Радиоактивные изотопы и соединения

Радиоактивные изотопы и соединения, меченные радиоактивными изотопами, широко применяются в самых разных областях человеческой деятельности. Промышленность и технологический контроль, сельское хозяйство и медицина, средства связи и научные исследования — охватить весь спектр применения радиоактивных изотопов практически невозможно, хотя все они возникли чуть более, чем за 100 лет. Представленный ниже материал посвящён использованию радиоактивных изотопов в различных молекулярно-биологических исследованиях и является учебно-методическим пособием, а не строгой научной публикацией. К сожалению, значительная часть начинающих молодых ученых, работающих в области life science, представляет себе специфику работ с радиоактивными веществами поверхностно и фрагментарно. Это неудивительно, так как в России образование на медицинских и биологических факультетах не дает ни основных теоретических представлений о радиоактивности, ни практических навыков в этой области. У химиков ситуация лучше, потому что некоторые основные понятия о природе радиоактивности входят в учебную программу.
Хотя представленный материал рассчитан на малоподготовленного читателя, надеюсь, что он может оказаться полезным и для профессионалов.

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:

Nt = N0e-λt

где:
      Nt — 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 и "волшебные" 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. Вы можете 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 вашем препарате надо с учетом этого факта, пользуясь либо вышеприведенной формулой, либо соответствующими таблицами распада (что обычно и делают на практике).

3.                        Представьте себе, что в формуле радиоактивного распада Nt = 1/2 N0 , т.е. распалась ровно половина радиоактивных атомов, содержащихся в препарате. Время этого процесса — константа Т1\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. Ниже об этом будет сказано подробнее.

2. Детекция и количественные измерения радионуклидов

Детектирование радиоактивного распада основано на его различных физических свойствах:

5.                        способность взаимодействовать с кристаллами бромистого серебра, засвечивая светочувствительные материалы, — авторадиография,

6.                        способность вызывать "свечение" при столкновении продуктов распада с некоторыми веществами — сцинтилляция,

7.                        способность ионизировать молекулы окружающей среды продуктами радиоактивного распада — ионизация,

8.                        способность вызывать дефекты в кристаллических решетках,

9.                        способность осуществлять (или катализировать) некоторые химические реакции.

Все эти способности были задействованы при создании различных измерительных приборов и индикаторов различного назначения. Однако, для измерения активности, т.е. количества ядерных превращений в единицу времени, наиболее широкое распространение получили приборы, основанные на использовании сцинтилляции или ионизации. При этом в life science используют, как правило, сцинтилляционные приборы и авторадиографию, а для физических, инженерных и медицинских работ — приборы, измеряющие ионизацию среды. Впрочем, такое разделение весьма условно, так как разнообразных приборов и средств измерений было создано за 100 лет очень много.

Следует особо выделить приборы для измерения ионизирующей способности излучения. Это важнейшая составляющая контроля за облучением персонала, работающего с источниками ионизирующего излучения (в том числе и с радиоактивными веществами). Контроль за радиационной обстановкой осуществляется по особым правилам, и краткая информация о нормах радиационной опасности и единицах, в которых эти нормы установлены. Пока следует подчеркнуть, что активность радиоактивного препарата и радиационная обстановка возле этого препарата — это совершенно разные характеристики, например, как масса вещества и его твердость. Единицы активности (Бк или Ки) говорят о количестве ядерных превращений в единицу времени. Наиболее популярная единица экспозиционной дозы для γ- (рентгеновского) излучения — рентген (Р) — говорит о величине потока ионизирующего излучения (потока энергии), проходящего через слой сухого воздуха и вызывающего ионизацию определенного числа молекул воздуха. Поэтому никакой прямой связи между этими величинами нет. Большая часть радионуклидов, которые используются в life science (об этом ниже), вообще никак не может быть охарактеризована термином экспозиционная доза, который введен для γ- (рентгеновского) излучения.

2.1. Авторадиография

Это исторически самый первый и, по-прежнему, весьма популярный метод детекции различных радионуклидов. Главное преимущество авторадиографии — простота и доступность. Выдержите (проэкспонируйте) образец с рентгеновской пленкой, затем проявите пленку в стандартных условиях — и получите картину распределения радионуклида по поверхности образца: геля, тонкослойной хроматограммы и т.д.

Если полученная "картинка" вас не устраивает — можно повторить экспозицию с новой пленкой, увеличивая (или уменьшая) время по своему желанию. Обычно время экспозиции меняют в 2÷3 раза, так как изменение времени экспозиции на 20÷30% существенных изменений в картину не вносит.

