mgr Katarzyna Dukat

ZASTOSOWANIE  RADIOIZOTOPÓW


Izotopy to atomy o takiej samej liczbie protonów w jądrze, lecz o różnej liczbie neutronów. Radioizotopy to izotopy, które ulegają rozpadowi promieniotwórczemu, w wyniku którego ilość substancji promieniotwórczej w czasie maleje. Dla każdego radionuklidu wielkością charakterystyczną jest okres półtrwania - czas po którym połowa atomów substancji promieniotwórczej ulega rozkładowi. Okresy te wahają się od nanosekund do trylionów lat. Przykładowo dla technetu-99 wynosi on 6 godzin, a dla węgla-14 wynosi 5730 lata.

Radioizotopy możemy podzielić na radioizotopy naturalne i radioizotopy otrzymane sztucznie.

                                       Zastosowanie radioizotopów naturalnych

      Dość wcześnie badacze pierwiastków promieniotwórczych zorientowali się, że pierwiastki radioaktywne nie są obojętne dla ludzkiego organizmu. Najwcześniej, w medycynie, do niszczenia komórek nowotworowych wykorzystywany był rad. W Polsce zaczęto go stosować od 1932 roku, kiedy Maria Skłodowska - Curie podarowała swej ojczyźnie 1g radu. Wówczas powstał w Warszawie Instytut Radowy znany obecnie jako Instytut Onkologii.

Minimalne ilości soli radu umieszcza się w uszczelnionych metalowych cienkich cylindrach zwanych igłami radowymi. Igły radowe umieszcza się w chorych tkankach i pozostawia na określony czas. Pod wpływem napromieniowania chore komórki nowotworowe ulegają zniszczeniu. Stosowane w onkologii aplikatory nie zawsze mają kształt igły, ich kształt jest rózny i zależny od typu schorzenia i miejsca jego lokalizacji. Obecnie rad w aplikatorach zastępowany jest radioizotopami otrzymanymi sztucznie jak np. cez-137.

W geologii w oparciu o radioizotopy zawarte w skałach określa się wiek tych skał. Do pomiaru wykorzystuje się bardzo długo żyjące naturalne substancje promieniotwórcze jak np. 238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb. Miernikiem upływu czasu jest zmierzona ilość produktu przemian jądrowych w minerale w stosunku do zawartości radionuklidu. Na tej zasadzie oparte są następujące metody oznaczania wieku skał: metoda ołowiowa, metoda helowa zwana również zegarem helowym, metoda strontowa, metoda argonowa, metoda renowo - osmowa oraz metoda samarowo - neodymowa. Metody te pozwalają na określenie wieku skał z dobrym wynikiem do około 3,5 mld. lat.

W archeologii radioizotop 14C stosuje się do określania wieku szczątków organicznych. Metoda C-14 oparta jest na założeniu, że C-14 wytworzony w górnych warstwach atmosfery, wraz z węglem niepromieniotwórczym ulega asymilacji przez rośliny w postaci dwutlenku węgla. Następnie wraz z pożywieniem dostaje się do organizmów zwierzęcych w tym i ludzkich. Równowaga jaka się ustala w procesach odżywiania i oddychania w danym środowisku, sprawia, że stężenie węgla w organizmach żywych jest stałe. W przypadku obumarcia organizmu C-14 przestaje być uzupełniany i z upływem czasu jego stężenie w szczątkach organicznych ulega zmniejszeniu na skutek rozpadu promieniótwórczego. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia C-14 w organiźmie oraz znanego okresu półtrwania węgla C-14 można określić wiek znalezisk archeologicznych pochodzenia organicznego. Metodę tę opracował amarykański chemik Willard Libby . Metoda ta ma pewne ograniczenia wynikające z faktu, że radioaktywny izotop praktycznie zanika po 10 okresach półtrwania. Skoro okres półtrwania dla C-14 wynosi 5730 lat to maksymalny wiek szczątków które mogą być datowane tą metodą wynosi ponad 50000lat. Dlatego wiek szczątków organicznych metodą węgla C-14 można określić tylko wówczas, gdy nie jest on większy od kilkudzesięciu tysięcy lat. Nie wiadomo czy w przyszłości będzie można nadal stosować tę metodę z takim powodzeniem jak obecnie. Do tej pory stężenie C-14 było takie same w atmosferze na całej Ziemi i nie ulegało na przestrzeni wieków zmianom. Zmianę tej sytuacji przyniósł wiek XX. Z jednej strony próby z bronią jądrową powodują wzrost stężenia izotopu C-14 . Z drugiej elektrownie pracujące na węglu kamiennym i silniki spalinowe spalające pochodne ropy naftowej dostarczają do atmosfery miliardy ton dwutlenku węgla wolnego od C-14, co powoduje stałe zmniejszanie się zawartości C-14. Brak C-14 w emitowanym dwutlenku węgla wynika z jego braku w spalanych kopalinach, który liczą miliardy lat, a więc wszystkie atomy węgla C-14, które znajdowały się w nich uległy już rozpadowi promieniotwórczemu.

