20.5 Применение радиоизотопов (Uses of Radioisotopes)¶

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

перечислить типичные области применения радиоактивных изотопов.

Радиоактивные изотопы обладают теми же химическими свойствами, что и стабильные изотопы того же элемента, но при этом испускают излучение, которое можно регистрировать. Если в каком-либо соединении заменить один или несколько атомов на радиоизотопы, то по их радиоактивному излучению можно отслеживать пути и поведение этого соединения. Такое соединение называют радиоактивным трейсером (или радиоактивной меткой) (radioactive tracer, radioactive label). С помощью радиоизотопов следят за ходом биохимических реакций, выясняют, как вещество распределяется по организму. Радиоактивные трейсеры широко применяются в медицине — как для диагностики, так и для лечения. Кроме того, они используются для измерения износа двигателей, анализа геологического строения вокруг нефтяных скважин и во многих других задачах.

Например, в радиоиммунологическом анализе (РИА; radioimmunoassay, RIA) радиоизотопы используются для обнаружения определённых антигенов и измерения их концентрации. Разработанный в 1950-х годах Розалин Сасмен Ялоу (Rosalyn Sussman Yalow) и Соломоном Берсоном (Solomon Berson), этот метод известен исключительно высокой чувствительностью: с его помощью можно обнаружить и количественно определить очень малые количества вещества. До его появления большинство аналогичных методов требовало таких количеств, при которых можно было получить визуально различимый результат. РИА произвёл переворот в целых областях исследований — прежде всего в эндокринологии — и сегодня широко применяется для выявления наркотиков, скрининга донорской крови, ранней диагностики рака, определения гормонов и диагностики аллергий. За этот значительный вклад в медицину Ялоу была удостоена Нобелевской премии, став второй женщиной — лауреатом этой премии по медицине.

Радиоизотопы произвели переворот и в медицинской практике (см. приложение М), где они применяются чрезвычайно широко. В США ежегодно выполняется более $10$ миллионов процедур ядерной медицины и более $100$ миллионов соответствующих диагностических исследований. Четыре типичных примера радиоактивных трейсеров, применяемых в медицине, — это технеций-99 ($\ce{^{99}_{43}Tc}$), таллий-201 ($\ce{^{201}_{81}Tl}$), иод-131 ($\ce{^{131}_{53}I}$) и натрий-24 ($\ce{^{24}_{11}Na}$). Повреждённые ткани сердца, печени и лёгких преимущественно поглощают некоторые соединения технеция-99. После введения такого соединения его положение в организме — а значит, и расположение повреждённой ткани — определяют по $\gamma$-излучению, испускаемому изотопом Tc-99. Таллий-201 (рис. 20.24) накапливается в здоровой ткани сердца, поэтому два изотопа — Tc-99 и Tl-201 — используются совместно для изучения сердечной ткани. Иод-131 накапливается в щитовидной железе, печени и в некоторых отделах головного мозга. Поэтому его применяют для контроля за зобом и лечения заболеваний щитовидной железы, например базедовой болезни, а также опухолей печени и мозга. Растворы солей, содержащие соединения натрия-24, вводят в кровоток, чтобы локализовать места нарушения кровотока.

Рис. 20.24. Пациент проходит стресс-тест на беговой дорожке с электрокардиографическим контролем после введения таллия-201; метод позволяет визуально анализировать работу сердца и кровоток.

Рис. 20.24. Введение пациенту таллия-201 с последующим проведением стресс-теста даёт медицинским работникам возможность визуально анализировать работу сердца и кровоток. (Снимок: модификация работы пользователя «Blue0ctane»/Wikimedia Commons.)

Применяемые в медицине радиоизотопы обычно имеют короткие периоды полураспада. Например, повсеместно используемый Tc-99m имеет период полураспада $6{,}01$ ч. Из-за этого Tc-99m практически невозможно хранить, а его транспортировка непомерно дорога, поэтому его получают непосредственно на месте применения. Больницы и другие медицинские учреждения используют для получения Tc-99 изотоп Mo-99 (который в основном выделяют из продуктов деления U-235). Mo-99 претерпевает $\beta$-распад с периодом полураспада $66$ ч, после чего Tc-99 химически отделяют (рис. 20.25). Материнский нуклид Mo-99 входит в состав молибдат-иона $\ce{MoO4^{2-}}$; при его распаде образуется пертехнетат-ион $\ce{TcO4^{-}}$. Эти два хорошо растворимых в воде иона разделяют колоночной хроматографией: молибдат-ион с более высоким зарядом адсорбируется на оксиде алюминия в колонке, а пертехнетат-ион с меньшим зарядом проходит через колонку с раствором. Нескольких микрограммов Mo-99 хватает на получение Tc-99 для выполнения до $10\,000$ исследований.

$Рис. 20.25. (а) Первый генератор Tc-99m (около 1958 года) для отделения Tc-99 от Mo-99: ион MoO4^{2-} удерживается в колонке, а ион TcO4^{-} проходит сквозь неё и собирается в приёмнике. (б) Скан шеи пациента с базедовой болезнью, выполненный с помощью Tc-99; видны участки повышенного накопления Tc-99.$

Рис. 20.25. (а) Первый генератор Tc-99m (около $1958$ года) использовался для отделения Tc-99 от Mo-99: ион $\ce{MoO4^{2-}}$ удерживается матрицей в колонке, тогда как ион $\ce{TcO4^{-}}$ проходит через колонку и собирается. (б) С помощью Tc-99 выполнен этот скан шеи пациента с базедовой болезнью: видны области повышенного содержания Tc-99. (Снимок а: модификация работы Министерства энергетики США; снимок б: модификация работы пользователя «MBq»/Wikimedia Commons.)

