stringtranslate.com

Радиоактивный индикатор

Радиоактивный индикатор , радиоактивный индикатор или радиоактивная метка — это синтетическое производное природного соединения , в котором один или несколько атомов заменены радионуклидом ( радиоактивным атомом). Благодаря радиоактивному распаду его можно использовать для изучения механизма химических реакций, прослеживая путь, который проходит радиоизотоп от реагентов к продуктам. Таким образом, радиоактивная маркировка или радиоактивное отслеживание является радиоактивной формой изотопной маркировки . В биологическом контексте эксперименты, в которых используются индикаторы радиоизотопов, иногда называют экспериментами по подаче радиоизотопов .

Радиоизотопы водорода , углерода , фосфора , серы и йода широко используются для отслеживания хода биохимических реакций . Радиоактивный индикатор также можно использовать для отслеживания распределения вещества внутри природной системы, такой как клетка или ткань , [1] или в качестве индикатора потока для отслеживания потока жидкости . Радиоактивные индикаторы также используются для определения местоположения трещин, образовавшихся в результате гидроразрыва при добыче природного газа. [2] Радиоактивные индикаторы составляют основу различных систем визуализации, таких как ПЭТ-сканирование , ОФЭКТ-сканирование и сканирование технеция . При радиоуглеродном датировании в качестве изотопной метки используется встречающийся в природе изотоп углерода-14 .

Методология

Изотопы химического элемента различаются только массовым числом. Например, изотопы водорода можно записать как 1 H , 2 H и 3 H , с надстрочным индексом слева. Когда атомное ядро ​​изотопа нестабильно, соединения, содержащие этот изотоп, радиоактивны . Тритий является примером радиоактивного изотопа.

Принцип использования радиоактивных индикаторов заключается в том, что атом в химическом соединении заменяется другим атомом того же химического элемента. Однако замещающий атом является радиоактивным изотопом. Этот процесс часто называют радиоактивной маркировкой. Сила метода обусловлена ​​тем, что радиоактивный распад гораздо более энергичен, чем химические реакции. Следовательно, радиоактивный изотоп может присутствовать в низкой концентрации, и его присутствие обнаруживается чувствительными детекторами радиации , такими как счетчики Гейгера и сцинтилляционные счетчики . Джордж де Хевеши получил Нобелевскую премию по химии 1943 года «за работу по использованию изотопов в качестве индикаторов при изучении химических процессов».

Существует два основных способа использования радиоактивных индикаторов.

  1. Когда меченое химическое соединение подвергается химическим реакциям, один или несколько продуктов будут содержать радиоактивную метку. Анализ того, что происходит с радиоактивным изотопом, дает подробную информацию о механизме химической реакции.
  2. Радиоактивное соединение вводится в живой организм, и радиоизотоп позволяет создать изображение, показывающее, как это соединение и продукты его реакции распределяются по организму.

Производство

Обычно используемые радиоизотопы имеют короткий период полураспада и поэтому не встречаются в природе в больших количествах. Они производятся в результате ядерных реакций . Одним из наиболее важных процессов является поглощение нейтрона атомным ядром, при котором массовое число соответствующего элемента увеличивается на 1 для каждого поглощенного нейтрона. Например,

13 С + п → 14 С

В этом случае атомная масса увеличивается, но элемент остается неизменным. В других случаях ядро ​​продукта нестабильно и распадается, обычно испуская протоны, электроны ( бета-частицы ) или альфа-частицы . Когда ядро ​​теряет протон, атомный номер уменьшается на 1. Например,

32 С + н → 32 П + п

Нейтронное облучение проводится в ядерном реакторе . Другим основным методом синтеза радиоизотопов является бомбардировка протонами. Протоны ускоряются до высоких энергий либо в циклотроне , либо в линейном ускорителе . [3]

Индикаторные изотопы

Водород

Тритий (водород-3) получают нейтронным облучением 6 Li :

6 Li + n → 4 He + 3 H

Тритий имеет период полураспада 4500 ± 8 дней (приблизительно 12,32 года) [4] и распадается путем бета-распада . Образующиеся электроны имеют среднюю энергию 5,7 кэВ . Поскольку испускаемые электроны имеют относительно низкую энергию, эффективность обнаружения с помощью сцинтилляционного счета довольно низка. Однако атомы водорода присутствуют во всех органических соединениях, поэтому тритий часто используется в качестве индикатора в биохимических исследованиях.

