znacznik radioaktywny - Radioactive tracer
Radioaktywnego znacznika , promieniotwórczego lub znacznika radioaktywnego , jest związkiem chemicznym , w którym jeden lub więcej atomów zostało zastąpione przez radionuklidu tak ze względu na jej rozpad radioaktywny może być stosowany w celu zbadania mechanizmów reakcji chemicznych poprzez śledzenie drogi, którą radioizotop wynika z reagentów do produktów. Radioznakowanie lub radiośledzenie jest zatem radioaktywną formą znakowania izotopowego .
Radioizotopy wodoru , węgla , fosforu , siarki i jodu są szeroko stosowane do śledzenia przebiegu reakcji biochemicznych . Wskaźnik radioaktywny można również wykorzystać do śledzenia rozmieszczenia substancji w systemie naturalnym, takim jak komórka lub tkanka , lub jako wskaźnik przepływu do śledzenia przepływu płynu . Znaczniki radioaktywne są również wykorzystywane do określania lokalizacji szczelin powstałych w wyniku szczelinowania hydraulicznego w produkcji gazu ziemnego. Radioaktywnych znaczników stanowić podstawę wielu systemów obrazowania, takie jak skanowanie PET , SPECT i skany technetu . Datowanie radiowęglowe wykorzystuje naturalnie występujący izotop węgla-14 jako znacznik izotopowy .
Metodologia
Izotopy o pierwiastka różnią się tylko w liczbie masowej. Na przykład izotopy wodoru można zapisać jako 1 H , 2 H i 3 H , z liczbą masową w indeksie górnym po lewej stronie. Gdy jądro atomowe izotopu jest niestabilne, związki zawierające ten izotop są radioaktywne . Tryt jest przykładem radioaktywnego izotopu.
Zasada stosowania znaczników radioaktywnych polega na tym, że atom w związku chemicznym jest zastępowany innym atomem tego samego pierwiastka chemicznego. Zastępczy atom jest jednak izotopem promieniotwórczym. Proces ten jest często nazywany znakowaniem radioaktywnym. Siła tej techniki wynika z faktu, że rozpad radioaktywny jest znacznie bardziej energetyczny niż reakcje chemiczne. Dlatego izotop promieniotwórczy może występować w niskim stężeniu, a jego obecność wykrywają czułe detektory promieniowania, takie jak liczniki Geigera i liczniki scyntylacyjne . George de Hevesy zdobył w 1943 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za pracę nad wykorzystaniem izotopów jako znaczników w badaniu procesów chemicznych”.
Istnieją dwa główne sposoby wykorzystania znaczników radioaktywnych
- Kiedy znakowany związek chemiczny ulega reakcji chemicznej, jeden lub więcej produktów będzie zawierało znacznik radioaktywny. Analiza tego, co dzieje się z radioaktywnym izotopem, dostarcza szczegółowych informacji na temat mechanizmu reakcji chemicznej.
- Związek radioaktywny jest wprowadzany do żywego organizmu, a izotop promieniotwórczy zapewnia środki do skonstruowania obrazu pokazującego, w jaki sposób ten związek i produkty jego reakcji są rozprowadzane w organizmie.
Produkcja
Powszechnie stosowane radioizotopy mają krótkie okresy półtrwania i dlatego nie występują w naturze. Powstają w wyniku reakcji jądrowych . Jednym z najważniejszych procesów jest absorpcja neutronu przez jądro atomowe, w którym liczba masowa danego pierwiastka wzrasta o 1 na każdy zaabsorbowany neutron. Na przykład,
W tym przypadku masa atomowa wzrasta, ale pierwiastek pozostaje niezmieniony. W innych przypadkach jądro produktu jest niestabilne i rozpada się, zwykle emitując protony, elektrony ( cząstki beta ) lub cząstki alfa . Gdy jądro traci proton, liczba atomowa zmniejsza się o 1. Na przykład
Naświetlanie neutronami odbywa się w reaktorze jądrowym . Inną główną metodą wykorzystywaną do syntezy radioizotopów jest bombardowanie protonami. Protony są przyspieszane do wysokiej energii w cyklotronie lub akceleratorze liniowym .
Izotopy znaczników
Wodór
Tryt jest wytwarzany przez napromieniowanie neutronami 6 Li
Tryt ma okres półtrwania 4500±8 dni (około 12,32 lat) i rozpada się przez rozpad beta . Wytworzone elektrony mają średnią energię 5,7 keV. Ponieważ emitowane elektrony mają stosunkowo niską energię, skuteczność wykrywania przez zliczanie scyntylacyjne jest raczej niska. Jednak atomy wodoru są obecne we wszystkich związkach organicznych, dlatego tryt jest często używany jako znacznik w badaniach biochemicznych .
