11.5: Використання радіоізотопів
- Page ID
- 20078
- Зрозумійте, як радіація використовується в сільському господарстві та різних галузях промисловості.
- Зрозумійте різницю між діагностичним та терапевтичним випромінюванням.
Радіоактивні ізотопи мають ті ж хімічні властивості, що і стабільні ізотопи того ж елемента, але вони випромінюють випромінювання, яке можна виявити. Якщо ми замінимо один (або більше) атом (ів) радіоізотопом (ами) у сполуці, ми можемо відстежувати їх, контролюючи їх радіоактивні викиди. Цей тип з'єднання називається радіоактивним трасувальником (або радіоактивною міткою). Радіоізотопи використовуються для проходження шляхів біохімічних реакцій або для визначення того, як речовина розподіляється всередині організму.
Радіоізотопи в промисловості та сільському господарстві
Радіоізотопи (радіоактивні ізотопи або радіонукліди або радіоактивні нульциди) використовуються двома основними способами: або лише для їх випромінювання (опромінення, ядерні батареї), або для поєднання хімічних властивостей та їх випромінювання (трасери, біофармацевтичні препарати).
Програми Tracer
Радіоактивні ізотопи є ефективними простежувачами, оскільки їх радіоактивність легко виявити. Трасер - це речовина, яка може бути використана для проходження шляху цієї речовини через якусь структуру. Наприклад, витоки в підземних водопровідних трубах можна виявити, провівши через труби деяку воду, що містить тритій (Н-3), а потім за допомогою лічильника Гейгера, щоб знайти будь-який радіоактивний тритій, який згодом присутній у землі навколо труб. (Нагадаємо, що тритій є радіоактивним ізотопом водню.)
Трасери використовуються різноманітними способами для вивчення механізмів хімічних реакцій у рослин і тварин. До них відносяться маркування добрив у дослідженнях поглинання поживних речовин рослинами та росту сільськогосподарських культур, дослідження травних та молокоутворюючих процесів у корів, дослідження росту та обміну речовин тварин та рослин.
Наприклад, радіоізотоп С-14 використовувався для з'ясування деталей того, як відбувається фотосинтез. Загальна реакція така:
\[\ce{6CO2}(g)+\ce{6H2O}(l)⟶\ce{C6H12O6}(s)+\ce{6O2}(g), \nonumber \]
але процес набагато складніше, що протікає через ряд етапів, в яких виробляються різні органічні сполуки. При дослідженнях шляху цієї реакції рослини піддавалися впливу СО 2, що містить високу концентрацію\(\ce{^{14}_6C}\). Через рівні проміжки часу рослини аналізували, щоб визначити, які органічні сполуки містять вуглець-14 і скільки кожного з'єднання було присутнє. З тимчасової послідовності, в якій з'явилися сполуки, і кількості кожного присутнього в задані проміжки часу вчені дізналися більше про шлях реакції.
Фосфор-32 використовується в науках про рослини для відстеження поглинання рослиною добрив від коренів до листя. Добриво з маркуванням фосфору 32 подається рослині гідропонічно або через воду в ґрунті, і використання фосфору може бути відображено з випромінюваного бета-випромінювання. Інформація, зібрана шляхом відображення поглинання добрив, показує, як рослина забирає і використовує фосфор з добрив.
Опромінення продуктів харчування та пошти
Co-60 (гамма-джерело) та рентгенівські промені використовуються для опромінення багатьох продуктів у Сполучених Штатах. Іонізуюче випромінювання може бути використано для знищення харчових захворювань, таких як сальмонела та кишкова паличка. Опромінення їжі також може продовжити термін зберігання, затримати дозрівання та знищити комах. Крім того, гамма/рентген може стерилізувати продукти, що робить непотрібним охолодження. Нерідко стерилізовану їжу подають лікарняним пацієнтам, у яких порушена імунна система.
У Сполучених Штатах опромінення харчових продуктів регулюється FDA (Food and Drug Administration). Продукти, які були опромінені, повинні відображати символ, який називається радура на упаковці. Деякі продукти, які можуть відображати цей символ, є: м'ясо (яловичина, свинина, курка), креветки, омари, фрукти, овочі, молюски та спеції. Всупереч думці деяких людей, опромінення їжі не робить саму їжу радіоактивною.
Восени 2001 року сибірські ажурні листи (рис.\(\PageIndex{2}\)) були відправлені різним новим агентствам і двом сенаторам США. Сибірська виразка - інфекційне захворювання, викликане бактеріями. Він природним чином існує в деяких грунтах і може бути виділений в лабораторії.