Углерод

11 C распадается путем эмиссии позитронов с периодом полураспада ок. 20 мин. 11 C — один из изотопов, часто используемых в позитронно-эмиссионной томографии . [3]

14 C распадается путем бета-распада с периодом полураспада 5730 лет. Он постоянно вырабатывается в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому в окружающей среде встречается в следовых количествах. Однако использовать природный 14 C для исследований индикаторовнепрактичноВместо этого он производится нейтронным облучением изотопа 13 C , который в природе встречается в углероде на уровне примерно 1,1%. 14 C широко использовался для отслеживания продвижения органических молекул по метаболическим путям. [5]

Азот

13 N распадается путем эмиссии позитронов с периодом полураспада 9,97 мин. Он образуется в результате ядерной реакции

1 H + 16 O → 13 N + 4 He

13 Н используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ-сканировании).

Кислород

15 O распадается путем испускания позитронов с периодом полураспада 122 сек. Он используется в позитронно-эмиссионной томографии.

Фтор

18 F распадается преимущественно за счет β-излучения с периодом полураспада 109,8 мин. Его получают путем бомбардировки протонами 18 O в циклотроне или линейном ускорителе частиц . Это важный изотоп в радиофармацевтической промышленности. Например, его используют для изготовления меченой фтордезоксиглюкозы (ФДГ) для применения в ПЭТ-сканировании. [3]

Фосфор

32 P производится нейтронной бомбардировкой 32 S.

32 С + н → 32 П + п

Он распадается путем бета-распада с периодом полураспада 14,29 дней. Его обычно используют для изучения фосфорилирования белков киназами в биохимии.

33 P производится с относительно низким выходом путем бомбардировки 31 P нейтронами . Это также бета-излучатель с периодом полураспада 25,4 дня. Хотя он и дороже, чем 32 P , испускаемые электроны менее энергичны, что обеспечивает лучшее разрешение, например, при секвенировании ДНК.

Оба изотопа полезны для мечения нуклеотидов и других видов, содержащих фосфатную группу.

сера

35 S производится нейтронной бомбардировкой 35 Cl.

35 Cl + n → 35 S + p

Он распадается путем бета-распада с периодом полураспада 87,51 дня. Он используется для обозначения серосодержащих аминокислот метионина и цистеина . Когда атом серы заменяет атом кислорода в фосфатной группе нуклеотида, образуется тиофосфат , поэтому 35 S также можно использовать для отслеживания фосфатной группы.

Технеций

99m Tc представляет собой очень универсальный радиоизотоп и наиболее часто используемый радиоизотопный индикатор в медицине. Его легко получить вгенераторе технеция-99m путем распада 99 Mo.

99 Мо → 99m Тс +
е−
+
ν
е

Период полураспада изотопа молибдена составляет примерно 66 часов (2,75 дня), поэтому срок службы генератора составляет около двух недель. В большинстве коммерческих генераторов 99m Tc используется колоночная хроматография , при которой 99 Mo в форме молибдата MoO 4 2- адсорбируется на кислом оксиде алюминия (Al 2 O 3 ). При распаде 99 Mo образуется пертехнетат TcO 4 − , который из-за своего единственного заряда менее прочно связан с оксидом алюминия. Протягивание физиологического раствора через колонку с иммобилизованным 99 Mo приводит к элюированию растворимого 99m Tc, в результате чего образуется солевой раствор, содержащий 99m Tc в виде растворенной натриевой соли пертехнетата. Пертехнетат обрабатывают восстановителем, таким как Sn 2+ и лигандом . Различные лиганды образуют координационные комплексы , которые придают технецию повышенное сродство к определенным участкам человеческого тела.

99m Tc распадается за счет гамма-излучения, период полураспада: 6,01 часа. Короткий период полураспада гарантирует, что концентрация радиоизотопа в организме эффективно упадет до нуля за несколько дней.

