Метод меченых атомов

Для элементов, существующих в природе в виде одного изотопа (Be, F, Na, Al, P, I), в качестве меченых атомов используют только искусственные радиоактивные изотопы; примером часто применяемых радиоактивных изотоповслужат ³H, ¹⁴C, ³²P, ³⁵S, ⁴⁵Ca, ⁵¹Cr, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Co, ⁸⁹Sr,⁹⁵Nb, ¹¹⁰Ag, ¹³¹I и др. Выбор радиоактивного изотопа определяется его ядерными характеристиками — периодом полураспада, типом и энергией излучения. Для индикации пригодны радиоактивные изотопы, период полураспада которых не очень мал, что позволяет работать в течение времени, необходимого для эксперимента, но и не очень велик, что даёт возможность работать с весьма малыми количествами индикатора.

1.2.1 Стабильные изотопы

Стабильные изотопы –  это изотопы, не подверженные радиоактивному распаду и, как следствие, не дающие радиоактивного излучения; работа с  такими изотопами не требует специальных  мер предосторожности и защиты. Отклонения от закона постоянства изотопного состава  в большинстве случаев легко  объяснимы. Главной причиной отклонения от постоянства изотопного состава  для стабильных изотопов связана с природным фракционированием изотопов химических элементов. Незначительные различия физических свойств соединений изотопов становятся причиной столь же незначительных вариаций в изотопном составе, возникающих при различных природных процессах: испарении или замерзании вод, деятельности животных или растительных организмов, геологических процессах и т. п. 

Соединения, имеющие одинаковый химический, но различный изотопный  состав, называются изотопными разновидностями (или изотопно-замещёнными соединениями). Изотопные разновидности по своим физическим и физико-химическим свойствам различаются тем сильнее, чем больше относительные различия в массах тех изотопов, состав которых варьируется. Эти различия называются изотопными эффектами.

Применение стабильных изотопов некоторых лёгких элементов.  
Водород: Изотоп водорода с массовым числом два (дейтерий) занимает особое место среди изотопов других элементов. Прежде всего, играет роль то  обстоятельство, что только у водорода существует такое громадное различие между массами изотопов: в 2 раза для протия и дейтерия.  
Пожалуй, ни один из изотопов других химических элементов не играет такой важной самостоятельной роли в области практических приложений. Наиболее важным соединением дейтерия является тяжелая вода D2O. В настоящее время тяжелая вода имеет исключительно важное значение как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Развитие работ по атомной энергетике на первом ее этапе во многом обязано разработке способов получения тяжелой воды в больших масштабах. Некоторые свойства тяжелой воды были приведены выше.

Для исследовательских и  препаративных целей используется ряд неорганических и органических соединений, в которых весь водород замещен на дейтерий: например, дейтеросерная кислота D2SO4, дейтерогидразин N2D4, дейтероуксусная кислота CD3COOD и CH3COOD, дейтеробензол C6D6 и др. Соотношения между свойствами дейтерированных и «обычных» соединений приблизительно такие же, как между D2O и H2O. 

Дейтериевая вода в своей  молекуле содержит два атома дейтерия, который несмотря на свою незначительную удельную массу на молекулярном уровне и вобщем количестве потребляемой воды делает отрицательную погоду, неблаготворно влияет на процессы жизнедеятельности. Вред привносит дейтерий. Он в настоящее время, также как и соединения, его содержащие, достаточно хорошо изучен, пожалуй, даже лучше многих других элементов таблицы Д. И. Менделеева, так как на тяжелую воду возник промышленный спрос. Изучено влияние дейтерия на жизнедеятельность организмов: выяснено, что в больших концентрациях для высших растений  и животных – это яд.

Бор: Стабильные изотопы бора 10B и 11B, резко отличаясь по ядерно-физическим свойствам, широко используются в атомной науке и технике, а также связанных с ней отраслях. 

Стабильный изотоп 10B используется в реакторостроении в виде карбида бора как составная часть стержней, регулирующих скорость ядерных процессов в реакторе, а также в форме раствора борной кислоты в теплоносителе первого контура. Изотоп 10B при малом удельном весе обеспечивает высоко-эффективную (превосходящую в сотни раз бетон) нейтронную защиту, что используется при создании малогабаритных реакторов, устанавливаемых на транспорте. Он также применяется в качестве антиактивационного покрытия, предотвращающего нейтронную активацию материалов, используемых в реакторостроении и ядерно-физических экспериментах. 

Способность 10B трансформировать поток нейтронов в тяжелые  ионизирующие частицы с длиной пробега, соизмеримой с размером живой  клетки, используется в специальном  приборостроении (при производстве, например, нейтронных счетчиков), а  также в нейтронозахватной терапии  злокачественных опухолей в медицине. 

Стабильный изотоп 11B используется в ЯМР - спектроскопии, а также в реакторостроении при создании жаростойких, "прозрачных" по отношению к нейтронам конструкционных материалов (боридов циркония, иттрия, титана и их сплавов). В последние годы интерес к изотопночистому 11B возрос со стороны электронной промышленности, где химически чистый бор используется в качестве легирующего компонента при производстве полупроводниковых изделий. Этот интерес обусловлен возможностью использовать нейтроноактивационный метод анализа для определения в таком боре до 28 различных примесей на концентрационном уровне примерно 10 – 8 %.

Углерод: На сегодняшний день редкий стабильный изотоп углерода 13С (природная концентрация 1,1 %) нашёл достаточно широкое применение. Он используется  для  изучения  механизма  химических  реакций  и  биохимических  реакций  в  медицине. Особое значение тяжелый изотоп углерода 13С имеет для выяснения механизмов процессов, происходящих в живых организмах. Перспективной сферой применения изотопа углерода 13С (концентрация более 90 ат. %) является диагностика различных функциональных нарушений в организме: почечной недостаточности, нарушения обменных процессов печени, диабета, кислородного голодания сердечной мышцы, легочной недостаточности, метаболических нарушений, обусловленных дисфункцией эндокринных и других органов и т. д..

Разработан уникальный метод  диагностики заболеваний с применением меченных изотопом 13С соединений. Это так называемые тесты дыхания. Препарат, принимаемый пациентом, претерпевает в организме изменения, связанные с протеканием биохимических реакций в разных органах. Через некоторое время препарат частично или полностью разлагается и выводится из организма. Содержащийся в препарате углерод в процессе реакций обмена окисляется и выводится в виде углекислого газа через легкие в выдыхаемом воздухе. Если изотопный состав содержащегося в препарате углерода отличен от природного, то появление в выдыхаемом воздухе углекислоты, содержащей углерод препарата, может быть зарегистрировано с помощью соответствующей аппаратуры. Имея информацию о путях и скоростях метаболических превращений препарата в исследуемом органе и вводя в него изотопную углеродную метку, можно сделать вывод о состоянии органа. Исследования такого рода, проводимые ранее в основном для решения научных биомедицинских задач, начали с недавнего времени использоваться в повседневной клинической практике.  
Наибольшее распространение получил так называемый уреазный тест, призванный определять наличие в желудочно-кишечном тракте helicobacterpilory - бактерии, ответственной за возникновение подавляющего числа наиболее распространенных заболеваний желудочно-кишечного тракта - язвенных болезней и гастритов. Простота, надежность, быстрота проведения и безопасность тестов дыхания для пациентов позволяют делать оптимистический прогноз относительно этой диагностики. Определенным ориентиром здесь могут служить США - ежегодно здесь проводится около 2 млн. тестов с использованием препаратов, меченных изотопами углерода. 

Теплопроводность алмаза на основе лёгкого наиболее распространённого  изотопа углерода 12С (конц. 12С – 99,9 ат. %) в 1,5 раза выше теплопроводности алмаза природного изотопного состава (конц. 12С – 98,9 ат. %). Использование в электронике изотопномодифицированных алмазных плёнок на основе 12С позволяет существенно улучшить технические характеристики приборов и оборудования. 

В научно-исследовательском  центре курортологии и реабилитации внедрена программа диагностики  заболеваний желудочно-кишечного  тракта с помощью изотопов углерода. За научными терминами кроется простой  и важный для пациентов смысл: теперь для обследования желудка  не надо глотать зонд - достаточно выпить 50 грамм. Врач дает пациенту разработанный в России тест-комплект. Он содержит меченые атомы - изотопы углерода. Спустя 20 минут проводится повторный тест - уже после того, как препарат будет поглощен.

1.2.2 Радиоактивные изотопы

Для элементов, существующих в природе в виде одного изотопа (Be, F, Na, Al, P, I), в качестве меченых атомов используют только искусственные радиоактивные изотопы; примером часто применяемых радиоактивных изотопов служат: 

 ³H, ¹⁴C, ³²P, ³⁵S, ⁴⁵Ca, ⁵¹Cr, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Co, ⁸⁹Sr,⁹⁵Nb, ¹¹⁰Ag, ¹³¹I и др.

Выбор радиоактивного изотопа определяется его ядерными характеристиками — периодом полураспада, типом и энергией излучения. Для индикации пригодны радиоактивные изотопы, период полураспада которых не очень мал, что позволяет работать в течение времени, необходимого для эксперимента, но и не очень велик, что даёт возможность работать с весьма малыми количествами индикатора. В атомной индустрии все возрастающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы. Элементы, не существующие в природе. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номерами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. Так, например, элемент с порядковым номером Z=43, названный технецием, имеет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет. С помощью ядерных реакций получены также трансурановые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знаете. Кроме них, получены еще следующие элементы: америций (Z=95), кюрий (Z=96), берклий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99), фермий (Z=100), менделевий (Z=101), нобелий (Z-102), лоуренсий (Z= 103), резерфордий (Z=104), дубний (Z= 105), сиборгий (Z=106), борий (Z= 107), гассий (Z=108), мейтнерий (Z= 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы начиная с номера 104 впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии.

Список радиоактивных  изотопов, которые используются в современной жизни, вообще крайне ограничен самой природой. В состав органических соединений входят водород, углерод, кислород, азот, а также гораздо реже фосфор и сера. Следовательно, для получения немодифицированных меченых соединений круг возможных радионуклидов ограничен этими биогенными элементами. Радиоактивные изотопы кислорода и азота имеют совершенно неприемлемый для работы в современной жизни период полураспада — от нескольких минут до миллисекунд. Такие ультра короткоживущие изотопы (УКЖ) уже применяются в медицине и технике, однако их использование в физико-химической биологии весьма проблематично. Вообще, "идеальный радионуклид" для современной жизни должен отвечать следующим критериям:

1.   Элемент должен входить в состав всех органических молекул. Это понятно, так как делает возможным введение "меченого атома" в любую молекулу.

2.  Период полураспада "идеального радионуклида" 10÷100 дней. Это будет соответствовать теоретической молярной активности в диапазоне 10¹⁸÷10¹⁷ Бк/моль и сможет обеспечить высокую чувствительность метода.

3.   Чистый β-излучатель с максимальной энергией излучения не более 0,4 Мэв.Это позволяет сравнительно просто детектировать радионуклид и в тоже время сохраняет высокое разрешение методов, связанных с авторадиографической детекцией меченых продуктов.

1.3 Изотопные индикаторы  в биологии, медицине и сельском хозяйстве

В биологии изотопные индикаторы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопных индикаторов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопных индикаторов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во  2-й половине 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода (²H и ³H), углерода (¹³Cи ¹⁴C), азота (¹⁵N), кислорода(¹⁸O), фосфора (³²P), серы (³⁵S), железа (⁵⁹Fe), йода (¹³¹I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. 

Применение изотопных индикаторов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ — карбонатов, нитратов, фосфатов и др. С помощью изотопных индикаторов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопных индикаторов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервную и мышечные ткани, кальция — в кости).