stringtranslate.com

Радиоактивный индикатор

Радиоактивный индикатор , радиотрейсер или радиоактивная метка — это синтетическое производное природного соединения , в котором один или несколько атомов были заменены радионуклидом ( радиоактивным атомом). Благодаря своему радиоактивному распаду , он может использоваться для изучения механизма химических реакций путем отслеживания пути, по которому радиоизотоп следует от реагентов к продуктам. Радиомечение или радиотрассирование , таким образом, является радиоактивной формой изотопной маркировки . В биологическом контексте эксперименты, в которых используются радиоизотопные индикаторы, иногда называются экспериментами по подаче радиоизотопов .

Радиоизотопы водорода , углерода , фосфора , серы и йода широко использовались для отслеживания пути биохимических реакций . Радиоактивный индикатор также может использоваться для отслеживания распределения вещества в естественной системе, такой как клетка или ткань , [1] или в качестве индикатора потока для отслеживания потока жидкости . Радиоактивные индикаторы также используются для определения местоположения трещин, созданных гидравлическим разрывом пласта при добыче природного газа. [2] Радиоактивные индикаторы составляют основу различных систем визуализации, таких как сканирование ПЭТ , сканирование ОФЭКТ и сканирование технеция . Радиоуглеродное датирование использует природный изотоп углерода-14 в качестве изотопной метки .

Методология

Изотопы химического элемента различаются только массовым числом. Например, изотопы водорода можно записать как 1 H , 2 H и 3 H , при этом массовое число будет указано сверху слева. Когда атомное ядро ​​изотопа нестабильно, соединения, содержащие этот изотоп, являются радиоактивными . 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. Поэтому радиоактивный изотоп может присутствовать в низкой концентрации, и его присутствие может быть обнаружено чувствительными детекторами излучения, 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, а радиоизотоп позволяет построить изображение, показывающее, каким образом это соединение и продукты его реакции распределяются по организму.

Производство

Обычно используемые радиоизотопы имеют короткие периоды полураспада и поэтому не встречаются в природе в больших количествах. Они производятся в результате ядерных реакций . Одним из важнейших процессов является поглощение нейтрона атомным ядром, при котором массовое число соответствующего элемента увеличивается на 1 с каждым поглощенным нейтроном. Например,

13 С + н → 14 С

В этом случае атомная масса увеличивается, но элемент не меняется. 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 осуществляется в ядерном реакторе . Другим основным методом, используемым для синтеза радиоизотопов, является протонная бомбардировка. Протоны ускоряются до высокой энергии либо в циклотроне , либо в линейном ускорителе . [3]

Изотопы-трассеры

Водород

Тритий (водород-3) получается при нейтронном облучении 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 сцинтилляционным подсчетом довольно низкая. Однако атомы водорода присутствуют во всех органических соединениях, поэтому тритий часто используется в качестве трассера в биохимических исследованиях.

Углерод

11C распадается путем испускания позитронов с периодом полураспада около 20 мин. 11C является одним из изотопов, часто используемых в позитронно -эмиссионной томографии . [3]

14 C распадается путем бета-распада с периодом полураспада 5730 лет. Он непрерывно производится в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому его содержание в окружающей среде невелико. Однако непрактично использовать природный 14 C для исследований с использованием трассеров. Вместо этого его получают путем нейтронного облучения изотопа 13 C , который естественным образом содержится в углероде на уровне около 1,1%. 14 C широко использовался для отслеживания движения органических молекул по метаболическим путям. [5]

Азот

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

1H + 16O → 13N + 4He​​​​

13N используется в позитронно - эмиссионной томографии (ПЭТ).

Кислород

15 O распадается путем испускания позитронов с периодом полураспада 122 секунды. Используется в позитронно-эмиссионной томографии.

Фтор

18 F распадается преимущественно путем β-излучения с периодом полураспада 109,8 мин. Он производится путем бомбардировки протонами 18 O в циклотроне или линейном ускорителе частиц . Это важный изотоп в радиофармацевтической промышленности. Например, он используется для производства меченой фтордезоксиглюкозы (ФДГ) для применения в ПЭТ-сканировании. [3]

Фосфор

32P получается путем нейтронной бомбардировки 32S

32 С + н → 32 П + п

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

33 P производится с относительно низким выходом при бомбардировке нейтронами 31 P. Он также является бета-излучателем с периодом полураспада 25,4 дня. Хотя он дороже 32 P , испускаемые электроны менее энергичны, что позволяет достичь лучшего разрешения, например, при секвенировании ДНК.

