Радиоактивный индикатор - Radioactive tracer

А радиоактивный индикатор, радиоактивный индикатор, или же радиоактивная метка, это химическое соединение в котором один или несколько атомов были заменены на радионуклид так что в силу своего радиоактивный распад его можно использовать для изучения механизма химических реакций, отслеживая путь, по которому радиоизотоп следует от реагентов к продуктам. Радиомаркировка или же радиоуправление таким образом, радиоактивная форма изотопная маркировка.

Радиоизотопы водород, углерод, фосфор, сера, и йод широко использовались для отслеживания пути биохимические реакции. Радиоактивный индикатор также можно использовать для отслеживания распределения вещества в естественной системе, такой как клетка или же ткань,^[1] или как индикатор потока выслеживать поток жидкости. Радиоактивные индикаторы также используются для определения местоположения трещин, созданных гидроразрыв в добыче природного газа.^[2] Радиоактивные индикаторы составляют основу множества систем визуализации, таких как, ПЭТ сканирование, ОФЭКТ сканирование и сканирование технеция. Радиоуглеродное датирование использует встречающиеся в природе углерод-14 изотоп как изотопная метка.

Методология

Изотопы из химический элемент отличаются только массовым числом. Например, изотопы водород можно записать как ¹ЧАС, ²ЧАС и ³ЧАС, с надстрочным индексом слева. Когда атомное ядро изотопа нестабильно, соединения, содержащие этот изотоп, являются радиоактивный. Тритий является примером радиоактивного изотопа.

Принцип использования радиоактивных индикаторов заключается в том, что атом в химическое соединение заменяется другим атомом того же химического элемента. Однако замещающий атом является радиоактивным изотопом. Этот процесс часто называют радиоактивной маркировкой. Сила техники заключается в том, что радиоактивный распад гораздо более энергичен, чем химические реакции. Следовательно, радиоактивный изотоп может присутствовать в низкой концентрации, и его присутствие может быть обнаружено чувствительными детекторы излучения Такие как Счетчики Гейгера и сцинтилляционные счетчики. Джордж де Хевеши выиграл 1943 год Нобелевская премия по химии «За работу по использованию изотопов в качестве индикаторов при изучении химических процессов».

Есть два основных способа использования радиоактивных индикаторов.

1. Когда химическое соединение с меткой подвергается химическим реакциям, один или несколько продуктов содержат радиоактивную метку. Анализ того, что происходит с радиоактивным изотопом, дает подробную информацию о механизме химической реакции.
2. Радиоактивное соединение вводится в живой организм, а радиоактивный изотоп предоставляет средства для построения изображения, показывающего, каким образом это соединение и продукты его реакции распределяются по организму.

Производство

Обычно используемые радиоизотопы имеют короткую полужизни и поэтому не встречаются в природе. Их производит ядерные реакции. Одним из наиболее важных процессов является поглощение нейтрона ядром атома, при котором массовое число соответствующего элемента увеличивается на 1 для каждого поглощенного нейтрона. Например,

¹³C + п → ¹⁴C

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

³²S + п → ³²п + п

Облучение нейтронами проводится в ядерный реактор. Другой основной метод синтеза радиоизотопов - бомбардировка протонами. Протон ускоряется до высоких энергий либо в циклотрон или линейный ускоритель.^[3]

Изотопы-индикаторы

Водород

Тритий производится нейтронным облучением ⁶Ли

⁶Ли + п → ⁴Он + ³ЧАС

Тритий имеет период полураспада 4500 ± 8 дней (примерно 12,32 года),^[4] и он распадается бета-распад. В электроны произведенные имеют среднюю энергию 5,7 кэВ. Поскольку испускаемые электроны имеют относительно низкую энергию, эффективность обнаружения сцинтилляционным счетом довольно низкая. Однако атомы водорода присутствуют во всех органических соединениях, поэтому тритий часто используется в качестве индикатора в биохимический исследования.

