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 используется встречающийся в природе изотоп углерода-14 в качестве изотопной метки .

Методология

Изотопы химического элемента различаются только массовым числом. Например, изотопы водорода можно записать как ¹Х , ²Рука ³H , с массовым числом, указанным 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.

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.
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,

¹³С + п → ¹⁴С

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,

³²С + п → ³²П + 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 ⁶Что :

⁶Ли + п → ⁴Он + ³ЧАС

Тритий имеет период полураспада 4500 ± 8 дней (приблизительно 12,32 года). ^[4] и он распадается путем бета-распада . имеют Образующиеся электроны 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

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

¹⁴C 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 природные средства нецелесообразно. ¹⁴C для исследований с помощью индикаторов. Вместо этого он производится нейтронным облучением изотопа. ¹³C , который естественным образом встречается в углероде на уровне около 1,1%. ¹⁴C широко использовался для отслеживания продвижения органических молекул по метаболическим путям. ^[5]

Азот

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

¹Н + ¹⁶→ ¹³Н + ⁴Он

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

Кислород

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

Фтор

¹⁸F распадается преимущественно за счет β-излучения с периодом полураспада 109,8 мин. Его получают путем бомбардировки протонами ¹⁸O 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

³²P производится нейтронной бомбардировкой ³²С

³²С + п → ³²П + п

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

³³P производится с относительно низким выходом путем нейтронной бомбардировки ³¹П. Это также бета-излучатель с периодом полураспада 25,4 дня. Хоть и дороже, чем ³²P 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

³⁵S получается нейтронной бомбардировкой ³⁵кл.

³⁵Cl + н → ³⁵С + р

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 поэтому тиофосфат , ³⁵S также можно использовать для отслеживания фосфатной группы.

Технеций

^{99 м}Tc представляет собой очень универсальный радиоизотоп и наиболее часто используемый радиоизотопный индикатор в медицине. Его легко получить в генераторе технеция-99m путем распада ⁹⁹Для .

⁹⁹Для → ^{99 м}Тс +
и ⁻
+
н
_и

Период полураспада изотопа молибдена составляет примерно 66 часов (2,75 дня), поэтому срок службы генератора составляет около двух недель. Самый коммерческий ^{99 м}Генераторы Tc используют колоночную хроматографию , при которой ⁹⁹Мо в форме молибдата, МоО ₄²⁻ адсорбируется на кислом оксиде алюминия (Al ₂ O ₃ ). Когда ⁹⁹Mo распадается с образованием пертехнетата TcO ₄⁻, который из-за своего единственного заряда менее прочно связан с оксидом алюминия. Протягивание физиологического раствора через колонку иммобилизованного ⁹⁹Мо элюирует растворимые ^{99 м}Tc, в результате чего образуется солевой раствор, содержащий ^{99 м}Tc в виде растворенной натриевой соли пертехнетата. Пертехнетат обрабатывают восстановителем, таким как Sn. ²⁺ и лиганд . Различные лиганды образуют координационные комплексы , которые придают технецию повышенное сродство к определенным участкам человеческого тела.

^{99 м}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

¹²³I получают протонным облучением ¹²⁴Ксе . Образовавшийся изотоп цезия нестабилен и распадается до ¹²³I. Изотоп обычно поставляется в виде йодида и гипойодата в разбавленном растворе гидроксида натрия высокой изотопной чистоты. ^[6] ¹²³I также был получен в национальных лабораториях Ок-Риджа путем бомбардировки протонами ¹²³. ^[7]

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

¹²⁹Я присутствую в окружающей среде в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере. Его также производили во время катастроф на Чернобыльской АЭС и Фукусиме . ¹²⁹I распадается с периодом полураспада 15,7 миллионов лет, с низкоэнергетическими бета- и гамма- излучениями. 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 ⁶⁷Ga для сканирования галлия . ⁶⁷Ga используется потому, что, например, ^{99 м}Tc, это излучатель гамма-излучения, и к Ga можно присоединить различные лиганды. ³⁺ ион, образующий 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 метаболизма тритий и исследованиях ¹⁴Глюкоза, меченная C , обычно используется 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, индикаторы стабильных изотопов, такие как ¹³C чаще используются в текущих исследованиях зажимов на людях. Радиоактивные индикаторы также используются для изучения метаболизма липопротеинов у людей и экспериментальных животных. ^[10]