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

Сера

35S получается при бомбардировке 35Cl нейтронами

35 Cl + н → 35 S + п

Он распадается путем бета-распада с периодом полураспада 87,51 дня. Он используется для маркировки 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 — очень универсальный радиоизотоп , и является наиболее часто используемым радиоизотопным индикатором в медицине. Его легко производить в генераторе технеция-99m , путем распада 99 Mo.

99Мо → 99mТс +
е−
+
ν
е

Период полураспада изотопа молибдена составляет приблизительно 66 часов (2,75 дня), поэтому срок службы генератора составляет около двух недель. Большинство коммерческих генераторов 99m Tc используют колоночную хроматографию , в которой 99 Mo в форме молибдата MoO 4 2− адсорбируется на кислом оксиде алюминия (Al 2 O 3 ). Когда 99 Mo распадается, он образует пертехнетат TcO 4 − , который из-за своего одиночного заряда менее прочно связан с оксидом алюминия. Протягивание нормального солевого раствора через колонку с иммобилизованным 99 Mo элюирует растворимый 99m Tc, в результате чего получается солевой раствор, содержащий 99m Tc в виде растворенной натриевой соли пертехнетата. Пертехнетат обрабатывается восстановителем, таким как Sn 2+ , и лигандом . Различные лиганды образуют координационные комплексы , которые придают технецию повышенное сродство к определенным участкам организма человека.

99m Tc распадается посредством гамма-излучения с периодом полураспада: 6,01 часа. Короткий период полураспада гарантирует, что концентрация радиоизотопа в организме фактически падает до нуля за несколько дней.

Йод

123 I производится путем облучения протонами 124 Xe . Полученный изотоп цезия нестабилен и распадается до 123 I. Изотоп обычно поставляется в виде иодида и гипоиодата в разбавленном растворе гидроксида натрия с высокой изотопной чистотой. [6] 123 I также производится в Окриджских национальных лабораториях путем протонной бомбардировки 123 Te . [7]

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

125I 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. Он также был произведен в результатекатастроф в Чернобыле и Фукусиме . 129 I распадается с периодом полураспада 15,7 миллионов лет, с низкоэнергетическими бета- и гамма- излучениями. Он не используется в качестве трассера, хотя его присутствие в живых организмах, включая людей, 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, поскольку, как и 99m Tc, он является излучателем гамма-лучей, и к иону Ga 3+ могут присоединяться различные лиганды , образуя координационный комплекс , который может иметь селективное сродство к определенным участкам в организме человека.

Ниже представлен обширный список радиоактивных индикаторов, используемых при гидроразрыве пласта.

Приложения

В исследовании метаболизма глюкоза , меченная тритием и 14С , обычно используется в зажимах глюкозы для измерения скорости усвоения глюкозы , синтеза жирных кислот и других метаболических процессов. [9] Хотя радиоактивные индикаторы иногда все еще используются в исследованиях на людях, стабильные изотопные индикаторы, такие как 13С , чаще используются в текущих исследованиях на людях с зажимами. Радиоактивные индикаторы также используются для изучения метаболизма липопротеинов у людей и экспериментальных животных. [10]

В медицине трассеры применяются в ряде тестов, таких как 99m Tc в авторадиографии и ядерной медицине , включая однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (SPECT), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и сцинтиграфию . Уреазный дыхательный тест на helicobacter pylori обычно использовал дозу меченой 14 C мочевины для обнаружения инфекции H. pylori. Если меченая мочевина метаболизировалась H. pylori в желудке, дыхание пациента содержало бы меченый углекислый газ. В последние годы использование веществ, обогащенных нерадиоактивным изотопом 13 C, стало предпочтительным методом, позволяющим избежать воздействия радиоактивности на пациента. [11]

При гидроразрыве пласта радиоактивные изотопы-трассеры вводятся в жидкость для гидроразрыва пласта для определения профиля закачки и местоположения создаваемых трещин. [2] Трассеры с различными периодами полураспада используются для каждой стадии гидроразрыва пласта. В Соединенных Штатах объемы на инъекцию радионуклида указаны в рекомендациях Комиссии по ядерному регулированию США (NRC). [12] По данным NRC, некоторые из наиболее часто используемых трассеров включают сурьму-124 , бром-82 , йод-125 , йод-131 , иридий-192 и скандий-46 . [12] В публикации Международного агентства по атомной энергии 2003 года подтверждается частое использование большинства из вышеперечисленных трассеров и говорится, что марганец-56 , натрий-24 , технеций-99m , серебро-110m , аргон-41 и ксенон-133 также широко используются, поскольку их легко идентифицировать и измерить. [13]