Wykorzystując izotopy promieniotwórcze można również określić wiek wody odciętej od możliwości wymiany z innymi zbiornikami wód oraz z parą wodną atmosfery. Gdy woda znajduje się w izolowanym zbiorniku, wówczas nie ma do niej dopływu trytu i ilość tego radioizotopu zaczyna maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego. Tak więc okres przechowywania wody w zamkniętym pojemniku można mierzyć w oparciu o ilość zawartego w niej trytu. Metoda ta ma zastosowanie do określania wieku wody maksymalnie do około 30 lat, ponieważ czas półtrwania dla trytu wynosi około 12 lat. Metoda trytowa opracowana podobnie jak metoda węgla C-14 przez Willarda Libby, znajduje zastosowanie m.in. do oznaczania wieku win. Tak samo jak metoda węgla C-14 również metoda trytowa w przyszłości może okazać się nieskuteczna. Próby nuklearne oraz reaktory jądrowe są przyczyną wzrostu ilości trytu w atmosferze, co znacznie utrudnia interpretację wyników.

Zastosowanie radioizotopów otrzymanych sztucznie

     Bardzo szerokie zastosowanie mają sztucznie otrzymane izotopy promieniotwórcze w medycynie nuklearnej, zarówno w radiodiagnostyce, jak i w radioterapii. Do takich celów stosuje się radionuklidy wyprodukowane w reaktorach lub w akceleratorach. Często metody diagnostyczne jak i lecznicze oparte są na wprowadzeniu do organizmu pacjenta substancji promieniotwórczej.  Aby radioizotop mógł być wprowadzony do organizmu człowieka musi spełnić szereg wymogów:

·        powinien łatwo wbudowywać się w badany lub leczony organ w miejsce nieradioaktywnych nuklidów i mieć zbliżone do nich właściwości chemiczne,

·        promieniowanie emitowane przez radioizotop powinno być jak najmniej szkodliwe dla organizmu oraz łatwe do detekcji,

·        czas półtrwania powinien być na tyle długi by umożliwić przetransportowanie nuklidu do sali zabiegowej, podanie izotopu pacjentowi i zarejestrowanie rozkładu aktywności w tkance a na tyle krótki, aby w miarę szybko po zabiegu uległ rozkładowi na niepromieniotwórcze nietoksyczne nuklidy,

·        powinien łatwo ulegać utylizacji.

Niżej przedstawione radioizotopy, spełniające te wymogi,  są stosowane w radiodiagnostyce.

Technet-99 ma zastosowanie w scyntygrafii mózgu, wątroby, nerek, tarczycy. Scyntygrafia polega na wprowadzeniu do organizmu odpowiedniego związku znakowanego technetem, następnie rejestrowaniu sygnałów pochodzących z chorych tkanek, które wychwyciły ten pierwiastek. Różne tkanki mają różną zdolność wychwytu związków znakowanych technetem (wolny technet nie akumuluje się w organiźmie). Chore miejsca tkanki,  np. nowotwory, znacznie intensywniej wychwytują podany kompleks niż zdrowe. Lekarz na podstawie scyntygramu - mapy rozkładu całkowitej aktywności promieniotwórczego izotopu w chorym narządzie - może postawić diagnozę.

Potas-42 i 43, cez-129 są stosowane głównie do badania serca i dużych naczyń krwionośnych.

Wykorzystuje się tu zależność, że ilość pierwiastka gromadzona w mięśniu sercowym jest proporcjonalna do ilości krążącej krwi. Za pomocą radioaktywnego potasu można także badać przepływ krwi przez mięśnie oraz diagnozować nowotwory mózgu.

Wapń-47 stosuje się do wczesnego wykrywania nowotworów kości - nawet na kilka miesięcy przed zmianami nowotworowymi, oraz do dokładnego określanie miejsca złamań kości.