Углерод

¹¹C распадается позитронное излучение с периодом полураспада ок. 20 мин. ¹¹C - один из изотопов, часто используемых в позитронно-эмиссионная томография.^[3]

¹⁴C распадается бета-распад, с периодом полураспада 5730 лет. Он постоянно вырабатывается в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому в окружающей среде он присутствует на незначительном уровне. Однако использовать встречающиеся в природе ¹⁴C для трассерных исследований. Вместо этого это делается нейтронным облучением изотопа ¹³C который в природе встречается в углероде на уровне около 1,1%. ¹⁴C широко использовался для отслеживания продвижения органических молекул через метаболические пути.^[5]

Азот

¹³N распадается позитронное излучение с периодом полураспада 9,97 мин. Он образуется в результате ядерной реакции

¹ЧАС + ¹⁶О → ¹³N + ⁴Он

¹³N используется в позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ сканирование).

Кислород

¹⁵О распадается эмиссией позитронов с периодом полураспада 122 сек. Используется в позитронно-эмиссионной томографии.

Фтор

¹⁸F распадается эмиссией с периодом полураспада 109 мин. Это сделано путем бомбардировки протонами ¹⁸О в циклотроне или линейный ускоритель частиц. Это важный изотоп в радиофармпрепарат промышленность. Он используется для изготовления маркированных фтордезоксиглюкоза (FDG) для применения при сканировании ПЭТ.^[3]

Фосфор

³²п производится нейтронной бомбардировкой ³²S

³²S + п → ³²п + п

Он распадается в результате бета-распада с периодом полураспада 14,29 дня. Он обычно используется для изучения фосфорилирования белков с помощью киназы в биохимии.

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

Оба изотопа полезны для маркировки нуклеотиды и другие виды, содержащие фосфат группа.

Сера

³⁵S производится нейтронной бомбардировкой ³⁵Cl

³⁵Cl + п → ³⁵S + п

Он распадается в результате бета-распада с периодом полураспада 87,51 дня. Используется для маркировки серосодержащих аминокислоты метионин и цистеин. Когда атом серы заменяет атом кислорода в фосфат группа на нуклеотид а тиофосфат производится, поэтому ³⁵S также можно использовать для отслеживания фосфатной группы.

Технеций

Основная статья: технеций-99m

^{99 м}Tc является очень универсальным радиоизотопом и является наиболее часто используемым радиоизотопным индикатором в медицине. Легко производить в генератор технеция-99m, распадом ⁹⁹Пн.

⁹⁹Пн → ^{99 м}Tc +
е⁻
+
ν
_е

Изотоп молибдена имеет период полураспада примерно 66 часов (2,75 дня), поэтому срок службы генератора составляет около двух недель. Самый коммерческий ^{99 м}Tc генераторы используют колоночная хроматография, в котором ⁹⁹Пн в виде молибдата, МоО₄²⁻ адсорбируется на кислой глиноземе (Al₂О₃). Когда ⁹⁹Пн разлагается, образует пертехнетат TcO₄⁻, который из-за своего одноразового заряда менее прочно связан с оксидом алюминия. Пропуск физиологического раствора через колонку с иммобилизованным ⁹⁹Пн элюирует растворимый ^{99 м}Tc, в результате чего получается физиологический раствор, содержащий ^{99 м}Tc в виде растворенной натриевой соли пертехнетата. Пертехнетат обрабатывают Восстановитель Такие как Sn²⁺ и лиганд. Формы разных лигандов координационные комплексы которые придают технецию повышенное сродство к определенным участкам человеческого тела.

^{99 м}Tc распадается под действием гамма-излучения с периодом полураспада: 6,01 часа. Короткий период полураспада гарантирует, что концентрация радиоизотопа в организме упадет до нуля за несколько дней.