Радиоизотопы можно использовать — обычно в более высоких дозах, чем при работе в качестве трейсера, — и как средство лечения. Лучевая терапия (radiation therapy) — это применение высокоэнергетического излучения для повреждения ДНК раковых клеток, что приводит их к гибели или препятствует их делению (рис. 20.26). Онкологический пациент может проходить дистанционную лучевую терапию (external beam radiation therapy), при которой излучение подаётся аппаратом, расположенным вне тела, или внутреннюю лучевую терапию (брахитерапию) (internal radiation therapy, brachytherapy) — от радиоактивного вещества, введённого внутрь тела. Заметим, что химиотерапия (chemotherapy) похожа на внутреннюю лучевую терапию тем, что препарат для лечения опухоли вводится в организм; отличие в том, что в химиотерапии раковые клетки уничтожаются химическими, а не радиоактивными веществами.

Рис. 20.26. Схема установки с кобальтом-60 для лечения рака: (а) общий вид аппарата с кушеткой для пациента и поворотным гентри; (б) как гентри Co-60-аппарата движется по дуге, фокусируя излучение на области опухоли и сводя к минимуму облучение соседних тканей.

Рис. 20.26. На рисунке (а) показана установка с кобальтом-60, применяемая для лечения рака. Схема (б) показывает, как гентри установки с Co-60 движется по дуге, фокусируя излучение на целевой области (опухоли) и сводя к минимуму количество излучения, проходящего через окружающие ткани.

Кобальт-60 — это синтетический радиоизотоп, получаемый нейтронной активацией Co-59; затем он претерпевает $\beta$-распад в Ni-60 с одновременным испусканием $\gamma$-излучения. Полный процесс таков:

\[ \ce{^{59}_{27}Co + ^{1}_{0}n -> ^{60}_{27}Co -> ^{60}_{28}Ni + ^{0}_{-1}\beta + 2\, ^{0}_{0}\gamma} \]

Общая схема распада представлена на рис. 20.27.

Рис. 20.27. Схема последовательных распадов Co-60: уровень 60/27Co (период полураспада 5,272 года) переходит в Ni-60 двумя ветвями — основной (β с энергией 0,31 МэВ, 99,88 %) и побочной (β с энергией 1,48 МэВ, 0,12 %); образовавшееся ядро испускает два γ-кванта с энергиями 1,1732 МэВ и 1,3325 МэВ.

Рис. 20.27. Co-60 претерпевает серию радиоактивных распадов. Испускаемое $\gamma$-излучение используется в лучевой терапии.

Радиоизотопы используют самыми разными способами для изучения механизмов химических реакций в растениях и животных. Сюда относятся: введение радиоактивной метки в удобрения при изучении поглощения питательных веществ растениями и их роста, исследования пищеварения и молокообразования у коров, а также исследования роста и обмена веществ у животных и растений.

Например, с помощью радиоизотопа C-14 выяснены детали того, как протекает фотосинтез. Полная реакция:

\[ \ce{6CO2(g) + 6H2O(l) -> C6H12O6(s) + 6O2(g)}, \]

однако сам процесс гораздо сложнее: он идёт через серию стадий, на которых образуются различные органические соединения. При изучении пути этой реакции растения подвергались действию $\ce{CO2}$ с высоким содержанием $\ce{^{14}C}$. Через равные промежутки времени растения анализировали, чтобы определить, какие органические соединения содержали углерод-14 и в каком количестве. По последовательности появления этих соединений во времени и по их количеству на разных временных интервалах учёные смогли подробнее изучить путь реакции.

Промышленные применения радиоактивных материалов столь же разнообразны (рис. 20.28). Среди них — определение толщины плёнок и тонких металлических листов с использованием проникающей способности различных видов излучения. Дефекты в металлах, используемых в несущих конструкциях, могут быть обнаружены с помощью высокоэнергетического $\gamma$-излучения кобальта-60 — аналогично тому, как рентгеновские лучи применяют для исследования тела человека. Один из методов борьбы с вредителями — стерилизация самцов мух $\gamma$-излучением: спарившиеся с ними самки не дают потомства. Многие пищевые продукты сохраняют с помощью излучения, убивающего микроорганизмы, вызывающие порчу.

Рис. 20.28. Типичные промышленные применения излучения: (а) рентгеновский досмотр багажа в аэропорту; (б) консервация продуктов питания (на снимке — конвейер с обрабатываемыми ягодами).

Рис. 20.28. Типичные промышленные применения излучения включают (а) рентгеновский досмотр багажа в аэропорту и (б) консервацию пищевых продуктов. (Снимок а: модификация работы Министерства военно-морского флота США; снимок б: модификация работы Министерства сельского хозяйства США.)

Америций-241, $\alpha$-излучатель с периодом полураспада $458$ лет, используется в очень малых количествах в дымовых извещателях ионизационного типа (рис. 20.29). $\alpha$-излучение Am-241 ионизирует воздух между двумя электродными пластинами в ионизационной камере. Батарея создаёт между пластинами разность потенциалов, под действием которой ионы движутся, создавая слабый электрический ток. При попадании дыма в камеру движение ионов затрудняется, и проводимость воздуха снижается. Это приводит к заметному падению тока, что и вызывает срабатывание сигнализации.

Рис. 20.29. Внутри дымового извещателя Am-241 испускает $\alpha$-частицы, ионизирующие воздух и создающие слабый электрический ток. Во время пожара частицы дыма затрудняют движение ионов, ток уменьшается, и срабатывает сигнализация. (Снимок а: модификация работы пользователя «Muffet»/Wikimedia Commons.)