Метод радиоактивных индикаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Тюменский государственный университет

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра органической и экологической химии

Реферат по теме:

Метод радиоактивных индикаторов

Автор: Мякишев Андрей

Преподаватель: Метелёва Г.П.

Тюмень 2011

Введение

Изотопные индикаторы:

Бурное развитие химической науки потребовало в наши дни привлечения новых и чрезвычайно эффективных методов исследования. Метод меченых атомов, или в частном случае метод радиоактивных индикаторов, прочно вошел в практику химических исследований.

Цель моего реферата: ознакомится с понятием «изотопного индикатора» и методом применения его в химии.

Изотопные индикаторы - вещества, имеющие в своем составе химический элемент с изотопным составом, отличающимся от природного. Часто изотопными индикаторами называют сами изотопы-метки, добавляемые в вещество, содержащее природную смесь изотопов данного элемента. Так как поведение изотопов одного элемента в физико-химических процессах практически совпадает, использование изотопных индикаторов позволяет по регистрации изотопа-метки исследовать самодиффузию и миграцию меченого вещества, определять ничтожно малые количества вещества, изучать механизмы химических реакций и биологических процессов. Различают стабильные и радиоактивные изотопные индикаторы в зависимости от того, стабильный или радиоактивный изотоп добавляют в вещество в качестве метки.

В стабильных изотопных индикаторах в качестве метки могут быть использованы изотопы только тех элементов, которые в природе представлены смесями стабильных изотопов. У целого же ряда элементов (В, F, Na, Al, P, I) имеется только один стабильный нуклид, поэтому стабильных изотопных индикаторов, меченных по этим элементам, нет. Кроме того, для применения стабильного изотопа в качестве метки его относительное содержание в пририродной смеси изотопов данного элемента должно быть невелико. Радиоактивные изотопные индикаторы более универсальны: радионуклиды, которые можно использовать как метки, имеются у подавляющего большинства элементов. При этом существует возможность выбора радионуклида-метки среди нескольких радионуклидов, различающихся типом и энергией радиоактивного превращения и периодом полураспада T_1/2. Присутствие радиоактивных изотопных индикаторов в среде устанавливают с помощью радиометрической аппаратуры, детектируя ионизирующее излучение, испускаемое радионуклидом.

Это определяет широкое применение радиоактивных изотопных индикаторов в химии, физике, биологии, медицине и других областях. Большинство используемых радионуклидов- искусственные, получаемые при ядерных реакциях как продукты деления, при проведении активации анализа, радиоактивном распаде долгоживущего "материнского" нуклида.

1. История развития метода радиоактивных индикаторов

В первой четверти XX века было установлено, что атомы, занимающие одну и ту же клетку Периодической системы элементов, могут различаться по таким важным характеристикам, как масса и радиоактивные свойства входящих в их состав ядер. Явление существования разных видов атомов одного и того же элемента получило название изотопии. Сначала в природе были обнаружены изотопы некоторых тяжелых природных элементов (свинца, тория, урана). Так, оказалось, что у свинца кроме четырех природных стабильных изотопов с массовыми числами 204, 206, 207 и 208 в природе в ничтожных количествах имеются и радиоактивные изотопы этого элемента (его радионуклиды): свинец-212, свинец-210 и др.

Так как химическое поведение стабильных и радиоактивных нуклидов одного элемента идентично, а о присутствии радиоактивных атомов можно судить по испускаемому этими атомами в момент распада ядер излучению, оказывается возможным надежно зафиксировать наличие ничтожно малых количеств таких атомов. Поэтому возникла идея применения радиоактивных атомов как меток для изучения различных химических процессов. Используемые при этом радиоактивные атомы служат меткой, индикатором, и поэтому применение радиоактивных индикаторов в химии получило название метода радиоактивных индикаторов. Одним из пионеров использования радиоактивных индикаторов в химии был российский ученый Вл.И. Спицын, который еще в 1917 году использовал при изучении растворимости в воде малорастворимых соединений тория в качестве радиоактивных меток сравнительно короткоживущие радионуклиды тория, выделенные из урановых руд.