Для боротьби з цією формою біотерроризму Поштова служба США (USPS) та Федеральне бюро розслідувань (ФБР) встановили рентгенівські генератори для опромінення підозрілої пошти, надісланої в деякі державні установи. Рентгенівські промені вб'ють більшість цих бактерій і деякі віруси, а також. Після опромінення пошта (пакети та листи) може змінитися за кольором, текстурою та запахом. Це іонізуюче випромінювання хімічно змінює склад паперової складової пошти. Рентгенівські промені не залишають пошту радіоактивною.
Детектори диму
Америцій-241, α випромінювач з періодом напіврозпаду 458 років, використовується в крихітних кількостях в детекторах диму іонізаційного типу (рис.\(\PageIndex{3}\)). α викиди від Am-241 іонізують повітря між двома електродними пластинами в іонізуючій камері. Акумулятор постачає потенціал, який викликає рух іонів, створюючи таким чином невеликий електричний струм. При попаданні диму в камеру перешкоджає руху іонів, знижуючи провідність повітря. Це викликає помітне падіння струму, викликаючи тривогу.
Інші програми
Комерційне застосування радіоактивних матеріалів однаково різноманітно. Вони включають визначення товщини плівок, паперу та тонких металевих листів шляхом використання потужності проникнення різних видів випромінювання (рис.\(\PageIndex{4}\)). Недоліки металів, що використовуються в структурних цілях, можна виявити за допомогою високоенергетичних гамма-променів з кобальт-60 за способом, подібним до способу використання рентгенівських променів для дослідження людського тіла. В одній формі боротьби зі шкідниками мухи контролюються шляхом стерилізації чоловічих мух γ-випромінюванням, щоб самки, що розмножуються з ними, не давали потомства.
Радіоізотопи в медицині
Радіоактивні трасери також використовуються в багатьох медичних додатках, включаючи як діагностику, так і лікування. Вони використовуються для вимірювання зносу двигуна, аналізу геологічної формації навколо нафтових свердловин і багато іншого.
Радіоізотопи зробили революцію в медичній практиці, де вони широко використовуються. У США щорічно проводиться понад 10 мільйонів процедур ядерної медицини та понад 100 мільйонів випробувань ядерної медицини.
Діагностичні медичні програми
Діагностичні медичні програми включають тестування на захворювання або стан. У ядерній медицині це може включати використання ПЕТ-сканування або ізотопних досліджень. Випромінювання, що задіяно для кожного з цих типів інструментів, буде змінюватися в кількості мрем або мЗв.
ПЕТ сканування
Позитронно-емісійна томографія або ПЕТ-сканування - це тип візуалізації ядерної медицини. Залежно від області тіла, що знімається, радіоактивний ізотоп або вводять у вену, ковтають ротом, або вдихають у вигляді газу. Коли радіоізотоп збирається у відповідній області тіла, випромінювання гамма-променів виявляються ПЕТ-сканером (часто його називають гамма-камерою), який працює разом з комп'ютером для створення спеціальних знімків, надаючи деталі як про структуру, так і функції різних органів. Подивіться це інформаційне відео про те, як працює ця техніка.
Відео \(\PageIndex{1}\)ПЕТ сканування: чого очікувати.
ПЕТ-сканування використовуються для:
- Виявити рак
- Визначте кількість поширення раку
- Оцініть ефективність планів лікування
- Визначаємо приплив крові до серцевого м'яза
- Визначаємо наслідки інфаркту
- Оцініть аномалії мозку, такі як пухлини та порушення пам'яті
- Карта функції мозку і серця
ПЕТ сканування, використовується для зображення фізіологічних аспектів тіла, а не анатомії (фігури\(\PageIndex{5}\) і\(\PageIndex{6}\)). Він зображує функцію тіла, а не форму, наприклад, куди йдуть мічені молекули і як вони використовуються. Наприклад, якби ви мали зображення мозку померлої людини, на ПЕТ-скануванні нічого не з'явилося б на відміну від сканування CAT, оскільки мозок більше не функціонує. Сканування домашніх тварин дуже корисно при візуалізації пухлин, що може бути зроблено, коли пацієнтам вводять певні сліди. Часто ПЕТ-сканери використовуються у співпраці зі сканерами CAT для створення складеного зображення, яке відображає як функцію, так і форму тіла. Анімація нижче - це ПЕТ-сканування всього тіла з використанням радіоізотопу 18 F (t 1/2 = 110 хв). Використовуючи цей трактор, лікарі можуть визначити, чи метастазував рак, дивлячись на метаболічну активність глюкози.