Йод

123 I получается при облучении протонами 124 Xe .изотоп цезия нестабилен и распадается до 123 I. Изотоп обычно поставляется в виде йодида и гипоиодата в разбавленном растворе гидроксида натрия с высокой изотопной чистотой. [6] 123 I также был получен в Окриджских национальных лабораториях путем бомбардировки протонами 123 Te . [7]

123 I распадается путем захвата электронов с периодом полураспада 13,22 часа. Испускаемое  гамма-излучение с энергией 159 кэВ используется в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). Также испускается гамма-лучи с энергией 127 кэВ.

125 I часто используется в радиоиммунологических анализах из-за его относительно длительного периода полураспада (59 дней) и способности обнаруживаться с высокой чувствительностью гамма-счетчиками. [8]

129 I присутствует в окружающей среде в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере. Его также производили во время катастроф на Чернобыльской АЭС и Фукусиме . 129 I распадается с периодом полураспада 15,7 миллионов лет, с низкоэнергетическими бета- и гамма- выбросами. Он не используется в качестве индикатора, хотя его присутствие в живых организмах, включая человека, можно охарактеризовать путем измерения гамма-лучей.

Другие изотопы

Многие другие изотопы использовались в специализированных радиофармакологических исследованиях. Наиболее широко используется 67 Ga для сканирования галлия . 67 Ga используется потому, что, как и 99m Tc, он является излучателем гамма-излучения, и к иону Ga 3+ могут быть присоединены различные лиганды , образующие координационный комплекс , который может иметь избирательное сродство к определенным участкам человеческого тела.

Подробный список радиоактивных индикаторов, используемых при гидроразрыве пласта, можно найти ниже.

Приложения

В исследованиях метаболизма тритий и 14 C -меченная глюкоза обычно используются в глюкозных зажимах для измерения скорости поглощения глюкозы , синтеза жирных кислот и других метаболических процессов. [9] Хотя радиоактивные индикаторы иногда все еще используются в исследованиях на людях, в текущих исследованиях на людях чаще используются индикаторы стабильных изотопов , такие как 13 C. Радиоактивные индикаторы также используются для изучения метаболизма липопротеинов у человека и экспериментальных животных. [10]

В медицине индикаторы применяются в ряде тестов, таких как 99m Tc в авторадиографии и ядерной медицине , включая однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и сцинтиграфию . В дыхательном тесте с мочевиной на Helicobacter pylori обычно использовалась доза мочевины, меченной 14 C, для выявления h. pylori-инфекция. Если меченая мочевина метаболизируется h. pylori в желудке, дыхание пациента будет содержать меченый углекислый газ. В последние годы предпочтительным методом, позволяющим избежать воздействия радиоактивности на пациентов, стало использование веществ, обогащенных нерадиоактивным изотопом 13 С. [11]

При гидроразрыве пласта радиоактивные изотопы-индикаторы вводятся в жидкость гидроразрыва для определения профиля закачки и местоположения образовавшихся трещин. [2] Для каждой стадии ГРП используются трассеры с разным периодом полураспада. В Соединенных Штатах количество радионуклидов на одну инъекцию указано в рекомендациях Комиссии по ядерному регулированию США (NRC). [12] По данным NRC, некоторые из наиболее часто используемых индикаторов включают сурьму-124 , бром-82 , йод-125 , йод-131 , иридий-192 и скандий-46 . [12] Публикация Международного агентства по атомной энергии 2003 года подтверждает частое использование большинства из вышеуказанных индикаторов и говорит, что марганец-56 , натрий-24 , технеций-99m , серебро-110m , аргон-41 и ксенон-133 также широко используются, поскольку их легко идентифицировать и измерить. [13]