Широкое применение радиоактивных индикаторов в химии началось после того, как в результате работ французских исследователей Ф. Жолио и И. Кюри была доказана возможность искусственного получения не встречающихся в природе радиоактивных атомов "обычных", стабильных элементов. Эти ученые в 1934 году за счет взаимодействия ядер алюминия с ядрами гелия (то есть за счет ядерной реакции), получили радиоактивные атомы широко распространенного в природе стабильного элемента фосфора. Вскоре были разработаны и другие способы искусственного приготовления радиоактивных атомов-меток многих стабильных элементов.

Особенно эффективным оказалось введение радионуклидных меток за счет облучения стабильных атомов потоком нейтронов. При этом ядро стабильного элемента поглощает нейтрон, испускает g-квант и превращается в радиоактивное ядро того же элемента, но имеющее на единицу большее массовое число, чем исходное ядро.

Для регистрации ионизирующего излучения радиоактивных атомов физики разработали чрезвычайно чувствительную радиометрическую аппаратуру, которая позволяет фиксировать излучение буквально считанного числа радиоактивных атомов.

Важно еще и то, что введение небольшого числа радиоактивных атомов в систему не приводит к каким-либо ее изменениям, при соблюдении элементарных требований техники безопасности полностью безопасно и сравнительно дешево (если учесть стоимость аппаратуры, необходимой для многих других современных методов исследования, например аппаратуры для рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса).

В настоящее время радиоактивные атомы, удобные для проведения различных исследований (то есть радиоактивные атомы, характеризующиеся сравнительно большими периодами полураспада Т1/2 и обладающие излучением, которое удобно регистрировать на радиометрической аппаратуре), получены для подавляющего большинства элементов Периодической системы (кроме десяти легких, к числу которых относятся Li, B, N, O, F и некоторые другие).

Однако следует иметь в виду, что в физико-химическом поведении атомов разных изотопов одного элемента существуют и некоторые различия (так называемые изотопные эффекты). Эти эффекты связаны с различиями масс радиоактивных и стабильных атомов изотопов одного и того же элемента. Существенны изотопные эффекты для легких элементов. Так, в случае водорода различие масс атомов стабильного протия 1Н и радиоактивного трития Т (3Н) достигает 300%. Поэтому, например, в поведении молекул воды, содержащих два атома или протия (1Н1НО), или трития (Т2О), наблюдаются определенные различия как химических, так и физических свойств. Правда, в этом случае масса одной молекулы больше массы другой молекулы примерно на 20%. А для элементов с атомными номерами, большими 15-20, относительные различия в массах радиоактивных и стабильных атомов одного и того же элемента малы (не больше нескольких процентов), и обусловленные этими различиями изотопные эффекты незначительны.

Поэтому вполне оправданно пренебречь ими и принять, что физико-химическое поведение радиоактивных атомов в большинстве случаев точно такое же, как и стабильных.

По этим причинам радиоактивные индикаторы с середины XX века широко вошли в практику физико-химического эксперимента. Это в равной степени относится почти ко всем областям химии - неорганической, органической, аналитической, биохимии, физической химии.

2. Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии

Использование радионуклидов в аналитической химии очень разнообразно. Так, широкое практическое применение имеет метод количественного анализа, основанный на том, что в различных химических процессах удельная радиоактивность определяемого вещества, в котором равномерно распределен радионуклид, остается постоянной как для всего образца, так и для любой его части (обычно используют термин "активность" вместо "радиоактивность"). Оригинально использование радиоактивных индикаторов в так называемом методе изотопного разбавления. Он используется тогда, когда нужно определить содержание какой-либо аминокислоты в смеси сходных по свойствам аминокислот, причем химическими методами выполнить полное (количественное) разделение аминокислот нельзя, но есть способ, позволяющий выделить из смеси в чистом виде небольшую долю этой аминокислоты (например, с помощью хроматографии). Сходная проблема возникает при определении содержания какого-либо лантаноида в смеси лантаноидов и при определении того, в каких именно химических формах содержится тот или иной элемент в природе, например в речной или морской воде.

