A радиоактивный индикатор, радиоактивный индикатор или радиоактивная метка, это химическое соединение, в котором один или несколько атомов заменены радионуклидом, поэтому благодаря его радиоактивному распаду его можно использовать для исследования механизма химических реакций путем отслеживание пути, по которому радиоизотоп следует от реагентов к продуктам. Радиоактивное мечение или радиоактивное отслеживание, таким образом, является радиоактивной формой изотопного мечения.
Радиоизотопы водорода, углерода, фосфор, сера и йод широко используются для отслеживания пути биохимических реакций. Радиоактивный индикатор также можно использовать для отслеживания распределения вещества в естественной системе, такой как клетка или ткань, или как индикатор потока для отслеживания поток жидкости. Радиоактивные индикаторы также используются для определения местоположения трещин, созданных гидроразрывом при добыче природного газа. Радиоактивные индикаторы составляют основу множества систем визуализации, таких как сканирование ПЭТ, сканирование SPECT и сканирование технеция. Радиоуглеродное датирование использует природный изотоп углерод-14 в качестве изотопной метки.
Изотопы химического элемента различаются только массовым числом. Например, изотопы водорода можно записать как H, H и H с надстрочным индексом слева. Когда атомное ядро изотопа нестабильно, соединения, содержащие этот изотоп, являются радиоактивными. Тритий представляет собой пример радиоактивного изотопа.
Принцип, лежащий в основе использования радиоактивных индикаторов, состоит 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 техники связана с тем, что радиоактивный распад гораздо более энергичен, чем химические реакции. Следовательно, радиоактивный изотоп может присутствовать в низкой концентрации, и его присутствие может обнаруживаться чувствительными детекторами излучения, такими как счетчики Гейгера и сцинтилляционные счетчики. Джордж де Хевеши получил Нобелевскую премию по химии 1943 «за работу по использованию изотопов в качестве индикаторов при изучении химических процессов».
Есть два основных способа использования радиоактивных индикаторов.
Обычно используемые радиоизотопы имеют короткие периоды полураспада и поэтому не встречаются в природе. Они производятся ядерными реакциями. Одним из наиболее важных процессов является поглощение нейтрона ядром атома, при котором массовое число соответствующего элемента увеличивается на 1 для каждого поглощенного нейтрона. Например,
В этом случае атомная масса увеличивается, но элемент не изменяется. В других случаях ядро продукта нестабильно и распадается, как правило, с испусканием протонов, электронов (бета-частица ) или альфа-частицы. Когда ядро теряет протон, атомный номер уменьшается на 1. Например,
нейтронное облучение выполняется в ядерном реакторе. Другой основной метод синтеза радиоизотопов - бомбардировка протонами. Протон ускоряется до высоких энергий либо в циклотроне, либо в линейном ускорителе.
Тритий получают нейтронным облучением Li
Тритий имеет период полураспада 4500 ± 8 дней (приблизительно 12,32 года), и он распадается в результате бета-распада. Полученные электроны 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 биохимических исследованиях.
C распадается с помощью позитронного излучения с периодом полураспада ок. 20 мин. C является одним из изотопов, часто используемых в позитронно-эмиссионной томографии,.
C распадается на бета-распад, с периодом полураспада 5730 лет. Он постоянно вырабатывается в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому в окружающей среде он присутствует на минимальном уровне. Однако использовать природный C для исследований индикаторов непрактично. Вместо этого его получают нейтронным облучением изотопа C, который естественным образом встречается в углероде на уровне около 1,1%. C широко использовался для отслеживания продвижения органических молекул через метаболические пути.
N распадается на позитронное излучение с периодом полураспада 9,97 мин. Он образуется в результате ядерной реакции
N. Используется в позитронно-эмиссионной томографии (сканирование ПЭТ).
O распадается из-за испускания позитронов с периодом полураспада 122 сек. Используется в позитронно-эмиссионной томографии.
F распадается с периодом полураспада 109 мин. Его получают путем бомбардировки протонами O в циклотроне или линейном ускорителе частиц. Это важный изотоп в радиофармацевтической промышленности. Он используется для изготовления меченой фтордезоксиглюкозы (FDG) для применения в ПЭТ-сканировании.
P производится нейтронной бомбардировкой S
. Он распадается в результате бета-распада с половиной Срок службы 14,29 суток. Он обычно используется для изучения фосфорилирования белков киназами в биохимии.
P производится с относительно низким выходом путем бомбардировки нейтронами P. Это также бета-излучатель с периодом полураспада 25,4 дня. Хотя он и дороже, чем P, испускаемые электроны менее энергичны, что позволяет лучше разрешить, например, при секвенировании ДНК.
Оба изотопа полезны для мечения нуклеотидов и других видов, содержащих фосфатную группу.