Рекомендации

  1. ^ Ренни MJ (ноябрь 1999 г.). «Введение в использование индикаторов в питании и обмене веществ». Труды Общества питания . 58 (4): 935–44. дои : 10.1017/S002966519900124X . ПМИД  10817161.
  2. ^ аб Рейс, Джон К. (1976). Экологический контроль в нефтяном машиностроении. Профессиональные издательства Персидского залива.
  3. ^ abc Фаулер Дж. С. и Вольф А. П. (1982) Синтез радиоактивных индикаторов, меченных углеродом-11, фтором-18 и азотом-13, для биомедицинских применений. Нукл. наук. Сер. Натл Акад. наук. Натл Рез. Совет Моногр. 1982.
  4. ^ Лукас Л.Л., член парламента от Унтервегера (2000). «Комплексный обзор и критическая оценка периода полураспада трития» (PDF) . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 105 (4): 541–9. дои : 10.6028/jres.105.043. ПМЦ 4877155 . PMID  27551621. Архивировано из оригинала (PDF) 17 октября 2011 г. 
  5. ^ Ким Ш., Келли П.Б., Клиффорд Эй.Дж. (апрель 2010 г.). «Расчет радиационного воздействия при использовании (14) C-меченных питательных веществ, пищевых компонентов и биофармацевтических препаратов для количественной оценки метаболического поведения человека». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (8): 4632–7. дои : 10.1021/jf100113c. ПМЦ 2857889 . ПМИД  20349979. 
  6. ^ Информационный бюллетень I-123 [ постоянная мертвая ссылка ]
  7. ^ Хупф Х.Б., Элдридж Дж.С., Бивер Дж.Э. (апрель 1968 г.). «Производство йода-123 для медицинского применения». Международный журнал прикладной радиации и изотопов . 19 (4): 345–51. дои : 10.1016/0020-708X(68)90178-6. ПМИД  5650883.
  8. ^ Гилби Э.Д., Джеффкоут С.Л., Эдвардс Р. (июль 1973 г.). «125-йодные индикаторы для радиоиммуноанализа на стероиды». Журнал эндокринологии . 58 (1): хх. ПМИД  4578967.
  9. ^ Креген Э.В., Дженкинс А.Б., Сторлиен Л.Х., Чисхолм DJ (1990). «Трассерные исследования действия инсулина in vivo и метаболизма глюкозы в отдельных периферических тканях». Гормональные и метаболические исследования. Дополнение к серии . 24 : 41–8. ПМИД  2272625.
  10. ^ Магкос Ф., Сидоссис Л.С. (сентябрь 2004 г.). «Измерение кинетики липопротеинов-триглицеридов очень низкой плотности у человека in vivo: насколько на самом деле различаются различные методы». Текущее мнение о клиническом питании и метаболической помощи . 7 (5): 547–55. дои : 10.1097/00075197-200409000-00007. PMID  15295275. S2CID  26085364.
  11. ^ Питерс М (1998). «Дыхательный тест на мочевину: диагностический инструмент в лечении желудочно-кишечных заболеваний, связанных с Helicobacter pylori». Acta Gastro-Enterologica Belgica . 61 (3): 332–5. ПМИД  9795467.
  12. ^ аб Уиттен Дж.Э., Куртеманш С.Р., Джонс А.Р., Пенрод Р.Э., Фогль Д.Б., Отдел промышленной и медицинской ядерной безопасности, Управление безопасности ядерных материалов и гарантий (июнь 2000 г.). «Сводное руководство по лицензиям на материалы: Руководство для конкретной программы по лицензиям на каротажные исследования скважин, трассировку и полевые исследования паводков (НУРЭГ-1556, том 14)». Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 19 апреля 2012 г. с маркировкой Песок ГРП...СК-46, Бр-82, Аг-110м, Сб-124, Ир-192
  13. ^ Радиационная защита и обращение с радиоактивными отходами в нефтегазовой промышленности (PDF) (Отчет). Международное агентство по атомной энергии. 2003. стр. 39–40 . Проверено 20 мая 2012 г. Бета-излучатели, включая 3 H и 14 C, можно использовать, когда возможно использовать методы отбора проб для обнаружения присутствия радиофармпрепарата или когда изменения концентрации активности можно использовать в качестве индикаторов интересующих свойств в системе. Гамма-излучатели, такие как 46 Sc, 140 La, 56 Mn, 24 Na, 124 Sb, 192 Ir, 99 Tc m , 131 I, 110 Ag m , 41 Ar и 133 Xe, широко используются из-за легкости, с которой они могут быть идентифицированы и измерены. ... Чтобы облегчить обнаружение любой утечки растворов «мягких» бета-излучателей, в них иногда добавляют гамма-излучатели с коротким периодом полураспада, такие как 82 Br...

Внешние ссылки