На использовании радиоактивных атомов основан и такой универсальный чрезвычайно чувствительный метод аналитической химии, как активационный анализ. При выполнении активационного анализа необходимо с помощью подходящей ядерной реакции активировать атомы определяемого элемента в пробе, то есть сделать их радиоактивными. Чаще всего активационный анализ выполняют с использованием нейтронного источника.

Метод активационного анализа хорош не только высокой чувствительностью. Так как излучение образующихся при активации радионуклидов различается по виду и энергии, при использовании спектрометрической радиометрической аппаратуры оказывается возможным определять в пробе после ее активации одновременно до 10-15 элементов.

И еще одно важное достоинство активационного анализа: часто образующиеся в результате активации нейтронами радионуклиды довольно быстро распадаются, так, что спустя некоторое время анализируемый объект оказывается нерадиоактивным. Таким образом, во многих случаях активационный анализ - это анализ, не связанный с разрушением анализируемого объекта. Это особенно важно, когда речь идет об определении состава археологических находок, метеоритов и других уникальных образцов. Именно таким образом, например, было найдено избыточное содержание ядовитого мышьяка в волосах Наполеона (сохранившихся в медальоне до наших дней). То обстоятельство, что энергия g-квантов, испускаемых радионуклидом, строго индивидуальна, позволяет осуществить экспрессный качественный анализ многих объектов. Например, с автоматической станцией на поверхность Луны был доставлен прибор, который фиксировал g-излучение от окружающих прибор лунных пород. Далее информация об этом излучении передавалась на Землю, и оказалось возможным выяснить, какие именно радионуклиды присутствуют на поверхности спутника Земли. Так как некоторые природные элементы содержат g-радиоактивные нуклиды, по этим измерениям были сделаны выводы о качественном составе Луны.

3. Применение радиоактивных индикаторов в физической химии

Среди многочисленных примеров использования радиоактивных индикаторов при изучении термодинамики (определение давлений насыщенных паров, парциальных давлений паров компонентов различных смесей), кинетики (выяснение скоростей превращений и их механизмов) и электрохимии можно выделить следующие, позволяющие проиллюстрировать возможности метода в физической химии.

Радионуклиды используют для определения такой важной кинетической характеристики, как коэффициент диффузии или самодиффузии атомов, ионов, молекул в твердых телах, растворах или расплавах. Правда, охарактеризовать способность диффундировать атомы, ионы или молекулы среди других атомов, ионов или молекул можно и без радиоактивных меток, хотя экспериментально это довольно сложно, так как при этом речь идет об определении чрезвычайно малых количеств диффундирующего вещества. Но получить информацию о миграции указанных микрочастиц в среде собственного вещества, то есть определить коэффициент самодиффузии, без использования радионуклидов совершенно невозможно.

На использовании меченных радионуклидами соединений основан кинетический изотопный метод, предложенный М.Б. Нейманом. Этот метод позволяет установить, какие именно промежуточные вещества образуются в данной химической реакции, и какова скорость их образования и расходования.

Пусть, например, высказана гипотеза, что при фотосинтезе на промежуточной стадии образуется и тут же расходуется муравьиная кислота. Для того чтобы проверить, правильна ли эта гипотеза или нет, зеленые водоросли помещают в водный раствор, в который добавлено микро- количество муравьиной кислоты, меченной радионуклидом 14C с известной удельной активностью Iуд. о (с известным значением отношения радиоактивности кислоты к ее массе). В течение некоторого времени дают возможность протекать фотосинтезу, а затем выделяют из раствора порцию кислоты и находят ее удельную радиоактивность Iуд. Если это значение оказывается равно Iуд., то это означает, гипотеза неверна и муравьиная кислота не выступает как промежуточный продукт в процессе фотосинтеза.

Если бы оказалось, что:

То можно было сделать вывод, что эта кислота выступает как промежуточный продукт превращения. По скорости изменения Iуд с течением времени можно найти скорость образования и расходования кислоты.