Весь сиквенс ДНК и РНК с радиоактивным фосфором использовал исключительно авторадиографию. Флюоресцентная метка практически полностью вытеснила радиоактивные изотопы из секвенирования, однако авторадиография остается широко применяемым методом детекции.

Главный недостаток авторадиографии — сложности с количественной оценкой. При визуальном определении даже интуитивно ясно, что интенсивность "почернения" пленки пропорциональна количеству радиоактивных атомов в этом месте. Но вопрос об этой "пропорциональности" нуждается в пояснении. Существует несколько типов сканеров, позволяющих довольно точно определять интенсивность "зачернения" пленки и, следовательно, сравнивать пятна инструментально, а не "на глаз". Оказалось, что диапазон активности препарата, в котором интенсивность "зачернения" пленки прямо пропорциональна количеству радиоактивных атомов, очень невелик и зависит от времени экспозиции образца с пленкой, типа пленки, природы радионуклида (тип распада и энергия излучения) и даже от режима обработки пленки. Например, для фосфора-32 за ночь экспозиции линейная зависимость "зачернения" пленки от активности образца находится в диапазоне 0,5÷25 Бк на мм2 (примерно 30÷1500 имп/мин). Дальнейшее увеличение активности образца, например, до 100 Бк на мм2 не приводит к большей интенсивности "зачернения" — всё уже "зашкалило".

Поэтому, простой совет для начинающих работать с количественной авторадиографией. Сделайте несколько калибровок — нанесите ряд пятен диаметром 1÷1,5 мм с активностью 1 · 3 · 10 · 30 · 100 · 300 Бк, проэкспонируйте их с рентгеновской пленкой различное время и после обработки пленки просканируйте её на своем приборе. Вы сразу определите диапазон, в котором ваши последующие количественные измерения радиоавтографов будут корректными. Для разных радионуклидов такой диапазон различается очень существенно, но учитывать его надо в любом случае.

Для увеличения чувствительности авторадиографии (точнее, для уменьшения времени экспозиции) можно воспользоваться усиливающими экранами. Это весьма эффективно для фосфора-32 или йода-125, однако практически бесполезно для мягких (слабоэнергетических) β-излучателей. Использование экрана для фосфора-32 позволяет снизить время экспозиции в 2÷3 раза, но за это приходится "платить" ухудшением разрешения, которое происходит за счет "размывания зон".

2.2. Сцинтилляционные счетчики

Эффект сцинтилляции для количественного определения радионуклидов начинали использовать еще во времена Резерфорда, который визуально считал сцинтилляционные вспышки под микроскопом. За сто лет принципиальных изменений не произошло. Рядом с источником излучения помещают сцинтиллятор и ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), который считает вспышки. Сцинтиллятор может быть твердым, а может быть и жидким (чаще, растворенным в жидкости). Во флакон (vial) с жидким сцинтиллятором добавляют тестируемый образец, и в этом случае можно эффективно измерять даже самое "слабое", низкоэнергетическое излучение.

При измерении активности (радиоактивности) любых образцов и для любых средств измерения необходимо помнить несколько простых, но важных правил:

10.                    Радиоактивный распад является классическим примером случайного, вероятностного природного процесса и, рассматривая измерение активности как регистрацию случайных событий, мы получаем математическую ошибку измерения активности:

n1/2/n x 100%

где n — число "событий" (в нашем случае распадов)

   Например, для 400 зарегистрированных импульсов на любом приборе независимо от времени измерения (наблюдения) 4001/2 / 400 х 100% = 5%, т.е. ошибка 5%. Это означает, что чем больше число измерений (собственно счет), тем меньше математическая ошибка измерения. Более того, вопреки устоявшейся традиции, для снижения математической ошибки измерения надо считать не число зарегистрированных прибором распадов (импульсов) за единицу времени, а время, необходимое для "накопления нужного" числа импульсов — например, 10000 имп. Тем не менее, во всем мире активность с помощью счетчиков измеряют как количество импульсов за единицу времени (обычно по 1 минуте).

11.                    Все счетчики имеют верхний предел измерения, после которого их точность падает, так как счетчик не успевает регистрировать — "захлебывается". Для сцинтилляционных счетчиков — это активность на уровне 106÷107 расп./мин. Некоторые типы счетчиков имеют встроенную блокировку и отказываются считать образцы, активность которых превышает установленную для данной модели. Оптимальная активность образца для точного измерения 104÷106 расп./мин.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5