Йод

Основная статья: Изотопы йода

¹²³я производится протонным облучением ¹²⁴Xe. В цезий произведенный изотоп нестабилен и распадается на ¹²³я. Изотоп обычно поставляется в виде йодида и гипойодата в разбавленном растворе гидроксида натрия с высокой изотопной чистотой.^{[6] 123}I также был произведен в Национальных лабораториях Ок-Ридж путем бомбардировки протонами ¹²³Te.^[7]

¹²³я распадается захват электронов с периодом полураспада 13,22 часа. Выброшенных 159 кэВ гамма-луч используется в однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ). Также излучается гамма-излучение с энергией 127 кэВ.

¹²⁵я часто используется в радиоиммуноанализы из-за его относительно длительного периода полураспада (59 дней) и способности обнаруживаться с высокой чувствительностью с помощью счетчиков гамма-излучения.^[8]

¹²⁹я присутствует в окружающей среде в результате тестирования ядерное оружие в атмосфере. Он также производился в Чернобыль и Фукусима бедствия. ¹²⁹Я распадаюсь с период полураспада 15,7 миллионов лет, с низкой энергией бета и гамма выбросы. Он не используется в качестве индикатора, хотя его присутствие в живых организмах, включая людей, можно охарактеризовать путем измерения гамма-лучей.

Другие изотопы

Основная статья: радиофармакология

Многие другие изотопы использовались в специализированных радиофармакологических исследованиях. Наиболее широко используется ⁶⁷Ga за сканирование галлия. ⁶⁷Ga используется потому что, как и ^{99 м}Tc, это излучатель гамма-лучей, и различные лиганды могут быть присоединены к Ga³⁺ ион, образующий координационный комплекс которые могут иметь избирательное сродство к определенным участкам человеческого тела.

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

Заявление

Смотрите также: Ядерная медицина, Список радиоактивных индикаторов ПЭТ, и Радионуклиды, связанные с гидроразрывом пласта

В метаболизм исследование, Тритий и ¹⁴C -меченая глюкоза обычно используется в зажимы для глюкозы для измерения темпов поглощение глюкозы, синтез жирных кислот, и другие метаболические процессы.^[9] Хотя радиоактивные индикаторы иногда все еще используются в исследованиях на людях, стабильный изотоп трассеры, такие как ¹³C чаще используются в текущих исследованиях зажимов на людях. Радиоактивные индикаторы также используются для изучения липопротеин метаболизм у человека и экспериментальных животных.^[10]

В лекарство, трассеры применяются в ряде тестов, таких как ^{99 м}Tc в авторадиография и ядерная медицина, включая однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и сцинтиграфия. В дыхательный тест на мочевину за Helicobacter pylori обычно используется доза ¹⁴C меченая мочевина для обнаружения h. pylori. Если меченая мочевина метаболизируется h. pylori в желудке, дыхание пациента будет содержать меченый углекислый газ. В последние годы использование веществ, обогащенных нерадиоактивным изотопом ¹³C стал предпочтительным методом, позволяющим избежать воздействия на пациента радиоактивности.^[11]