Węgiel
11 C rozpada się przez emisję pozytonów z okresem półtrwania ok. 20 minut. 11 C jest jednym z izotopów często stosowanych w pozytonowej tomografii emisyjnej .
14 C rozpada przez beta rozpadu , z okresem półtrwania 5730 lat. Jest stale wytwarzany w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, więc występuje w środowisku śladowym. Jednak nie jest praktyczne stosowanie naturalnie występującego 14 C do badań znaczników. Zamiast tego powstaje przez napromieniowanie neutronami izotopu 13 C, który naturalnie występuje w węglu na poziomie około 1,1%. 14 C jest szeroko stosowany do śledzenia postępu cząsteczek organicznych na szlakach metabolicznych.
Azot
13 N rozpada się przez emisję pozytonów z okresem półtrwania 9,97 min. Powstaje w wyniku reakcji jądrowej
13 N jest stosowany w pozytonowej tomografii emisyjnej (skan PET).
Tlen
15 O rozpada się przez emisję pozytonów z okresem półtrwania 122 sek. Znajduje zastosowanie w pozytonowej tomografii emisyjnej.
Fluor
18 F rozpada się głównie przez emisję β, z okresem półtrwania 109,8 min. Powstaje przez bombardowanie protonami 18 O w cyklotronie lub liniowym akceleratorze cząstek . Jest ważnym izotopem wprzemyśle radiofarmaceutycznym . Na przykład służy do wytwarzania znakowanej fluorodeoksyglukozy (FDG) do zastosowania w skanach PET.
Fosfor
32 P powstaje przez bombardowanie neutronami 32 S
Rozpada się przez rozpad beta z okresem półtrwania 14,29 dni. Jest powszechnie stosowany do badania fosforylacji białek przez kinazy w biochemii.
33 P jest wytwarzany ze stosunkowo niską wydajnością przez bombardowanie neutronami 31 P . Jest również emiterem beta, z okresem półtrwania 25,4 dnia. Chociaż bardziej kosztowne niż 32 p , emitowane elektrony są mniej energii, co pozwala na lepszą rozdzielczość w, na przykład, sekwencjonowanie DNA.
Oba izotopy są przydatne do znakowania nukleotydów i innych gatunków zawierających grupę fosforanową .
Siarka
35 S jest wytwarzany przez bombardowanie neutronami 35 Cl
Rozpada się przez rozpad beta z okresem półtrwania 87,51 dnia. Służy do znakowania aminokwasów zawierających siarkę metioninę i cysteinę . Gdy atom siarki zastępuje atom tlenu w fosforanowej grupy na nukleotydzie tiofosforanowe wytwarza się tak 35 S może również być wykorzystywane do identyfikacji grupę fosforanową.
Technet
99m Tc jest bardzo wszechstronnym radioizotopem i jest najczęściej używanym znacznikiem radioizotopowym w medycynie. Jest to łatwe do wytworzenia w generatorze technet-99m , od rozpadu 99 Mo .
-
99 Pn → 99m Tc +
mi−
+
ν
mi
Izotop molibdenu ma okres półtrwania około 66 godzin (2,75 dnia), więc generator ma okres użytkowania około dwóch tygodni. Większość komercyjnych generatorów 99m Tc wykorzystuje chromatografię kolumnową , w której 99 Mo w postaci molibdenianu, MoO 4 2- jest adsorbowany na kwaśnym tlenku glinu (Al 2 O 3 ). Gdy 99 Mo rozpada się, tworzy nadtechnecjan TcO 4 − , który ze względu na swój pojedynczy ładunek jest słabiej związany z tlenkiem glinu. Przeciąganie normalnego roztworu soli fizjologicznej przez kolumnę z unieruchomionym 99 Mo powoduje elucję rozpuszczalnego 99mTc , w wyniku czego otrzymuje się roztwór soli zawierający 99mTc jako rozpuszczoną sól sodową nadtechnecjanu. Nadtechnecjan traktuje się środkiem redukującym, takim jak Sn2 + i ligandem . Różne ligandy tworzą kompleksy koordynacyjne, które nadają technetowi zwiększone powinowactwo do określonych miejsc w organizmie człowieka.
99m Tc rozpada się przez emisję gamma, z okresem półtrwania: 6,01 godziny. Krótki okres półtrwania zapewnia, że stężenie radioizotopu w organizmie skutecznie spada do zera w ciągu kilku dni.
