Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Радиоактивные индикаторы в химических исследованиях

Голосов: 1

Рассмотрены основные возможности, которые открывает перед химиками- исследователями использование радиоактивных индикаторов в различных областях химии. Приведены примеры применения радиоактивных индикаторов в аналитической, физической, органической и других областях химии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                              RADIOACTIVE                  РАДИОАКТИВНЫЕ
                          INDICATORS IN CHEMICAL
                          RESEARCHES                   ИНДИКАТОРЫ В ХИМИЧЕСКИХ
                          S. S. BERDONOSOV             ИССЛЕДОВАНИЯХ
                          The basic approaches of      л. л. ЕЦкСйзйлйЗ
                          radioactive indicators in    еУТНУ‚ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                          chemistry for research       ЛП. е.З. гУПУМУТУ‚‡

                          chemists are considered.
                          Examples of radioactive                 В первой четверти XX века было установлено,
                          indicator applications in           что атомы, занимающие одну и ту же клетку Перио-
                          analytical,     physical,           дической системы элементов, могут различаться по
                                                              таким важным характеристикам, как масса и радио-
                          organic and other areas of          активные свойства входящих в их состав ядер. Явле-
                          chemistry are given.                ние существования разных видов атомов одного и
                                                              того же элемента получило название изотопии. Сна-
                                                              чала в природе были обнаружены изотопы некото-
                          к‡ТТПУЪ ВМ˚ УТМУ‚М˚В                рых тяжелых природных элементов (свинца, тория,
                          ‚УБПУКМУТЪЛ, НУЪУ ˚В                урана). Так, оказалось, что у свинца кроме четырех
                                                              природных стабильных изотопов с массовыми чис-
                          УЪН ˚‚‡ВЪ ФВ В‰ ıЛПЛ-
                                                              лами 204, 206, 207 и 208 (напомним, что массовое
                          Н‡ПЛ- ЛТТОВ‰У‚‡ЪВОflПЛ               число атома – это сумма чисел протонов и нейтро-
                          ЛТФУО¸БУ‚‡МЛВ ‡‰ЛУ‡Н-               нов в его ядре, а вид атомов с определенным зна-
                                                              чением массового числа называют нуклидом) в
                          ЪЛ‚М˚ı ЛМ‰ЛН‡ЪУ У‚ ‚
                                                              природе в ничтожных количествах имеются и ра-
                           ‡БОЛ˜М˚ı У·О‡ТЪflı ıЛ-              диоактивные изотопы этого элемента (его радио-
                          ПЛЛ. и Л‚В‰ВМ˚ Ф ЛПВ-               нуклиды): свинец-212, свинец-210 и др.
                           ˚ Ф ЛПВМВМЛfl ‡‰ЛУ-                     Так как химическое поведение стабильных и ра-
                                                              диоактивных нуклидов одного элемента идентич-
                          ‡НЪЛ‚М˚ı ЛМ‰ЛН‡ЪУ У‚                но, а о присутствии радиоактивных атомов можно
                          ‚ ‡М‡ОЛЪЛ˜ВТНУИ, ЩЛБЛ-              судить по испускаемому этими атомами в момент
                          ˜ВТНУИ, У „‡МЛ˜ВТНУИ Л              распада ядер излучению, оказывается возможным
                                                              надежно зафиксировать наличие ничтожно малых
                          ‰ Ы„Лı У·О‡ТЪflı ıЛПЛЛ.              количеств таких атомов. Поэтому возникла идея
                                                              применения радиоактивных атомов как меток для
                                                              изучения различных химических процессов. Ис-
                                                              пользуемые при этом радиоактивные атомы служат
                                                              меткой, индикатором, и поэтому применение ра-
                                                              диоактивных индикаторов в химии получило назва-
                                                              ние метода радиоактивных индикаторов. Одним из
                                                              пионеров использования радиоактивных индика-
                                                              торов в химии был российский ученый Вл.И. Спи-
                                                              цын, который еще в 1917 году использовал при изу-
                                                              чении растворимости в воде малорастворимых
                                                              соединений тория в качестве радиоактивных меток
                                                              сравнительно короткоживущие радионуклиды то-
© ЕВ ‰УМУТУ‚ л.л., 1999




                                                              рия, выделенные из урановых руд.
                                                                  Широкое применение радиоактивных индика-
                                                              торов в химии началось после того, как в результа-
                                                              те работ французских исследователей Ф. Жолио и
                                                              И. Кюри была доказана возможность искусственно-
                                                              го получения не встречающихся в природе радиоак-
                                                              тивных атомов “обычных”, стабильных элементов.
                                                              Эти ученые в 1934 году за счет взаимодействия ядер
                                                              алюминия с ядрами гелия (то есть за счет ядерной


                                                       ЕЦкСйзйлйЗ л.л. кДСайДднаЗзхЦ азСадДнйкх                    51


     реакции) 27Al + 4He = 30P + 0 n или, в краткой запи-
                 13     2      15
                                    1
                                                             буквально считанного числа радиоактивных атомов.
     си, 27Al(α, n)30P (здесь n – символ нейтрона) получи-   Если, например, удается надежно зафиксировать в
     ли радиоактивные атомы 30Р, широко распростра-          течение 1 с акты радиоактивного распада пяти ато-
     ненного в природе стабильного элемента фосфора.         мов такого радионуклида, как иод-131 (радиоактив-
     Вскоре были разработаны и другие способы искус-         ность а, равную 5 расп/с, то есть 5 беккерелям), то
     ственного приготовления радиоактивных атомов-           можно, зная период полураспада иода-131 (Т1/2 =
     меток многих стабильных элементов. Особенно эф-         = 8 сут), рассчитать, что в образце присутствует
     фективным оказалось введение радионуклидных             число атомов иода-131 N, равное N = aT1/2 /ln2 = 5 Ч
     меток за счет облучения стабильных атомов пото-         Ч 8 ⋅ 24 ⋅ 3600/0,693 106. Число 106 может показать-
     ком нейтронов. При этом ядро стабильного элемен-        ся большим, но нетрудно найти, что масса такого
     та поглощает нейтрон, испускает γ-квант и превра-       числа атомов иода ничтожно мала и составляет око-
     щается в радиоактивное ядро того же элемента, но        ло 10−15 г (в стакане обычной водопроводной воды
     имеющее на единицу большее массовое число, чем          содержание иода значительно выше). Обнаружить
     исходное ядро. Например, при облучении нейтро-          столь малое количество иода, не содержащего радио-
     нами стабильные ядра брома-79 превращаются в            активных атомов, аналитическими методами невоз-
     радиоактивные ядра брома-80: 79Br(n, γ) 80Br. Благо-    можно.
     даря этому в органическое соединение, содержащее            Важно еще и то, что введение небольшого числа
     атомы брома, можно ввести радиоактивную метку           радиоактивных атомов в систему не приводит к ка-
     80
       Br, облучив это соединение нейтронами.                ким-либо ее изменениям, при соблюдении элемен-
         В настоящее время радиоактивные атомы, удоб-        тарных требований техники безопасности полно-
     ные для проведения различных исследований (то           стью безопасно и сравнительно дешево (если учесть
     есть радиоактивные атомы, характеризующиеся             стоимость аппаратуры, необходимой для многих
     сравнительно большими периодами полураспада             других современных методов исследования, напри-
     Т1/2 и обладающие излучением, которое удобно ре-        мер аппаратуры для рентгеноструктурного анализа,
     гистрировать на радиометрической аппаратуре),           ядерного магнитного резонанса).
     получены для подавляющего большинства элемен-               По этим причинам радиоактивные индикаторы
     тов Периодической системы (кроме десяти легких,         с середины XX века широко вошли в практику фи-
     к числу которых относятся Li, B, N, O, F и некото-      зико-химического эксперимента. Это в равной сте-
     рые другие).                                            пени относится почти ко всем областям химии –
                                                             неорганической, органической, аналитической, био-
         Однако следует иметь в виду, что в физико-хи-
                                                             химии, физической химии. Рассмотрим некоторые
     мическом поведении атомов разных изотопов одно-
                                                             примеры, показывающие возможности метода ра-
     го элемента существуют и некоторые различия (так
                                                             диоактивных индикаторов в различных областях
     называемые изотопные эффекты). Эти эффекты
                                                             химии.
     связаны с различиями масс радиоактивных и ста-
     бильных атомов изотопов одного и того же элемен-
     та. Существенны изотопные эффекты для легких            икаеЦзЦзаЦ кДСайДднаЗзхп
     элементов. Так, в случае водорода различие масс         азСадДнйкйЗ З ДзДганауЦлдйв паеаа
     атомов стабильного протия 1Н и радиоактивного               Использование радионуклидов в аналитической
     трития Т (3Н) достигает 300%. Поэтому, например, в      химии очень разнообразно, недаром один из меж-
     поведении молекул воды, содержащих два атома            дународных журналов подробно освещает все во-
     или протия (1Н1НО), или трития (Т2О), наблюдают-        просы, связанные с радиоаналитической химией,
     ся определенные различия как химических, так и          то есть с использованием радионуклидов в аналити-
     физических свойств. Правда, в этом случае масса         ческой химии.
     одной молекулы больше массы другой молекулы                 Так, широкое практическое применение имеет
     примерно на 20%. А для элементов с атомными но-         метод количественного анализа, основанный на
     мерами, большими 15–20, относительные различия          том, что в различных химических процессах удель-
     в массах радиоактивных и стабильных атомов одно-        ная радиоактивность Iуд = а / m (а – радиоактив-
     го и того же элемента малы (не больше нескольких        ность образца, выраженная в беккерелях, а m – мас-
     процентов), и обусловленные этими различиями            са образца) определяемого вещества, в котором
     изотопные эффекты незначительны. Поэтому впол-          равномерно распределен радионуклид, остается по-
     не оправданно пренебречь ими и принять, что фи-         стоянной как для всего образца, так и для любой его
     зико-химическое поведение радиоактивных атомов          части (обычно используют термин “активность”
     в большинстве случаев точно такое же, как и ста-        вместо “радиоактивность”).
     бильных.
                                                                 Пусть, например, речь идет об опытах по опреде-
        Для регистрации ионизирующего излучения ра-          лению давления паров такого крайне труднолетуче-
     диоактивных атомов физики разработали чрезвы-           го и тугоплавкого металла, как вольфрам. В качестве
     чайно чувствительную радиометрическую аппара-           метки можно использовать искусственно получае-
     туру, которая позволяет фиксировать излучение           мый β-радиоактивный вольфрам-185. Приготовим


