратить поглощение горячего йодида щитовидной железой. Например, блокада поглощения йода щитовидной железой с помощью йодида калия используется в сцинтиграфии и терапии ядерной медицины с некоторыми радиоактивными йодированными соединениями, которые не нацелены на щитовидную железу, такими как иобенгуан ( MIBG ), который используется для визуализации или лечения опухолей нервной ткани, или йодированный фибриноген, который используется при сканировании фибриногена для исследования свертываемости. Эти соединения содержат йод, но не в форме йодида. Однако поскольку они в конечном итоге могут метаболизироваться или распадаться на радиоактивный йодид, обычно вводят нерадиоактивный йодид калия, чтобы гарантировать, что метаболиты этих радиофармпрепаратов не будут секвестрированы щитовидной железой и непреднамеренно не подвергнуть эту ткань радиологической дозе.
Йодид калия был распространен среди населения, пострадавшего от ядерных аварий деления, таких как катастрофа на Чернобыльской АЭС . Йодидный раствор SSKI , насыщенный раствор йодида калия ( K ) в воде, использовался для блокирования поглощения радиоактивного йода (он не влияет на другие радиоизотопы деления). Таблетки, содержащие йодид калия, теперь также производятся и хранятся в центральных местах катастроф некоторыми правительствами для этой цели. Теоретически, многие вредные поздние раковые эффекты радиоактивных осадков могут быть предотвращены таким образом, поскольку избыток рака щитовидной железы, предположительно из-за поглощения радиоактивного йода, является единственным доказанным эффектом радиоизотопного загрязнения после аварии деления или от загрязнения осадками атомной бомбы (мгновенное излучение от бомбы также напрямую вызывает другие виды рака, такие как лейкемия). Прием больших количеств йодида насыщает тиреоидные рецепторы и предотвращает поглощение большей части радиоактивного йода-131 , который может присутствовать в результате воздействия продуктов деления (хотя он не защищает от других радиоизотопов или от любой другой формы прямого излучения). Защитный эффект KI длится приблизительно 24 часа, поэтому его необходимо дозировать ежедневно до тех пор, пока риск значительного воздействия радиоактивного йода от продуктов деления не исчезнет. [13] [14] Йод-131 (наиболее распространенный радиоактивный йодный загрязнитель в осадках) также распадается относительно быстро с периодом полураспада восемь дней, так что 99,95% исходного радиоактивного йода исчезают через три месяца.