Ссылки

  1. ^ Rennie MJ (ноябрь 1999 г.). «Введение в использование трассеров в питании и метаболизме». Труды Общества питания . 58 (4): 935–44. doi : 10.1017/S002966519900124X . PMID  10817161.
  2. ^ ab Reis, John C. (1976). Экологический контроль в нефтяной инженерии. Gulf Professional Publishers.
  3. ^ abc Fowler JS и Wolf AP (1982) Синтез радиоактивных меток, меченных углеродом-11, фтором-18 и азотом-13, для биомедицинских применений. Nucl. Sci. Ser. Natl Acad. Sci. Natl Res. Council Monogr. 1982.
  4. ^ Lucas LL, Unterweger MP (2000). «Комплексный обзор и критическая оценка периода полураспада трития» (PDF) . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 105 (4): 541–9. doi :10.6028/jres.105.043. PMC 4877155 . PMID  27551621. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-10-17. 
  5. ^ Ким SH, Келли PB, Клиффорд AJ (апрель 2010 г.). «Расчет воздействия радиации при использовании меченых (14)C питательных веществ, пищевых компонентов и биофармацевтических препаратов для количественной оценки метаболического поведения у людей». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (8): 4632–7. doi :10.1021/jf100113c. PMC 2857889. PMID  20349979 . 
  6. ^ Информационный листок I-123 [ постоянная нерабочая ссылка ]
  7. ^ Hupf HB, Eldridge JS, Beaver JE (апрель 1968). «Производство йода-123 для медицинских целей». Международный журнал прикладной радиации и изотопов . 19 (4): 345–51. doi :10.1016/0020-708X(68)90178-6. PMID  5650883.
  8. ^ Gilby ED, Jeffcoate SL, Edwards R (июль 1973 г.). "125-йодные метки для радиоиммуноанализа стероидов". Журнал эндокринологии . 58 (1): xx. PMID  4578967.
  9. ^ Kraegen EW, Jenkins AB, Storlien LH, Chisholm DJ (1990). «Исследования с использованием индикаторов действия инсулина in vivo и метаболизма глюкозы в отдельных периферических тканях». Hormone and Metabolic Research. Supplement Series . 24 : 41–8. PMID  2272625.
  10. ^ Magkos F, Sidossis LS (сентябрь 2004 г.). «Измерение кинетики липопротеинов-триглицеридов очень низкой плотности у человека in vivo: насколько различны различные методы». Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care . 7 (5): 547–55. doi :10.1097/00075197-200409000-00007. PMID  15295275. S2CID  26085364.
  11. ^ Peeters M (1998). «Дыхательный тест с мочевиной: диагностический инструмент в лечении желудочно-кишечных заболеваний, связанных с Helicobacter pylori». Acta Gastro-Enterologica Belgica . 61 (3): 332–5. PMID  9795467.
  12. ^ ab Whitten JE, Courtemanche SR, Jones AR, Penrod RE, Fogl DB, Division of Industrial and Medical Nuclear Safety, Office of Nuclear Material Safety and Safeguards (июнь 2000 г.). "Consolidated Guidance About Materials Licenses: Program-Specific Guidance About Well Logging, Tracer, and Field Flood Study Licenses (NUREG-1556, том 14)". Комиссия по ядерному регулированию США . Получено 19 апреля 2012 г. . помечено Frac Sand...Sc-46, Br-82, Ag-110m, Sb-124, Ir-192
  13. ^ Радиационная защита и управление радиоактивными отходами в нефтегазовой промышленности (PDF) (Отчет). Международное агентство по атомной энергии. 2003. стр. 39–40 . Получено 20 мая 2012 г. Бета -излучатели, включая 3 H и 14 C, могут использоваться, когда возможно использовать методы отбора проб для обнаружения присутствия радиоактивного индикатора или когда изменения концентрации активности могут использоваться в качестве индикаторов интересующих свойств системы. 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 простоты их идентификации и измерения. ... Для того чтобы облегчить обнаружение любых утечек растворов «мягких» бета-излучателей, в них иногда добавляют гамма-излучатель с коротким периодом полураспада, такой как 82Br ...

Внешние ссылки

Библиотечные ресурсы о
радиоактивных индикаторах
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках