Метод меченых атомов

Содержание

 

 

 

Введение  5

1 История развития метода меченых атомов 6

1.1 Основные понятия и терминология. 7

1.1.2 Изотопные индикаторы 10

1.2.1 Стабильне изотопы. 11

1.2.2 Радиоактивные изотопы 14

1.3 Изотопные индикаторы в медицине, биологии и сельском хозяйстве 15

2 Авторадиография. 19

2.1.Преимущества и недостатки  авторадиографии. 20

3 Сцентиллярные счетчики  излучения 22

3.1 Сцинтилляции и сцинтилляторы 25

4 Введение радиоактивной  метки в биологические препараты 33

Заключение 36

 Список использованных источников  37

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

 

Искусственно  получаемые радиоактивные элементы нашли широкое применение в науке  и технике. Одним из методов, позволяющих  на практике использовать свойства радиоактивных  элементов,  является так называемый метод меченых атомов. Этот метод использует тот факт, что по химическим и многим физическим свойствам радиоактивный изотоп неотличим от устойчивых изотопов того же элемента. В то же время радиоактивный изотоп легко может быть опознан по своему излучению  (с помощью, например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуемому элементу радиоактивный изотоп и улавливая в дальнейшем его излучение, мы можем проследить путь этого элемента в организме, в химической реакции, при плавке металла и многом другом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 История развития метода меченых атомов

 

 

Метод меченых атомов широко используется в аналитической практике. Метод радиоактивных индикаторов позволяет судить о поведении элементов в различных химических и биологических процессах, в том числе при их разделении и концентрировании в ходе анализа. Метод базируется на установленном Д. Хевеши, Ф. Панетом и К. Фаянсом факте, что радиоактивные элементы ведут себя точно так, как эти элементы в нерадиоактивном состоянии. Говоря современным научным языком, изотопные эффекты в большинстве химических и биологических процессов в первом приближении отсутствуют. Георг Хевеши — венгерский физикохимик, радиохимик родился в Будапеште, окончил в 1908 г. Будапештский университет, затем учился в Германии, в Берлинском и Райбургском университетах. Впоследствии работал в Цюрихском университете, в Высшей технической школе в Карлсруэ с Ф. Габером в Манчестерском университете с Э. Резерфордом, в Радиевом институте в Вене с Ф. Панетом. До 1920 г. работал в Будапештском университете, в 1918 г. стал там профессором  Впоследствии работал в Копенгагенском (1920-1926), Фрайбургском (1926-1940), и Стокгольмском (с 1943 г.) университетах. Метод радиоактивных индикаторов был предложен Д. Хевеши и Ф. Панетом еще до Первой мировой войны (1913); определяя растворимость солей свинца, они использовали радиоактивный изотоп этого элемента. В 1932 г Д. Хевеши разработал метод изотопного разбавления и применил его для определения свинца в горных породах. Годом раньше Д. Хевеши обнаружил, что при облучении элементов рентгеновскими лучами возникает вторичное рентгеновское излучение — так был намечен путь к рентгенофлуоресцентному анализу. В 1936 г. Д.Хевеши (вместе с Х. Леви) разработал метод нейтронно-активационного анализа. Совместно с Д. Костером Д. Хевеши открыл гафний, объяснил особое положение иттрия в ряду редкоземельных элементов и т.д. в 1944 г ученый был удостоен Нобелевской премии. Ее присудили за работу по использованию изотопов как индикаторов при изучении химических процессов.

Химики-аналитики широко использовали метод радиоактивных  индикаторов, созданный Д. Хевеши, для разработки приемов разделения и концентрирования микропримесей. Метод позволял быстро и надежно контролировать степень извлечения элемента при экстракции, ионном обмене, соосаждении и в других случаях. Радиоактивные индикаторы применяли также при изучении механизма химических реакций. Исследования были обеспечены наличием большого числа долгоживущих радионуклидов, удобных для измерения их радиоактивности.

В декабре 1957 г. в Москве состоялась большая конференция по применению радиоактивных изотопов в аналитической  химии. Проходила она в ГЕОХИ  АН СССР, в ней участвовало 450 человек, в том числе крупные аналитики из других стран — И. М. Кольтгоф (США), Г. Ирвинг (Эрвинг) из Великобритании, Р. Пришбл из Чехословакии и другие. Это была первая после войны аналитическая конференция в СССР с участием иностранных ученых. На конференции было много докладов о применении меченых атомов при разработке и использовании методов анализа. Например, А. В. Николаев (будущий академик), А. А. Сорокина и А. С. Масленникова сообщили об использовании изотопов при разделении редкоземельных элементов. В докладе И. П. Алимарина и Г. Н. Билимовича сообщалось об использовании изотопов ⁹⁵Nb, ⁹⁵Zr, ⁸²Та при разработке методов отделения тантала от титана, циркония от ниобия, определяли выделенные элементы методом изотопного разбавления. Сродни методу радиоактивных индикаторов так называемый радиоуглеродный метод, который важен для датировки разного рода объектов.  К примеру, что космические лучи, попадая в земную атмосферу, создают потоки вторичных частиц. В результате этого происходит превращение радиоактивного азота-15 в радиоактивный углерод-14. В момент возникновения атомы ¹⁴С, имеющие очень высокую энергию, сразу же вступают в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ. Последний усваивается растениями и от них переходит к животным. В целом в биосфере поддерживается постоянная концентрация углерода-14. Эти факты были установлены к 1946 г. группой исследователей, в которую входил и американский физик У. Ф. Либби. Он задался вопросом: что происходит оадиоактивным углеродом после смерти организма. Поскольку обмен шеств прекращается, изотоп ¹⁴С в организм более не поступает. А содержавшийся в организме изотоп начинает распадаться: в соответствии периодом полураспада его количество уменьшается вдвое за 5 600 лет. Значит, по относительному содержанию углерода-14 в ископаемых останках можно судить об их возрасте. Идея проста, но для создания точного и удобного метода датирования потребовались большие усилия. Метод радиоуглеродной геохронологии позволяет определять возраст археологических объектов в пределах 200-50 000 лет. Для изотопного анализа используют масс-спектрометр, поэтому требуется лишь несколько граммов исследуемого вещества.

 

 

1.1 Основные понятия и терминология

 

 

Радиоактивность (radioactivity) — это обозначение удивительного явления природы, открытого Беккерелем в конце XIX века, суть которого заключается в самопроизвольном спонтанном превращении атомных ядер некоторых элементов в другие, которое сопровождается выделением трёх видов "лучей". Природу лучей установили быстро: α-лучи — это двукратно ионизированные атомы гелия, β-лучи — это электроны, γ-лучи — это жесткое коротковолновое электромагнитное излучение. Элементы, способные к таким превращениям стали называться радиоактивными, т.е. способными к этому превращению. В зависимости от типа излучения, радиоактивные атомы стали определять соответственно как α, β или γ излучатели или источники. Правда, вскоре было установлено, что некоторые радиоактивные атомы излучают сразу два (а возможно, и три) вида лучей, поэтому такая классификация дополняется пояснениями — это "чистый" α-излучатель или имеется сопутствующее γ-излучение. К первоначальным трём типам ядерных превращений (α, β и γ — радиоактивный распад) добавились новые, однако, общие закономерности для всех остались неизменными. В конце ХХ века было рекомендовано термин "изотоп" заменить на "нуклид" и, соответственно, "радиоактивный изотоп" на "радионуклид". Особенно широкого распространения это нововведение не получило, и оба термина используются в научной литературе как синонимы.

Количественная характеристика радиоактивности получила у физиков  название "активность" (activity). Так как физикам никто не давал монопольного права на термин "активность", то со временем выяснилось, что в разных областях науки под "активностью" понимают совсем разные понятия. Сравните: активность радиоактивного изотопа, химическая активность элемента или соединения, энзимологическая активность фермента, биологическая (например, антивирусная) активность препарата — всё это совершенно различные понятия. Сближение различных научных дисциплин ещё больше запутывает положение. Попробуйте охарактеризовать фермент, меченный радиоактивным изотопом углерода-14. Активность такого фермента — это его энзимологическая характеристика или радиоактивная? Поэтому в современной научной литературе (особенно биологической) все чаще термин "активность" для радиоактивных веществ заменяется термином "радиоактивность".

За единицу активности (радиоактивности) радиоактивного вещества в Международной системе СИ принята  скорость радиоактивного распада, равная 1 распаду в секунду, которая получила название беккерель — Бк (в английской версии Bq). Устаревшая, но по-прежнему используемая единица активности кюри — Ки (в английской версии Ci) — это активность препарата, эквивалентная активности 1 г металлического радия-226 и равная 3,7х10¹⁰ распадов в секунду, т.е. 3,7х10¹⁰ Бк.

Строго говоря, радиоактивный  распад — это превращение ядра атома радиоактивного элемента, которое  сопровождается выделением продуктов  такого превращения. Например, электронный  захват представляет собой поглощение электрона ядром с выделением γ-кванта, и такой тип "радиоактивного распада" более точно следует называть "ядерным превращением". Впрочем, оба термина используются в литературе на равных, несмотря на предпочтительность "ядерного превращения".

Основной закон радиоактивного распада описывается замечательной  формулой:

N_t = N₀e^-λt

где: 

N_t — количество распавшихся радиоактивных атомов;

N₀ — начальное количество радиоактивных атомов;

е — основание натурального логарифма;

λ — константа скорости радиоактивного распада;

t — время.

На практике для работы ею никто не пользуется, однако, из этой формулы следует сразу несколько  довольно простых, но очень важных выводов  и следствий, которые надо знать  всем работающим с радиоактивными изотопами:

1. Количество радиоактивных атомов, распавшихся за некоторое время наблюдения, зависит только от их исходного количества и времени наблюдения (распада). Никакие другие параметры: астрономические, физические, химические, парапсихологические на радиоактивный распад не влияют. Константа скорости радиоактивного распада [ λ ] (иногда ее называют константой распада) определяется только природой изотопа и для каждого изотопа имеет свою величину. Все попытки замедлить радиоактивный распад охлаждением (даже в жидком азоте) или ускорить распад нагреванием абсолютно бессмысленны. Можно влиять на стабильность химического соединения, меняя температуру его хранения, но количество радиоактивных атомов в препарате при этом не изменится.
2. Скорость радиоактивного распада меняется по экспоненте (т.е. нелинейно), и рассчитывать количество радиоактивного материала в препарате надо с учетом этого факта, пользуясь либо вышеприведенной формулой, либо соответствующими таблицами распада (что обычно и делают на практике).
3. Если в формуле радиоактивного распада N_t = 1/2 N₀ , т.е. распалась ровно половина радиоактивных атомов, содержащихся в препарате. Время этого процесса — константа Т_1\2 — называется периодом полураспада. Физический смысл — время, за которое распадается половина радиоактивных атомов данного изотопа. Эта величина весьма полезна для работающих с радиоактивностью, т.к. позволяет быстро оценить "потери на распад" препарата.
4. Физический смысл константы скорости радиоактивного распада [ λ ] — это активность 1 моля (или ммоля) 100% радиоактивного изотопа и соответственно размерность этой константы — Бк/моль (Bq/mol) или Ки/ммоль (Ci/mmol). То есть, это теоретически достижимая молярная активность (активность одного моля радиоактивного вещества), знание которой позволяет оценить чувствительность метода и качество радиоактивного препарата.

 

 

 

 

1.2 Изотопные индикаторы

 

 

Изотопные индикаторы, вещества, имеющие отличный от природного изотопный состав и благодаря этому используемые в качестве метки при изучении самых разнообразных процессов. Роль изотопной метки выполняют стабильные или радиоактивные изотопы химических элементов, которые легко могут быть обнаружены и определены количественно. Высокая чувствительность и специфичность изотопных индикаторов позволяют проследить за ними в сложных процессах перемещения, распределения и превращения веществ в сколь угодно сложных системах, в том числе и в живых организмах.

Метод изотопных индикаторов основан на том, что химические свойства разных изотопов одного элемента почти одинаковы (благодаря чему поведение меченых атомов в изучаемых процессах практически не отличается от поведения других атомов того же элемента), и на лёгкости обнаружения изотопов, особенно радиоактивных. При использовании метода необходим учёт возможных реакций изотопного обмена, приводящих к перераспределению меченых атомов (следовательно, к потере соединением метки), а иногда и учёт радиационных эффектов, связанных с влиянием радиоактивных излучений на ход процесса. Изотоп, используемый в качестве метки, вводится в состав изучаемых соединений. Могут быть использованы как стабильные, так и радиоактивные изотопы.

Преимущество стабильных изотопов — их устойчивость и отсутствие ядерных излучений. Однако только небольшое число элементов имеет подходящие стабильные изотопы. Малая доступность последних и сравнительно сложная техника обнаружения составляют недостатки метода изотопных индикаторов с применением стабильных изотопов. Преимущество радиоактивных изотопов — возможность их получения практически для всех элементов периодической системы, высокая чувствительность, специфичность и точность определения, простота и доступность измерительной аппаратуры. Поэтому большинство исследований, использующих метод изотопных индикаторов, выполнено с радиоактивными изотопами.

Такие элементы, как водород, углерод, сера, хлор, свинец, имеют удобные для использования как стабильные — ²H, ¹³C, ³⁴S, ³⁵Cl, ³⁷Cl, ²⁰⁴РЬ, так и радиоактивные изотопы — ³H, ¹¹C, ¹⁴C, ³⁵S, ³⁶C1, ²¹²РЬ. В качестве изотоповазота и кислорода чаще всего применяются стабильные ¹⁵N и ¹⁸O и другие. Стабильные изотопные индикаторы получают обогащением природных изотопных смесей путём многократного повторения операции разделения (перегонка, диффузия, термодиффузия, изотопный обмен, электролиз; см. Изотопов разделение), а также на масс-спектрометрических установках и при ядерных реакциях.