Інші ізотопні тести
Радіоізотопи зробили революцію в медичній практиці, де вони широко використовуються. У США щорічно проводиться понад 10 мільйонів процедур ядерної медицини та понад 100 мільйонів випробувань ядерної медицини. Чотири типові приклади радіоактивних слідів, що використовуються в медицині\(\ce{(^{99}_{43}Tc)}\), - це технецій-99\(\ce{(^{201}_{81}Tl)}\), талій-201\(\ce{(^{131}_{53}I)}\), йод-131 та натрій-24\(\ce{(^{24}_{11}Na)}\). Пошкоджені тканини серця, печінки та легенів переважно поглинають певні сполуки технецію-99. Після його введення розташування з'єднання технецію, а значить і пошкодженої тканини, можна визначити шляхом виявлення γ променів, що випромінюються ізотопом Тк-99. Талій-201 (рис.\(\PageIndex{7}\)) стає концентрованим у здоровій тканині серця, тому два ізотопи, Tc-99 і Tl-201, використовуються разом для дослідження серцевої тканини. Йод-131 концентрується в щитовидній залозі, печінці, деяких відділах мозку. Тому його можна використовувати для моніторингу зоба та лікування захворювань щитовидної залози, таких як хвороба Грейва, а також пухлини печінки та мозку. Сольові розчини, що містять сполуки натрію-24, вводяться в кров, щоб допомогти знайти перешкоди для потоку крові.
Невеликі дози\(\ce{I}\) -131 (занадто малі, щоб вбити клітини) використовуються для цілей візуалізації щитовидної залози. Як тільки йод концентрується в щитовидній залозі, пацієнт лягає на аркуш плівки і випромінювання від\(\ce{I}\) -131 робить знімок щитовидної залози на плівці. Період напіввиведення йоду-131 становить приблизно 8 днів, тому через кілька тижнів практично весь радіоактивний йод виходить з системи пацієнта. За цей час їм радять, що вони запустять детектори радіації в аеропортах і повинні будуть отримати спеціальний дозвіл на польоти на комерційних рейсах.
Деякі ізотопи, які використовуються для діагностики захворювань, наведені в табл\(\PageIndex{1}\). Всі ці ядерні ізотопи виділяють одну форму іонізуючого випромінювання (або/додати частку або промінь). Крім того, кожне ізотопне застосування буде включати певну кількість випромінювання мREM/MSV.
| Символ-маса | Період напіврозпаду (t 1/2) | Заявка |
|---|---|---|
| Xe-133 | 5,27 днів | візуалізація легенів |
| H-3 | 12.26 років | Аналіз загальної води в організмі |
| Тл-201 | 73 години | Стрес-тести при проблемах з серцем |
| Фт-59 | 44.5 днів | Виявлення анемії |
| Гд-153 | 242 дні | Аналіз щільності кісткової тканини |
| Кр-51 | 27,8 днів | Визначення об'єму крові |
| С-11 | 20.4 хвилин | Сканування мозку |
| ТК-99м | 6.0 годин | Серце, легені, нирки, кістковий мозок, мозок або кістковий мозок |
| Пу-238 | 86 років | Харчування кардіостимуляторів |
| I-131 | 8.0 днів | Зображення щитовидної залози |
| «m» в TC-99m означає «метастабільний», що вказує на те, що це нестабільний високоенергетичний стан Тк-99. Метастабільні ізотопи випромінюють\(γ\) випромінювання, щоб позбавити себе від зайвої енергії і стати (більш) стабільними. | ||
Майте на увазі, що рентген, КТ, ПЕТ-сканування та ізотопні дослідження включають іонізуюче випромінювання. На відміну від цього, МРТ (магнітно-резонансна томографія) та УЗД не використовують іонізуючі форми випромінювання.
Терапевтична радіація
Існує безліч методик, що застосовуються для лікування раку. Хірургічне втручання може бути використано для видалення ракових пухлин всередині або на тілі. При хіміотерапії вживаються всередину або введені хімічні речовини для знищення швидко діляться клітин (ракових і неракових). Інші методи лікування раку включають імунотерапію, заміщення стовбурових клітин, гормональну терапію та таргетну терапію.
Пацієнтам з діагнозом рак може знадобитися хіміотерапія або променева терапія. Іноді, обидва ці способи використовуються для пацієнта. На цій картині пацієнтка отримує хіміотерапію через в/в. Вона бере участь в охолоджуючій терапії під час отримання лікування. Помістивши руки і ноги в охолоджуючі пристрої, це знизить її шанси втратити пальці та нігті на ногах. Терапія холодним ковпачком тепер також доступна для пацієнтів з хіміотерапією. Носіння цього типу пристрою може дозволити пацієнту зберегти своє волосся під час хіміотерапії.