В медицине трассеры применяются в ряде тестов, таких как ^{99 м}Tc в авторадиографии и ядерной медицине , включая однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и сцинтиграфию . Для уреазного дыхательного теста на Helicobacter pylori обычно используют дозу ¹⁴C меченная мочевина для обнаружения h. pylori-инфекция. Если меченая мочевина метаболизируется h. pylori в желудке, дыхание пациента будет содержать меченый углекислый газ. В последние годы началось использование веществ, обогащенных нерадиоактивным изотопом. ¹³C стал предпочтительным методом, позволяющим избежать воздействия радиоактивности на пациентов. ^[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 сообщает, что марганец-56 , натрий-24 , технеций-99m , серебро-110m , аргон-41 и ксенон-133. также используются широко, потому что их легко идентифицировать и измерить. ^[13]

Ссылки

^ 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 .
^ Jump up to: ^а ^б Рейс, Джон К. (1976). Экологический контроль в нефтяном машиностроении. Профессиональные издательства Персидского залива.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Фаулер Дж. С. и Вольф А. П. (1982) Синтез радиоиндикаторов, меченных углеродом-11, фтором-18 и азотом-13, для биомедицинских применений. Нукл. наук. Сер. Натл Акад. наук. Натл Рез. Совет Моногр. 1982.
^ 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 . ПМИД 27551621 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 октября 2011 г.
^ 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 .
^ Информационный бюллетень I-123 ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Хапф 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 .
^ Гилби Э.Д., Джеффкоут С.Л., Эдвардс Р. (июль 1973 г.). «125-йодные индикаторы для радиоиммунного анализа стероидов». Журнал эндокринологии . 58 (1): хх. ПМИД 4578967 .
^ 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 .
^ 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 . ПМИД 15295275 . S2CID 26085364 .
^ 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 .
^ Jump up to: ^а ^б 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, трассеры и исследования полевых исследований 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
^ 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, в том числе ³Рука ¹⁴C может использоваться, 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 ⁴⁶наук, ¹⁴⁰, ⁵⁶Мн, ²⁴что, ¹²⁴Сб, ¹⁹²И, ⁹⁹Тс ^м, ¹³¹Я, ¹¹⁰В ^м, ⁴¹Ар и ¹³³Xe широко используются из-за легкости, с которой их можно идентифицировать и измерить. ... Чтобы облегчить обнаружение любой утечки растворов «мягких» бета-излучателей, в них иногда добавляют гамма-излучатели с коротким периодом полураспада, такие как ⁸²Бр...

Внешние ссылки

Ресурсы библиотеки о
Радиоактивные индикаторы

Национальный центр разработки изотопов Ресурсы правительства США по радиоизотопам – производство, распространение и информация
Разработка и производство изотопов для исследований и применений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США, спонсирующая производство изотопов, а также производственные исследования и разработки.

[rennie-99-1] 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 .

[Reis_iodine-2] Jump up to: ^а ^б Рейс, Джон К. (1976). Экологический контроль в нефтяном машиностроении. Профессиональные издательства Персидского залива.

[fowler-3] Jump up to: ^а ^б ^с Фаулер Дж. С. и Вольф А. П. (1982) Синтез радиоиндикаторов, 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 . ПМИД 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] Хапф 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 радиоиммунного анализа стероидов». 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 . ПМИД 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 .

[NRC-12] Jump up to: ^а ^б 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, трассеры и исследования полевых исследований 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

[IAEA_2003-13] 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, в том числе ³Рука ¹⁴C может использоваться, 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 ⁴⁶наук, ¹⁴⁰, ⁵⁶Мн, ²⁴что, ¹²⁴Сб, ¹⁹²И, ⁹⁹Тс ^м, ¹³¹Я, ¹¹⁰В ^м, ⁴¹Ар и ¹³³Xe широко используются из-за легкости, с которой их можно идентифицировать и измерить. ... Чтобы облегчить обнаружение любой утечки растворов «мягких» бета-излучателей, в них иногда добавляют гамма-излучатели с коротким периодом полураспада, такие как ⁸²Бр...

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]