Chrom-51, fosfor-32 i żelazo-59 wykorzystuje się do badań krwi. Po wstrzyknięciu dożylnie izotopu pacjentowi, znakowana krew rozprzestrzenia się po całym organiźmie i po kilku minutach ustala się rozłożenie jego aktywności w organiźmie. Żelazo-52 używa się do badań hematologicznych np. szpiku kostnego.

Ind-111 ma zastosowanie w badaniach układu krążenia, płynu mózgowo - rdzeniowego, płuc oraz układu limfatycznego.

Fluor-18 używa się w badaniach scyntygraficznych szkieletu oraz w lokalizacji nowotworów kości i stawów.

Jod-125, 131 i132 wykorzystuje się w diagnostyce  schorzeń tarczycy. Wykorzystuje się tu duże powinowactwo jodu do tarczycy, ponieważ gruczoł ten produkuje ona hormony w skład których wchodzi jod. Jod-131 i 125 mają również zastosowanie w badaniach czynnościowych nerek tzw. renografia oraz w badaniach funkcjonowania pęcherza moczowego tzw. renocystografia. Po wstrzyknięciu wskaźnika promieniotwórczego bada się aktywność izotopu promieniotwórczego w każdej nerce i w pęcherzu oddzielnie, a także szybkość wydalania wskaźnika z organizmu.

Radioizotopy stosowane w radioterapii:

Jod-131 stosuje się w również w leczeniu schorzeń tarczycy. Częstym schorzeniem jest nadczynność tarczycy, gdy gruczoł ten produkuje zbyt dużą ilość hormonów. Można wówczas zastosować leczenie chirurgiczne polegające na wycięciu części tarczycy, dzięki czemu zmniejszony gruczoł będzie produkował odpowiednią ilość hormonu. Można jednak uniknąć zabiegu chirurgicznego podając choremu jod-131 o ściśle określonej aktywności. Jod wbudowuje się w tkanki gruczołu i bezboleśnie „wypala” część tarczycy .Po kilkudziesięciu dniach radioaktywny izotop zanika i wszystko wraca do normy. Podobne postępowanie stosuje się w leczeniu nowotworów tarczycy. Pochłaniają one jod znacznie intensywniej,  dzięki czemu to one są głównie niszczone.

Kobalt-60 wykorzystuje się do naświetlania komórek nowotworowych. Skuteczność tej metody spowodowana jest dużą wrażliwością komórek nowotworowych na promieniowanie jonizujące. Urządzenie służące do takiej terapii to bomba kabaltowa. Stosując bombę kobaltową, naświetla się chorą tkankę wiązką promieni pochodzącą ze źródła znajdującego się w pewnej odległości od naświetlanej tkanki. Obok kobaltu-60 do tego typu leczenia stosuje się również cez-137.

Stront-90, fosfor-32 i ruten-106 używa się w terapii z wykorzystaniem aplikatorów umieszczanych bezpośrednio w leczonym miejscu. Stront-90 i fosfor-32 mają zastosowanie w leczeniu chorób skóry, a stront-90 i ruten-106 w terapii nowotworów gałki ocznej.

Wiele izotopów promieniotwórczych znalazło zastosowenie w technice i w przemyśle. Są one wykorzystywane:

·      W urządzeniach do pomiaru grubości warstwy papieru, folii aluminiowej, walcowanej blachy stalowej itp., w miernikach grubości stosuje się promet-147, tal-204 i stront-90.

·      Do diagnozowania stanu technicznego i wykrywania wad materiałowych w urządzeniach przemysłowych, w miejscach niedostępnych dla człowieka np. w rurach. W badaniach tego typu wykorzystuje się metodę radiograficzną opartą na izotopach takich jak: cez-137,kobalt-60 i iryd-192.

·      Do oznaczania stopnia zużycia narzędzi i części w maszynach, nieszczelności rurociągów, stanu gruntów i wód powierzchniowych matodą znakowania radionuklidami.

·      W czujnikach dymów, montowanych w urządzeniach alarmujących o zagrożeniu pożarowym umieszcza się ameryk-241, pluton-238 lub rad-226. Cząstki   emitowane przez te izotopy jonizują powietrze znajdujące się w otwartej komorze jonizacyjnej, co powoduje przepływ prądu o stałym natężeniu. Działanie czujników jest oparte na zmianie natężenia prądu po dostaniu się do komory jonizacyjnej cząstek dymu, a zmiany te są rejestrowane przez układ elektryczny uruchamiający sygnalizację.