Сучасні програми терапевтичного випромінювання передбачають використання гамма, рентгенівських променів або протонів. Останнім часом деякі дослідницькі установи досліджують використання альфа- і бета-мічених молекул для знищення ракових клітин. Ці радіоізотопи спочатку знайдуть молекулу, пов'язану з раком, на пухлинній клітині. Потім альфа- або бета-мічений вид буде вводити своє випромінювання в пухлину. Sr-89 (бета-випромінювач) і Ra-223 (альфа-випромінювач) були використані в клінічних дослідженнях деяких видів раку кісток.
Променева терапія використовується як лікування для контролю злоякісних клітин у хворих на рак. Онкологи (фахівці, які займаються раком) часто використовують радіацію, щоб допомогти уповільнити або вилікувати поширення раку всередині людей. Радіація спеціально застосовується до злоякісних пухлин, щоб зменшити їх в розмірах. Медичні працівники, в основному радіаційні онкологи, вводять різні дози пацієнту, залежно від поточного здоров'я пацієнтів, а також інших методів лікування, таких як хіміотерапія, успіх операції тощо.
Зовнішня променева терапія (фотонна та протонна терапія)
Зовнішня променева терапія (EBT) - це метод доставки пучка випромінювання високої енергії до точного місця розташування пухлини пацієнта. Ці пучки можуть руйнувати ракові клітини і при ретельному плануванні НЕ вбивати навколишні клітини. Концепція полягає в тому, щоб мати кілька пучків випромінювання, кожен з яких є сублетальним, надходять в організм з різних сторін. Єдине місце в тілі, де промінь був би смертельним, знаходиться в точці, де всі промені перетинаються. Перед процесом EBT пацієнту проводять тривимірну картографування за допомогою КТ та рентгенівських променів. Пацієнт отримує невеликі татуювання, щоб терапевт точно вирівняв пучки. Вирівнювання лазерів використовуються для точного визначення місцезнаходження мети. Промінь випромінювання зазвичай генерується за допомогою лінійного прискорювача. Відео нижче ілюструє основну підготовку і призначення зовнішньої променевої терапії.
Променева терапія
Відео \(\PageIndex{2}\)Орієнтація на рак - процес лікування променевої терапії.
Фотон EBT використовує або рентгенівські, або гамма-промені. Рентгенівське джерело потребує лінійного прискорювача для отримання високоенергетичних електронів. На відміну від цього, гамма-джерело містить радіоактивний ізотоп (як Co-60). Майте на увазі, що обидві ці технології використовують іонізуюче випромінювання. Як результат, онкологічні хворі повинні контролюватися протягом усього життя, щоб переконатися, що у них не розвиваються інші види раку, такі як лейкемія. ЕБТ застосовується для лікування таких захворювань, а також інших:
- Рак молочної залози
- Колоректальний рак
- Рак голови та шиї
- Рак легенів
- рак передміхурової залози
Більшість хворих радіацією отримують фотонну ЕБТ. Менший розмір цієї машини робить цю терапію варіантом для всіх розмірів лікарень та центрів лікування раку. Фотонне обладнання EBT коштує приблизно три мільйони доларів. Розмір і ціна цієї технології дозволяють меншим установам тримати своїх пацієнтів ближче до дому під час лікування.
Інший метод променевої обробки за участю протонів не так часто використовується в Сполучених Штатах. Фотонна терапія вимагає циклотрона для генерації протонних пучків (нагадаємо, протон - це іонізований ізотоп Н-1). На відміну від рентгенівських або гамма-променів (фотонна терапія) протони надзвичайно важкі.
В цей час дослідницькі установи працюють над мініатюризацією генераторів протонів. Ідеальна технологія зменшила б вартість з сотень мільйонів доларів приблизно до двадцяти до тридцяти мільйонів на пристрій. Це зробило б протонну терапію більш доступною та зручною для пацієнтів.
Протонна терапія проти променевої терапії
Відео\(\PageIndex{3}\) Протонна терапія проти променевої терапії
Вибір протонної терапії перед фотонною терапією має багато переваг. На відміну від фотонного випромінювання, протонні промені будуть проникати тільки в глибину пухлини і не проходити через все тіло. Це зменшує загальну дозу токсичності. Крім того, пацієнтам з протонною терапією потрібно менше лікування, ніж фотонна терапія. На жаль, протонна терапія дорожча, ніж фотонна терапія, і рідше. Після затвердження установою та медичною страховкою пацієнту, можливо, доведеться тимчасово переїхати до більшого міста, щоб отримати лікування. Деякі форми раку ніколи не лікувалися клінічно протонною терапією (а саме рак молочної залози). Пацієнти, які бажають протонну терапію, можуть не отримати тип терапії через відсутність досліджень.