Jod
123 I jest wytwarzany przez napromieniowanie protonem 124 Xe . Wytworzonyizotop cezu jest niestabilny i rozpada się do 123 l . Izotop jest zwykle dostarczany w postaci jodku i podjodanu w rozcieńczonym roztworze wodorotlenku sodu o wysokiej czystości izotopowej. 123 I został również wyprodukowany w Oak Ridge National Laboratories przez bombardowanie protonami 123 Te .
123 I rozpada się przez wychwytywanie elektronów z okresem półtrwania 13,22 godziny. Emitowane promieniowanie gamma o energii 159 keV jest wykorzystywane w emisyjnej tomografii komputerowej pojedynczego fotonu (SPECT). Emitowane jest również promieniowanie gamma o energii 127 keV.
125 , że jest często stosowany w testach radioimmunologicznych z powodu jego stosunkowo długim okresem półtrwania (59 dni), a zdolność do wykryte z wysoką czułość liczników gamma.
129 I jest obecny w środowisku w wyniku testów broni jądrowej w atmosferze. Został również wyprodukowany podczas katastrof w Czarnobylu i Fukushimie . 129 I rozpada się z okresem półtrwania 15,7 miliona lat, z niskoenergetycznymi emisjami beta i gamma . Nie jest używany jako znacznik, chociaż jego obecność w organizmach żywych, w tym u ludzi, można scharakteryzować pomiarem promieni gamma.
Inne izotopy
Wiele innych izotopów zostało wykorzystanych w specjalistycznych badaniach radiofarmakologicznych. Najpowszechniej stosowany jest 67 Ga do skanowania galu . 67 Ga jest stosowany, ponieważ podobnie jak 99m Tc jest emiterem promieniowania gamma i różne ligandy mogą być przyłączone do jonu Ga 3+ , tworząc kompleks koordynacyjny, który może mieć selektywne powinowactwo do określonych miejsc w organizmie człowieka.
Obszerną listę znaczników radioaktywnych stosowanych w szczelinowaniu hydraulicznym można znaleźć poniżej.
Podanie
W metabolizmie badań, tryt i 14 C znakowanej glukozy są powszechnie stosowane w zaciski glukozy do pomiaru szybkości wchłaniania glukozy , synteza kwasów tłuszczowych i innych procesów metabolicznych. Podczas gdy znaczniki radioaktywne są czasami nadal używane w badaniach na ludziach, znaczniki stabilnego izotopu, takie jak 13 C, są częściej stosowane w obecnych badaniach na ludziach. Wskaźniki radioaktywne są również wykorzystywane do badania metabolizmu lipoprotein u ludzi i zwierząt doświadczalnych.
W medycynie znaczniki znajdują zastosowanie w wielu badaniach, m.in. 99m Tc w autoradiografii i medycynie nuklearnej , w tym tomografii komputerowej z emisją pojedynczych fotonów (SPECT), pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) i scyntygrafii . Testu mocznikowego oddechu dla Helicobacter pylori powszechnie stosowane dawki 14 C, oznaczonej mocznika do wykrywania h. infekcja odźwiernika. Jeśli znakowany mocznik był metabolizowany przez h. pylori w żołądku, oddech pacjenta zawierałby znakowany dwutlenek węgla. W ostatnich latach stosowanie substancji wzbogaconych w niepromieniotwórczy izotop 13 C stało się preferowaną metodą unikania narażenia pacjentów na radioaktywność.
W przypadku szczelinowania hydraulicznego izotopy znaczników promieniotwórczych są wstrzykiwane z płynem do szczelinowania hydraulicznego w celu określenia profilu wtrysku i lokalizacji powstałych szczelin. Na każdym etapie szczelinowania hydraulicznego stosuje się znaczniki o różnych okresach półtrwania. W Stanach Zjednoczonych ilości na wstrzyknięcie radionuklidu są wymienione w wytycznych Amerykańskiej Komisji Regulacji Jądrowych (NRC). Według NRC do najczęściej stosowanych znaczników należą antymon-124 , brom-82 , jod-125 , jod-131 , iryd-192 i skand-46 . 2003 publikacja przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej potwierdza częste korzystanie z większości znaczników powyżej, i mówi, że mangan-56 , sodu-24 , technet-99m , srebrny-110m , argon-41 , a -133 ksenonu są również wykorzystywane szeroko, ponieważ można je łatwo zidentyfikować i zmierzyć.
Bibliografia
Zewnętrzne linki
|
Zasoby biblioteczne dotyczące znaczników radioaktywnych |
- Narodowe Centrum Rozwoju Izotopów Zasoby rządu USA dotyczące radioizotopów - produkcja, dystrybucja i informacje
- Izotope Development & Production for Research and Applications (IDPRA) Program Departamentu Energii USA sponsorujący produkcję izotopów oraz badania i rozwój produkcji