52                                                              лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹4, 1999


металлический вольфрам, содержащий эту метку, и            осадка AgI и определим его массу mn и радиоактив-
определим его удельную активность Iуд . Далее собе-        ность In . Если общее содержание иода в пробе равно
рем пары металла, испарившиеся с поверхности               х, то оказывается, что
вольфрама при выбранной температуре и содержав-                             I /(x + mд) =Iп / mп .
шиеся в определенном объеме пара. В тех же усло-
виях, в которых определяли Iуд , найдем активность            Решая это уравнение относительно х, находим
этих паров Iп . Очевидно, что масса паров mп = I / Iуд .                    х = mп(I / Iп) − mд .
Далее, зная объем паров, можно найти их плотность
при температуре опыта, а затем, используя сведения              Используя несколько отличающуюся методику,
о составе пара, и их давление.                             можно найти содержание иода в морской воде в
                                                           форме иодид-ионов. Для этого после введения ра-
   Аналогичным образом с помощью радиоактив-
                                                           диоактивной метки в пробу следует создать такие
ной метки можно найти концентрацию какого-ли-
                                                           условия, при которых изотопный обмен (обмен ато-
бо вещества в растворе и определить, например, его
                                                           мами иода) между иодид-ионами и другими содер-
концентрацию в насыщенном растворе. Так, ис-
                                                           жащими иод формами (иодат- и периодат-ионами)
пользуя радиоактивный индикатор сера-35, можно
                                                           не протекает (для этого надо использовать холод-
найти растворимость BaSO4 в водных растворах.
                                                           ный раствор с нейтральной средой). Выделив далее
Важно отметить, что на результаты подобных экс-
                                                           из морской воды небольшую порцию иодид-ионов
периментов никак не влияет наличие в паре или
                                                           с помощью осадителя – нитрата серебра в виде AgI
растворе посторонних примесей. Более того, ока-
                                                           (масса порции mпи) и измерив ее радиоактивность
зывается возможным количественно охарактеризо-
                                                           Iпи , по формуле mии = mпи(I / Iпи) − mд можно найти
вать влияние на растворимость, например, ионной
                                                           содержание иодид-ионов в образце mии .
силы раствора, то есть наличия в нем ионов посто-
ронних веществ.                                                 На использовании радиоактивных атомов осно-
                                                           ван и такой универсальный чрезвычайно чувстви-
   Сходным образом можно найти массу вещества,             тельный метод аналитической химии, как актива-
как оставшуюся после экстракции в водной среде,            ционный анализ. При выполнении активационного
так и перешедшую в органическую фазу. Далее уда-           анализа необходимо с помощью подходящей ядер-
ется рассчитать коэффициенты распределения меж-            ной реакции активировать атомы определяемого
ду фазами экстрагируемого вещества (здесь приме-           элемента в пробе, то есть сделать их радиоактивны-
нение радиоактивных индикаторов важно тогда,               ми. Чаще всего активационный анализ выполняют
когда коэффициенты распределения очень высоки              с использованием нейтронного источника. Если,
и других аналитических методов определения сверх-          например, необходимо найти содержание в твердой
низких количеств экстрагируемого вещества, остав-          породе редкоземельного элемента диспрозия Dy, то
шегося в водной фазе, нет).                                поступают следующим образом.
   Оригинально использование радиоактивных ин-                  Сначала готовят серию образцов, содержащих
дикаторов в так называемом методе изотопного               известные различные количества Dy (взятого, на-
разбавления. Пусть нужно определить содержание             пример, в форме DyF3 или Dy2O3 – атомы кислоро-
какой-либо аминокислоты в смеси сходных по свой-           да и фтора нейтронами не активируются). Эти об-
ствам аминокислот, причем химическими метода-              разцы в одинаковых условиях облучают одним и тем
ми выполнить полное (количественное) разделение            же нейтронным потоком. Необходимый для этих
аминокислот нельзя, но есть способ, позволяющий            экспериментов источник нейтронов представляет
выделить из смеси в чистом виде небольшую долю             собой небольшую (размером с авторучку) ампулу, в
этой аминокислоты (например, с помощью хрома-              которой находится материал, испускающий ней-
тографии). Сходная проблема возникает при опре-            троны (например, смесь америция-241 и бериллия).
делении содержания какого-либо лантаноида в                Безопасно хранить такой источник нейтронов мож-
смеси лантаноидов и при определении того, в каких          но, поместив его в отверстие, сделанное в центре
именно химических формах содержится тот или                парафинового блока размером с ведро для воды.
иной элемент в природе, например в речной или                   Для облучения образцы с известным содержани-
морской воде.                                              ем диспрозия размещают в лунки, имеющиеся в па-
   Воспользуемся для определения общего содер-             рафиновом блоке и расположенные на одинаковом
жания иода в морской воде порцией иодид-ионов              расстоянии от источника (рис. 1). В такие же лунки
массой mд и активностью I. Введем эти меченые ио-          размещают и пробы анализируемой породы. Под
дид-ионы в анализируемую пробу и нагреем ее для            воздействием нейтронов в образцах протекает ядер-
того, чтобы радиоактивная метка равномерно рас-            ная реакция 164Dy(n, γ)165Dy. Через определенное
пределилась по всем содержащим иод химическим              время (например, через 6 ч) все образцы вынимают
формам, находящимся в морской воде (такими                 из лунок и их активности измеряют в одинаковых
формами в данном случае служат иодид-, иодат-, и           условиях. По данным измерений активности пре-
периодат-ионы). Далее с помощью нитрата серебра            паратов строят калибровочный график в координа-
выделим небольшую часть иодид-ионов в виде                 тах “содержание диспрозия в пробе – активность