В гидроразрыв изотопы радиоактивных индикаторов вводятся с жидкостью гидроразрыва пласта для определения профиля закачки и местоположения образовавшихся трещин.^[2] Для каждой стадии ГРП используются индикаторы с разным периодом полураспада. В США количество радионуклидов на инъекцию указано в США. Комиссия по ядерному регулированию (NRC) руководящие принципы.^[12] По данным NRC, некоторые из наиболее часто используемых индикаторов включают: сурьма-124, бром-82, йод-125, йод-131, иридий-192, и скандий-46.^[12] Публикация 2003 г. Международное агентство по атомной энергии подтверждает частое использование большинства индикаторов, указанных выше, и говорит, что марганец-56, натрий-24, технеций-99m, серебро-110м, аргон-41, и ксенон-133 также широко используются, поскольку их легко идентифицировать и измерять.^[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. PMID  10817161.
2. Рейс, Джон С. (1976). Экологический контроль в нефтяной инженерии. Gulf Professional Publishers.
3. Фаулер Дж. С. и Вольф А. П. (1982) Синтез меченных углеродом-11, фтором-18 и азотом-13 радиоактивных индикаторов для биомедицинских применений. Nucl. Sci. Сер. Natl Acad. Sci. Natl Res. Совет Моногр. 1982 г.
4. Лукас Л.Л., Унтервегер депутат (2000). «Всесторонний 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. ЧВК  4877155. PMID  27551621. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-10-17.
5. Ким SH, Келли ПБ, Клиффорд AJ (апрель 2010 г.). «Расчет радиационного облучения при использовании (14) C-меченых питательных веществ, пищевых компонентов и биофармацевтических препаратов для количественной оценки метаболического поведения людей». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии. 58 (8): 4632–7. Дои:10.1021 / jf100113c. ЧВК  2857889. PMID  20349979.
6. Информационный бюллетень I-123^{[постоянная мертвая ссылка ]}
7. Hupf HB, Eldridge JS, Beaver JE (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. PMID  5650883.
8. Гилби ЭД, Джеффкоат С.Л., Эдвардс Р. (июль 1973 г.). «125-йодные индикаторы для стероидного радиоиммуноанализа». Журнал эндокринологии. 58 (1): хх. PMID  4578967.
9. Kraegen EW, Jenkins AB, Storlien LH, Chisholm DJ (1990). «Изучение индикаторов in vivo действия инсулина и метаболизма глюкозы в отдельных периферических тканях». Гормоны и метаболические исследования. Дополнение серии. 24: 41–8. PMID  2272625.
10. Magkos F, Sidossis LS (сентябрь 2004 г.). «Измерение кинетики липопротеинов и триглицеридов очень низкой плотности у человека in vivo: насколько на самом деле различны различные методы». Текущее мнение о клиническом питании и метаболическом лечении. 7 (5): 547–55. Дои:10.1097/00075197-200409000-00007. PMID  15295275. S2CID  26085364.
11. Пеэтерс 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. PMID  9795467.
12. Whitten JE, Courtemanche SR, Jones AR, Penrod RE, Fogl DB, Отдел промышленной и медицинской ядерной безопасности, Управление безопасности и гарантий ядерных материалов (июнь 2000 г.). «Сводное руководство по лицензиям на материалы: Руководство для конкретной программы по лицензиям на каротаж, трассеры и полевые исследования паводков (NUREG-1556, том 14)». Комиссия по ядерному регулированию США. Получено 19 апреля 2012. маркированный песок ГРП ... СК-46, Бр-82, Аг-110м, Сб-124, Ир-192
13. Радиационная защита и обращение с радиоактивными отходами в нефтегазовой отрасли (PDF) (Отчет). Международное агентство по атомной энергии. 2003. С. 39–40.. Получено 20 мая 2012. Бета-излучатели, в том числе ³Рука ¹⁴C, может использоваться, когда возможно использовать методы отбора проб для обнаружения присутствия радиоактивного индикатора, или когда изменения в концентрации активности могут использоваться как индикаторы интересующих свойств в системе. Гамма-излучатели, такие как ⁴⁶Sc, ¹⁴⁰Ла, ⁵⁶Mn, ²⁴Na, ¹²⁴Сб, ¹⁹²Ir, ⁹⁹Tc^м, ¹³¹Я, ¹¹⁰Ag^м, ⁴¹Ar и ¹³³Хе широко используется из-за легкости, с которой его можно идентифицировать и измерить. ... Чтобы помочь обнаружить любое разливание растворов «мягких» бета-излучателей, в них иногда добавляют гамма-излучатели с коротким периодом полураспада, такие как ⁸²Бр ...

внешняя ссылка

• Национальный центр разработки изотопов Ресурсы правительства США для радиоизотопов - производство, распространение и информация
• Разработка и производство изотопов для исследований и приложений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США, спонсирующая производство изотопов, исследования и разработки в области производства