S получается нейтронной бомбардировкой Cl
. Он распадается в результате бета-распада с периодом полураспада 87,51 дня. Он используется для маркировки серосодержащих амино-кислот метионина и цистеина. Когда атом серы заменяет атом кислорода в фосфатной группе на нуклеотиде, образуется тиофосфат, поэтому S также можно использовать для отслеживания фосфатной группы.
Tc - очень универсальный радиоактивный изотоп, наиболее часто используемый в медицине радиоизотопный индикатор. Его легко получить в генераторе технеция-99m путем распада Mo.
. Изотоп молибдена имеет период полураспада примерно 66 часов (2,75 дня), поэтому срок службы генератора составляет около две недели. В большинстве коммерческих генераторов Tc используется колоночная хроматография, в которой Mo в форме молибдата, MoO 4 адсорбируется на кислой глиноземе (Al 2O3). Когда Mo распадается, он образует пертехнетат TcO 4, который из-за своего единственного заряда менее прочно связан с оксидом алюминия. Пропускание физиологического раствора через колонку с иммобилизованным Mo элюирует растворимый Tc, в результате чего получают физиологический раствор, содержащий Tc в виде растворенной натриевой соли пертехнетата. Пертехнетат обрабатывают восстанавливающим агентом, таким как Sn и лигандом . Различные лиганды образуют координационные комплексы, которые придают технецию повышенное сродство к определенным участкам в организме человека.
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.
I получают протонным облучением Хе. Образовавшийся изотоп цезия нестабилен и распадается до I. Изотоп обычно поставляется в виде йодида и гипойодата в разбавленном растворе гидроксида натрия с высокой изотопной чистотой. I также был получен в Национальной лаборатории Ок-Ридж путем бомбардировки протонами Te.
I распада посредством захвата электронов с помощью период полувыведения 13,22 часа. Испускаемое гамма-излучение 159 кэВ используется в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT). Также излучается гамма-излучение 127 кэВ.
I часто используется в радиоиммуноанализах из-за его относительно длительного периода полураспада (59 дней) и способности обнаруживать с высокой чувствительностью с помощью гамма-счетчиков.
I присутствует в окружающей среде в результате испытания ядерного оружия в атмосфере. Он также был произведен во время катастроф Чернобыля и Фукусимы. I распадается с периодом полураспада , равным 15,7 миллионов лет, с низкоэнергетическими выбросами бета и гамма. Он не используется в качестве индикатора, хотя его присутствие в живых организмах, включая людей, можно охарактеризовать путем измерения гамма-лучей.
Многие другие изотопы использовались в специализированных радиофармакологических исследованиях. Наиболее широко используется Ga для сканирований галлия.. Ga используется, потому что, как и Tc, он является излучателем гамма-излучения, и к нему могут быть присоединены различные лиганды. ион, образующий координационный комплекс, который может обладать селективным сродством к определенным участкам человеческого тела.
Обширный список радиоактивных индикаторов, используемых при гидроразрыве пласта, можно найти ниже.
В исследовании метаболизма тритий и C -меченная глюкоза обычно используются в зажимах для глюкозы. для измерения скорости поглощения глюкозы, синтеза жирных кислот и других метаболических процессов. Хотя радиоактивные индикаторы иногда все еще используются в исследованиях на людях, индикаторы стабильного изотопа, такие как C, чаще используются в текущих исследованиях клещей на людях. Радиоактивные индикаторы также используются для изучения метаболизма липопротеинов у людей и экспериментальных животных.
В медицине индикаторы применяются в ряде тестов, таких как Tc в авторадиографии и ядерной медицине, включая однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (SPECT), позитронно-эмиссионную томографию (PET) и сцинтиграфия. В дыхательном тесте с мочевиной для Helicobacter pylori обычно использовалась доза C меченой мочевины 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 C, стало предпочтительным методом, позволяющим избежать воздействия на пациента радиоактивности.
В гидроразрыв пласта, изотопы радиоактивных индикаторов вводятся с жидкостью гидроразрыва пласта для определения профиля закачки и местоположения образовавшихся трещин. Для каждой стадии ГРП используются индикаторы с разным периодом полураспада. В Соединенных Штатах количество радионуклида на инъекцию указано в рекомендациях Комиссии по ядерному регулированию США (NRC). По данным NRC, некоторые из наиболее часто используемых индикаторов включают сурьму-124, бром-82, йод-125, йод-131, иридий-192 и скандий-46. В публикации 2003 г. Международного агентства по атомной энергии подтверждается частое использование большинства указанных выше индикаторов и говорится, что марганец-56, натрий-24, технеций-99m, серебро-110m, аргон-41 и ксенон-133 также широко используются, поскольку их легко идентифицировать и измерить..