·      W miniaturowych źródłach energii, w których energia uzyskiwana  podczas rozpadu promieniotwórczego jest zamieniana na energię elektryczną. Baterie takie są montowane np. w rozrusznikach serca, w których najczęściej jest stosowany pluton-238. Podobne źrodła energii zostały zainstalowane w urządzeniach do badania powierzchni Księżyca, w których wykorzystano kiur-242.

·      Do radiosterylizacji i radiopasteryzacji stosowanej w przemyśle spożywczym. Produkty spożywcze poddawane są naświetlaniu o dużej intensywności, w wyniku którego ulegają całkowicie wyjałowieniu. Naświetlanie produktów spożywczych przeprowadza się niekiedy w celu zniszczenia owadów - pasożytów. Rodzaj i energia promieniowania stosowanego przy takich naświetlaniach są tak dobrane, że nie powodują w żywności żadnych procesów jądrowych.

·        W wykrywaniu małych śladowych ilości różnych pierwiastków analizą aktywacyjną, polegającą na wzbudzeniu aktywności promieniotwórczej izotopów wchodzących w skład badanej substancji. Czułość tej metody jest znacznie wyższa niż czułość klasycznych metod analitycznych. Jest ona często stosowana w kryminalistyce. Tą metodą można, na przykład, wykryć do 10-10g arsenu we włosach lub w płynach ustrojowych, co pozwala stwierdzić czy ofiara została otruta arszenikiem. Oznaczając śladowe ilości antymonu , składnika spłonki naboju, można określić  z jakie odległości został oddany strzał.

Izotopy promieniotwórcze mają również szerokie zastosowanie w nauce, szczególnie w chemii i w biologii.

Działy chemii badające zjawisko promieniotwórczości to:

·        Radiochemia zajmująca się - między innymi - metodami badań z zastosowaniem izotopów pierwiastków promieniotwórczych do znakowania różnych związków, otrzymywaniem oraz badaniem właściwości chemicznych i fizycznych promieniotwórczych nuklidów, syntezami radiochemicznymi i radiochemicznymi metodami analitycznymi.

·        Chemia radiacyjna zajmująca się procesami zachodzącymi w materii pod wpływem promieniowania jonizującego i ich efektami chemicznymi.

·        Chemia jądrowa obejmująca zagadnienia wchodzące w skład radiochemii i chemii radiacyjnej, a ponadto zajmująca się właściwościami trwałych izotopów oraz ich zastosowaniem.

Obok trzech wymienionych działów radionuklidy znajdują zastosowanie w prawie wszystkich działach chemii, gdzie ich wykorzystanie usprawnia metody badawcze, ułatwia pomiary oraz umożliwia śledzenie procesów, które nie mogą być obserwowane innymi metodami. Znaczenie metod izotopowych polega na wysokiej wykrywalności promieniowania emitowanego przez radionuklidy oraz możliwości znakowania nimi badanych obiektów.

Te same czynniki decydują o szerokim zastosowaniu izotopów promieniotwórczych w biologii. Dzięki stosowaniu  metody znakowania wykrywa się, bada i kontroluje procesy zachodzące w żywym organiźmie. Wprowadza się do organizmu określony związek znakowany radionuklidem i śledzi jego losy poprzez pobieranie w odpowiednim czasie i punkcie płynów organizmu lub wykonanie radiogramu. Najczęściej stosowanymi w tym celu nuklidami są  3H, 14C, 32P oraz 35S. Atomy promieniotwórcze w znaczym stopniu ułatwiają lokalizację wprowadzonej substancji oraz określenie dróg jej wędrówki w organiźmie. Dzięki takiej metodzie między innymi, zbadano proces asymilacji dwutlenku węgla i wydzielania tlenu przez rośliny zielone. Biologia zajmuje się również badaniem działania radionuklidów oraz wysyłanego przez nie promieniowania jądrowego na organizmy żywe i ich najprostsze elementy jakimi  są komórki.

W pracy przedstawiono wybrane zastosowania izotopów promieniotwórczych, służących człowiekowi, wykorzystywanych w różnych dziedzinach nauki i techniki oraz w przemyśle.


    Literatura

Czerwiński A., Blaski i cienie promieniotwórczości, Warszawa 1995, WSiP.
Czerwiński A., Energia jądrowa i promieniotwórczość, Warszawa 1998, Oficyna Wyd. Krzysztof Pazdro.
Kusch W., Co o promieniotwórczości wiedzieć powinniśmy, Warszawa 1999, Dom Wydawniczy Bellona