ЕЦкСйзйлйЗ л.л. кДСайДднаЗзхЦ азСадДнйкх З паеауЦлдап аллгЦСйЗДзаьп                                               53


                         3    1              2         3    позволяет осуществить экспрессный качественный
                                                            анализ многих объектов. Например, с автоматичес-
                                                            кой станцией на поверхность Луны был доставлен
                                                            прибор, который фиксировал γ-излучение от окру-
                                                            жающих прибор лунных пород. Далее информация
                                                            об этом излучении передавалась на Землю, и оказа-
                                                            лось возможным выяснить, какие именно радионук-
                                                            лиды присутствуют на поверхности спутника Земли.
                                                            Так как некоторые природные элементы содержат
        Рис. 1. Схема проведения нейтронного активаци-      γ-радиоактивные нуклиды, по этим измерениям бы-
        онного анализа: 1 – парафиновый блок, 2 – ампуль-   ли сделаны выводы о качественном составе Луны.
        ный источник нейтронов, 3 – облучаемые образцы
                                                            икаеЦзЦзаЦ кДСайДднаЗзхп
     препарата”, и по нему находят содержание диспро-       азСадДнйкйЗ З оабауЦлдйв паеаа
     зия в анализируемом материале (рис. 2).                   Среди многочисленных примеров использова-
         Метод активационного анализа хорош не только       ния радиоактивных индикаторов при изучении тер-
     высокой чувствительностью. Так как излучение           модинамики (определение давлений насыщенных
     образующихся при активации радионуклидов раз-          паров, парциальных давлений паров компонентов
     личается по виду и энергии, при использовании          различных смесей), кинетики (выяснение скоро-
     спектрометрической радиометрической аппаратуры         стей превращений и их механизмов) и электрохи-
     оказывается возможным определять в пробе после         мии можно выделить следующие, позволяющие
     ее активации одновременно до 10–15 элементов. И        проиллюстрировать возможности метода в физиче-
     еще одно важное достоинство активационного ана-        ской химии.
     лиза: часто образующиеся в результате активации
                                                               Начнем это рассмотрение с рассказа о том, как
     нейтронами радионуклиды довольно быстро распа-
                                                            радионуклиды используют для определения такой
     даются, так что спустя некоторое время анализиру-
                                                            важной кинетической характеристики, как коэф-
     емый объект оказывается нерадиоактивным. Таким
                                                            фициент диффузии или самодиффузии D атомов,
     образом, во многих случаях активационный ана-
                                                            ионов, молекул в твердых телах, растворах или рас-
     лиз – это анализ, не связанный с разрушением ана-
                                                            плавах. Правда, охарактеризовать способность диф-
     лизируемого объекта. Это особенно важно, когда
                                                            фундировать атомы, ионы или молекулы среди дру-
     речь идет об определении состава археологических
                                                            гих атомов, ионов или молекул можно и без
     находок, метеоритов и других уникальных образ-
                                                            радиоактивных меток, хотя экспериментально это
     цов. Именно таким образом, например, было най-
                                                            довольно сложно, так как при этом речь идет об оп-
     дено избыточное содержание ядовитого мышьяка в
                                                            ределении чрезвычайно малых количеств диффун-
     волосах Наполеона (сохранившихся в медальоне до
                                                            дирующего вещества. Но получить информацию о
     наших дней).
                                                            миграции указанных микрочастиц в среде собст-
         То обстоятельство, что энергия γ-квантов, испу-    венного вещества, то есть определить коэффициент
     скаемых радионуклидом, строго индивидуальна,           самодиффузии D, без использования радионукли-