Другой советский исследователь - С.З. Рогинский предложил дифференциальный изотопный метод изучения энергетики поверхности твердого тела. Сущность метода можно пояснить на таком примере. Пусть имеется порошок, необходимо выяснить, однородна или нет его поверхность (то есть различается или нет энергия адсорбции атомов или молекул газасорбата на разных микро-участках поверхности данного порошка). С этой целью используют газ ксенон, меченный и немеченый радионуклидом 133Xe. Сначала на поверхности порошка, помещенного в сосуд, из которого удален воздух, сорбируют небольшую порцию немеченого ксенона, а затем порцию этого газа, меченного радионуклидом, с известной удельной радиоактивностью Iуд. Далее порошок немного нагревают, при этом ксенон десорбируется с поверхности. Измеряют удельную радиоактивность Iуд первой порции десорбированного ксенона. Если оказывается, что:

То можно заключить, что поверхность порошка энергетически неоднородна: атомы ксенона, сорбированные из второй порции на местах с более низкой энергией сорбции, первыми и десорбируются с поверхности. В противном случае удельная радиоактивность десорбированного ксенона Iуд будет меньше, чем удельная радиоактивность ксенона Iуд. о , сорбированного из второй порции: десорбция с однородной поверхности как нерадиоактивного, так и радиоактивного ксенона протекает с равной вероятностью.

4. Применение радиоактивных индикаторов в органической химии и биохимии

С использованием таких радиоактивных меток, как тритий, углерод-14, сера-35, фосфор-32 и некоторых других исследовано огромное число органических реакций и биохимических процессов.

Классическим примером таких исследований может служить определение того, где происходит разрыв углеродной цепочки пропионовой кислоты при ее окислении перманганатом в щелочной среде и образуется ли возникающий при этом карбонат-ион из группы СОО- или за счет окисления какого-либо другого атома С.

Для ответа на данный вопрос использовали пропионовую кислоту, меченную 14С в карбоксиле. Образующийся в результате окисления оксалат-ион осадили в виде оксалата кальция, а карбонат-ион - в виде карбоната бария. Измерения радиоактивности полученных образцов показали, что около 30% исходной радиоактивности оказывается в составе ВаСО3 , а около 70% - в составе СаС2О4 . На этом основании можно заключить, что отношение вероятностей разрыва связей СН2-СОО и СН3-СН2 в пропионатионе при его окислении в щелочной среде равно 3/7.

Аналогичным образом можно установить, что при окислении пропионовой кислоты дихроматом калия в кислой среде разрыв связей в углеродной цепочки происходит только между СООН и СН2 . Если использовать для такого эксперимента пропионовую кислоту, меченную 14С в карбоксиле, то вся радиоактивность после окисления переходит в СО2 (который далее количественно улавливают раствором Ва(ОН)2 и радиоактивность полученного ВаСО3 измеряют):

По результатам наблюдений за перемещением радиоактивных меток при органических превращениях были установлены механизмы многих реакций. Применение метода радиоактивных индикаторов позволило лучше понять процессы, протекающие в растениях и организмах животных.

Например, применение Na214СО3 , меченного радионуклидом 14С, позволило установить, что растения усваивают не только газообразный СО2 , но и растворенные карбонаты, содержащиеся в почве.

Кроме того, выяснено, что корневая система растений может также поглощать из почвы углерод в составе сложных органических соединений, входящих в состав почвенного гумуса. Сходная картина наблюдается и при усвоении растениями фосфора из почвы. До опытов с использованием в качестве метки радионуклида 32Р считали, что растения усваивают из почвы фосфор только в виде фосфат-ионов, а далее в самом растении фосфор преобразуется в сложные органические вещества. Но опыты с почвой, содержащей меченные по фосфору-32 нуклеиновые кислоты, показали, что корни растений способны усваивать и уже готовый фосфорсодержащий строительный материал для построения своих клеток.

До внедрения в исследовательскую практику радиоактивных индикаторов считали, что ткани живого организма обновляются через сравнительно большой промежуток времени, измеряемый годами. В действительности оказалось, что в теле теплокровного животного обмен (замена старых на новые) всех жиров происходит не более чем за две недели, а обмен 50% белков печени обезьяны проистекает также за две недели.

