21.5: Використання радіоізотопів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22711

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Перелік поширених застосувань радіоактивних ізотопів

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. 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 Сполучених Штатах 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.\(\PageIndex{1}\)) 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.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Введення талію-201 пацієнту та подальше проведення стрес-тесту пропонують медичним працівникам можливість візуально проаналізувати роботу серця та кровотік. (кредит: модифікація роботи «Blue0ctane» /Wikimedia Commons)

Радіоізотопи, що використовуються в медицині, зазвичай мають короткий період напіврозпаду - наприклад, всюдисущий TC-99m має період напіврозпаду 6.01 годин. Це робить TC-99m по суті неможливим для зберігання та надзвичайно дорогим для транспортування, тому замість цього він виготовляється на місці. Лікарні та інші медичні установи використовують Mo-99 (який в основному витягується з продуктів поділу U-235) для генерації TC-99. Mo-99 піддається β розпаду з періодом напіврозпаду 66 годин, а Тк-99 потім хімічно витягується (рис.\(\PageIndex{2}\)). Батьківський нуклід Мо-99 входить до складу іона молібдату\(\ce{MoO4^2-}\); коли він розпадається, він утворює пертехнетатний іон,\(\ce{TcO4-}\). Ці два водорозчинні іони розділені стовпчастою хроматографією, при цьому більш високий заряд молібдат іон адсорбується на оксид алюмінію в колоні, а нижній заряд пертехнетат-іон проходить через колонку в розчині. Кілька мікрограмів Mo-99 можуть виробляти достатньо Tc-99 для виконання цілих 10 000 тестів.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Перший генератор TC-99m (близько 1958 р.) використовується для відділення Тк-99 від Mo-99. The *\(\ce{MoO4^2-}\)зберігається матрицею в стовпці, тоді як *\(\ce{TcO4-}\)*проходить наскрізь* і збирається. (б) Tc-99 використовувався при цьому скануванні шиї пацієнта з хворобою Грейва. Сканування показує розташування високих концентрацій Тк-99. (кредит a: модифікація роботи Міністерства енергетики; кредит b: модифікація роботи «mBQ» /Wikimedia Commons)

Радіоізотопи також можуть бути використані, як правило, у більш високих дозах, ніж як простежувач, як лікування. Променева терапія - це використання високоенергетичного випромінювання для пошкодження ДНК ракових клітин, яке вбиває їх або утримує їх від ділення (рис.\(\PageIndex{3}\)). Хворий на рак може отримувати зовнішню променеву терапію, що доставляється апаратом поза тілом, або внутрішню променеву терапію (брахітерапію) з радіоактивної речовини, яка була введена в організм. Зверніть увагу, що хіміотерапія схожа на внутрішню променеву терапію тим, що лікування раку вводять в організм, але відрізняється тим, що хіміотерапія використовує хімічні, а не радіоактивні речовини для знищення ракових клітин.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Мультфільм в (а) показує апарат кобальт-60, який використовується при лікуванні раку. Діаграма в (б) показує, як козловий апарат Co-60 гойдається по дузі, фокусуючи випромінювання на цільовій області (пухлини) і мінімізуючи кількість випромінювання, яке проходить через сусідні області.

Кобальт-60 - це синтетичний радіоізотоп, що утворюється нейтронною активацією Co-59, який потім піддається β розпаду з утворенням Ni-60 разом з випромінюванням γ випромінювання. Загальний процес:

\[\ce{^{59}_{27}Co + ^1_0n⟶ ^{60}_{27}Co⟶ ^{60}_{28}Ni + ^0_{−1}β + 2^0_0γ} \nonumber \]

Загальна схема розпаду для цього показана графічно на рис\(\PageIndex{4}\).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Co-60 зазнає серії радіоактивних розпадів. Емісії γ використовуються для променевої терапії.

Радіоізотопи 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.

Комерційне застосування радіоактивних матеріалів однаково різноманітно (рис.\(\PageIndex{5}\)). Вони включають в себе визначення товщини плівок і тонких металевих листів за допомогою використання потужності проникнення різних видів випромінювання. 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. Багато продуктів зберігаються радіацією, яка вбиває мікроорганізми, що викликають псування продуктів.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Загальні комерційні використання випромінювання включають (а) рентгенівське дослідження багажу в аеропорту та (б) збереження їжі. (кредит а: модифікація роботи Міністерства ВМС; кредит б: модифікація роботи Міністерства сільського господарства США)

Америцій-241, α випромінювач з періодом напіврозпаду 458 років, використовується в крихітних кількостях в детекторах диму іонізаційного типу (рис.\(\PageIndex{6}\)). 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.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Усередині детектора диму Ам-241 випромінює α частинки, які іонізують повітря, створюючи невеликий електричний струм. Під час пожежі частинки диму перешкоджають потоку іонів, зменшуючи струм і спрацьовуючи тривогу. (кредит a: модифікація роботи «Muffet» /Wikimedia Commons)

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. Більшість з цих радіоізотопів мають відносно короткий період напіврозпаду; деякі з них досить короткі, що радіоізотоп повинен бути зроблений на місці в медичних установах. Променева терапія використовує високоенергетичне випромінювання для знищення ракових клітин, пошкоджуючи їх ДНК. Випромінювання, яке використовується для цього лікування, може бути доставлено зовні або внутрішньо.

Глосарій

хіміотерапії: схожий на внутрішню променеву терапію, але хімічні, а не радіоактивні речовини вводяться в організм для знищення ракових клітин

зовнішня променева променева терапія: випромінювання, що доставляється машиною поза тілом

внутрішня променева терапія: (також брахітерапія) випромінювання від радіоактивної речовини, введеної в організм для знищення ракових клітин

променева терапія: використання високоенергетичного випромінювання для пошкодження ДНК ракових клітин, що вбиває їх або утримує їх від ділення

радіоактивний трасувальник: (також радіоактивна етикетка) радіоізотоп, що використовується для відстеження або сліду за речовиною шляхом моніторингу його радіоактивних викидів