Брахтерапія
Брахітерапія передбачає розміщення іонізуючих гранул (насіння) або стрижнів безпосередньо біля пухлини. Фотони (у вигляді рентгенівського або гамма-випромінювання) виробляються всередині організму і будуть проникати по всій цій конкретній області, локалізуючи випромінювання. Пелети хірургічно імплантуються в той час як стрижні можуть бути тимчасово вставлені для вироблення випромінювання всередині. З гранулами/насінням пацієнт залишатиметься радіоактивним до тих пір, поки ці пристрої залишаються всередині тіла. Люди, які проходять цей вид променевої терапії, повинні знати про їх постійне випромінювання радіації. Випромінювання, яке вводиться через стрижні, з'єднані з фотонним пристроєм, негайно розсіює енергію і не залишить пацієнта радіоактивною.
Брахітерапія широко застосовується при лікуванні онкологічних захворювань із залученням репродуктивних органів. Оскільки опромінення ізольоване внутрішньо, пацієнти рідше відчувають побічні ефекти при отриманні цього виду лікування. Ракові захворювання, які лікувалися брахітерапією, показані нижче:
- Простата
- Груди
- стравохідний
- Легені
- Маткова
- анальний/ректальний
- Саркоми
- Голова і шия
| Радіонуклід | Тип | Період напіврозпаду |
|---|---|---|
| Цезій-131 (131 шт) | Захоплення електронів, ε | 9,7 днів |
| Цезій-137 (137 Кс) | β − - частинки, γ-промені | 30.17 років |
| Кобальт-60 (60 Co) | β − - частинки, γ-промені | 5, 26 років |
| Іридій-192 (192 Ір) | γ-промені | 73.8 днів |
| Йод-125 (125 Я) | Захоплення електронів, ε | 59,6 днів |
| Паладій-103 (103 Pd) | Захоплення електронів, ε | 17,0 днів |
| Рутеній-106 (106 Ru) | β − - частинки | 1.02 років |
| Радій-226 (226 Ра) | β − - частинки | 1599 років |
Побічні ефекти променевої терапії
Пацієнти, які отримують променеву терапію, можуть відчувати різноманітні побічні ефекти. Наприклад, стерильність може виникнути при опроміненні репродуктивних органів. Шкіра, яка була опромінена, може здаватися сухою і відчувати свербіж. Деякі пацієнти втратять відчуття в опроміненій області. Випромінювання може впливати на вироблення білих і еритроцитів. Зниження лейкоцитів призводить до порушення імунітету. Червоні кров'яні клітини втрачають причини анемії. Шлунково-кишкові проблеми, такі як діарея та нудота, є загальними під час променевої терапії Деякі пацієнти також втратять волосся. Нарешті, сухість у роті та карієс поширені під час променевого лікування.
Ліки доступні для полегшення симптомів променевої терапії. Наркотики можуть бути призначені, щоб допомогти полегшити інтенсивний біль. Ліки, що відпускаються за рецептом, такі як зофран (рис.\(\PageIndex{10}\)) і фенерган, можуть допомогти при нудоті. Спеціальні засоби для полоскання рота були розроблені для зменшення сухості в роті та порожнин.
.jpg)
Променева терапія може спричинити випадання волосся, але волосся втрачається лише в оброблюваній області. Наприклад, випромінювання на голову може призвести до того, що ви втратите частину або все волосся на голові (навіть брови та вії), але якщо ви отримаєте лікування стегна, ви не втратите волосся на голові.
Резюме
- Сполуки, відомі як радіоактивні трасери, можуть бути використані для відстеження реакцій, відстеження розподілу речовини, діагностики та лікування захворювань, і багато іншого.
- Інші радіоактивні речовини корисні для боротьби з шкідниками, візуалізації структур, надання попереджень про пожежу та для багатьох інших застосувань.
- Сотні мільйонів випробувань і процедур ядерної медицини, з використанням широкого спектру радіоізотопів з відносно коротким періодом напіврозпаду, проводяться щороку в США.
- Променева терапія використовує високоенергетичне випромінювання для знищення ракових клітин, пошкоджуючи їх ДНК. Випромінювання, яке використовується для цього лікування, може бути доставлено зовні або внутрішньо.
Дописувачі та атрибуція
- Template:contribgordon
- Template:ContribOpenStax
- Mike Reed (UC Davis), Eugene Kwon (UC Davis)
- Template:ContribCK12
- Template:ContribLard
- Template:ContribAgnewM
- Wikipedia