Интересны результаты опытов, выполненных с радионуклидами железа 55Fe и 59Fe. Известно, что железо входит в состав гемоглобина крови. Если подопытному животному, обладающему нормальной жизнедеятельностью, вводить с пищей соединения железа, меченные радионуклидом 59Fe, то железо в кровь практически не поступает. Если же содержание гемоглобина в крови животного снижено тем или иным образом, то сначала усвоения меченого железа тоже не наблюдается. Когда же концентрация гемоглобина в крови достигает нормы, наблюдается усиленная ассимиляция (усвоение) железа. Оказалось, что поступающее железо откладывается в организме про запас в виде сложного соединения ферритина. Только тогда, когда содержание гемоглобина вновь начинает снижаться, наблюдается поступление в кровь меченого железа из ферритина.

Опыты, проведенные с использованием соединений двух- и трехвалентного железа, меченных радиоактивными индикаторами, показали, что организмы одних животных усваивают обе валентные формы железа примерно одинаково, а других животных - по-разному, причем, как правило, предпочтение отдается двухвалентному железу. С использованием радионуклидной метки удалось проследить за поведением введенной в организм подопытного животного крови и за тем, как быстро происходит перемешивание "своей" и введенной в организм "чужой" крови.

Метод изотопного разбавления позволил определить объем крови в организмах различных животных, решить другие важные для науки и практики вопросы.

В последние десятилетия радионуклиды находят широкое применение в медицинской практике. Обнаружено, что онкологические опухоли неустойчивы к действию излучения, возникающего при радиоактивном распаде, а некоторые соединения, содержащие радиоактивную метку, при их внутривенном введении в кровь способны избирательно сорбироваться злокачественными опухолями. Это явление можно использовать при ранней диагностике соответствующих заболеваний: опухоль, поглотившую радионуклид, можно определить по результатам радиометрического сканирования тела пациента. Далее, добившись поглощения опухолью введенного в кровь меченого препарата, можно достичь внутреннего облучения опухоли и в отдельных случаях ее разрушения.

Препараты, меченные иодом-131, широко используют в практике обследования больных, у которых нарушена работа почек. В этом случае в вену вводят радиоактивный иод в составе соединения, которое не поглощается щитовидной железой. Далее около почек пациента размещают два радиометрических датчика, позволяющие контролировать скорость прохождения через почки введенного радионуклида. Результаты позволяют установить, какая из почек поражена и сколь оперативно должно быть проведено лечение.

5. Применение радиоактивных индикаторов в геологии

Для изучения геол. строения массива, вскрытого буровыми скважинами, и характера фильтрации воды и др. веществ в межскважинном пространстве, раствор меченого вещества нагнетают в скважину и регистрируют изменение его концентрации во времени и в окружающих скважинах. Это позволяет устанавливать сообщаемость между скважинами (пластами), определять скорость движения веществ в данном направлении, a, при благоприятных условиях, количественно определять параметры пластов и режима воздействия на пласты при интенсификации разработки.

При исследованиях в скважине метод радиоактивных индикаторов может использоваться для контроля за динамикой движения бурового раствора, контроля за результатами опробования и испытания скважин, определения технического состояния скважин, выделения проницаемых пластов, направления фильтрации веществ в прискважинной зоне, a также для контроля за эффективностью обработки призабойной зоны c целью интенсификации притока флюида. При модельных исследованиях этот метод позволяет непрерывно контролировать фильтрацию меченого вещества, изучать процессы сорбции и деструкции c высокой точностью.

B геол. практике для межскважинных исследований наиболее часто используют тритий, 131J, 85Kr, для исследований скважин - 15Na, 65Zn, в модельных опытах - 131J, тритий.

B природе существует естественное распределение радиоактивных изотопов, котоpыe можно использовать при методе радиоактивных индикаторов. Hапример, природный тритий, концентрации которого в поверхностных водах и глинистых буровых растворах существенно выше, чем в пластовых водах.

B буровой технике и металлургии метод используется для изучения структуры сплавов, в том числе твердосплавных инструментов, характера износа и абразивной устойчивости наконечников буровых инструментов. Он позволяет определить характер движения выщелачивающих растворов, реакции компонентов раствора c извлекаемым веществом и вмещающими породами.

При микробиологических исследованиях c применением этого метода определяются устойчивость, способ подкормки бактерий и режимы бактериального выщелачивания руд, концентратов и отходов. Xорошие результаты получены при использовании метода радиоактивных индикаторов как в радиометрических, так и в радиографических исследованиях взаимодействия флотационных реагентов c минералами: механизм адсорбции, неравномерный характер закрепления собирателей на поверхности минеральных частиц, действие сочетаний реагентов, взаимосвязь сорбционных процессов c флотируемостью.

Для процессов гравитационного обогащения (отсадки, тяжелосреднего обогащения, гидроциклонов) c помощью этого метода получены модели движения частиц, позволившие усовершенствовать аппараты, режимы и параметры процессов. B гидрометаллургии, обезвоживании и др. процессах он позволяет исследовать механизм движения растворов, сорбции, экстракции, фильтрации и т.п.

7. Современные направления использования радионуклидов

Возникшие в последние десятилетия новые направления в применении радионуклидов как меток при изучении различных превращений связаны с успехами в создании радиометрической аппаратуры, позволяющей, во-первых, надежно регистрировать излучение таких радионуклидов, как тритий Т и углерод 14С, и, во-вторых, проводить регистрацию радиоактивности экспрессно, что позволяет использовать для исследований короткоживущие радионуклиды с периодами полураспада от нескольких минут до нескольких десятков минут или одного-трех часов.

Тритий и особенно углерод-14 - крайне удобные радиоактивные индикаторы для изучения биохимических процессов и органических реакций, так как атомы и водорода, и углерода обязательно входят в состав органических веществ. Но эти радионуклиды испускают b-частицы небольшой энергии: максимальная энергия b-частиц, возникающих при распаде ядер 14С, составляет около 158 кэВ, а при распаде ядер трития - всего 17,6 кэВ. Такие b-частицы легко поглощаются в самом регистрируемом препарате, а также воздухом и стенками детектора (например, ионизационного счетчика Гейгера-Мюллера). Поэтому длительное время регистрация излучения этих радионуклидов представляла собой сложную проблему. В последние годы в исследовательскую практику вошли приборы, позволяющие осуществить жидкостной сцинтилляционный счет числа распадающихся ядер. Такой прибор имеется, например, в Центре радионуклидной диагностики, организованном несколько лет назад Российской Академией наук на базе химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. При измерении радиоактивности с помощью этих приборов препарат вводят в раствор сцинтиллятора (обычно приготовленный на основе толуола или диоксана).

В объеме сцинтиллятора при прохождении через него b-частиц возникают вспышки света - сцинтилляции. Эти вспышки света выбивают из фотокатода ФЭУ (фотоэлектронного умножителя) электроны, которые далее фиксируют с помощью радиометрической аппаратуры. Важно, что при использовании жидкостного сцинтилляционного счета можно зарегистрировать практически все b-частицы, испущенные ядрами радионуклида в препарате.

Использование экспрессной аппаратуры, дающей возможность регистрировать излучение короткоживущих радионуклидов, позволяет проводить исследования с использованием радионуклидов в разных системах, в том числе в живых организмах.

Если период полураспада радионуклида составляет не более 2-3 ч, то уже приблизительно через 1-2 сут в организме, в который были введены такие радионуклиды, радиоактивных атомов нет - они полностью распались. Поэтому применение таких радионуклидов безопасно. Оказывается возможным применять радионуклиды для медицинской диагностики, анализа продуктов питания и других веществ. индикатор химия радионуклид

Возможности такой аппаратуры можно проиллюстрировать следующим примером. Французские ученые создали аппаратуру, которая позволяет всего за 10-12 с выполнить три экстракции, разделить фазы и найти коэффициенты распределения меченого вещества между фазами во всех трех случаях.

Список литературы

1. Нефедов В.Д., Торопова М.А., Кривохатская И.В. и др. Радиоактивные изотопы в химических исследованиях. Л.; М.: Химия, 1965. 246 с.

2. Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С., Богатырев И.О. и др. Радиоактивные индикаторы в химии: Основы метода. М.: Высш. шк., 1985. 287 с.

3. БЕРДОНОСОВ С.С. , Радиоактивные индикаторы в химических исследованиях. 1999.

Размещено на Allbest.ru