                                                            дов совершенно невозможно.
           I, имп/с                                            Для определения коэффициента диффузии мо-
                                                            лекулы или иона в растворе заполняют меченым
                                                            раствором диффундирующего вещества капилляр,
                                                            измеряют его активность I0 . Затем размещают ка-
                                                            пилляр в термостатированном сосуде (рис. 3) и дают
        300                                                 время t диффундировать веществу из капилляра в
                                                            окружающую жидкость. В конце опыта измеряют
                                                            активность капилляра It и, зная длину капилляра,
                                                            рассчитывают значение D.
                                                               С использованием радиоактивных индикаторов
        100                                                 найти, например, значение D атомов меди в этом ме-
                                                            талле можно так. Используют образец меди с глад-
                                                            кой, хорошо отполированной чистой поверхностью.
                                                            На эту поверхность электролизом наносят тонкий
                   1      2       3      4       5 m, мкг
                                                            слой меди, меченной радионуклидом медь-64. Далее
                                                            образец определенное время выдерживают (отжига-
        Рис. 2. График зависимости регистрируемой ак-
        тивности I активированных нейтронами образцов
                                                            ют) при той температуре, при которой необходимо
        от массы m диспрозия в образцах. В анализиру-       определить D. Далее специальным приспособлени-
        емом образце около 3 мкг диспрозия                  ем – микротомом или путем электрохимического


54                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹4, 1999


                                 3                              Другой советский исследователь – С.З. Рогин-
                                                            ский предложил дифференциальный изотопный
                                              1             метод изучения энергетики поверхности твердого
                                                            тела. Сущность метода можно пояснить на таком
                                                            примере. Пусть имеется порошок, необходимо вы-
                                                            яснить, однородна или нет его поверхность (то есть
                                                            различается или нет энергия адсорбции атомов или
                                              4
                                                            молекул газа-сорбата на разных микроучастках по-
                                                            верхности данного порошка).
                                                                С этой целью используют газ ксенон, меченный
                                              2             и немеченный радионуклидом 133Xe. Сначала на по-
                                                            верхности порошка, помещенного в сосуд, из кото-
                                                  H2O       рого удален воздух, сорбируют небольшую порцию
                                                            немеченого ксенона, а затем порцию этого газа, ме-
                                                            ченного радионуклидом, с известной удельной ра-
                                                            диоактивностью Iуд. о . Далее порошок немного на-
                                                            гревают, при этом ксенон десорбируется с
                                                            поверхности. Измеряют удельную радиоактивность
   Рис. 3. Схема проведения эксперимента по опре-           Iуд первой порции десорбированного ксенона. Если
   делению коэффициента самодиффузии иона в                 оказывается, что Iуд = Iуд. о , то можно заключить, что
   растворе: 1 – термостатированный сосуд с рас-
   твором, 2 – магнитная мешалка, 3 – держатель ка-         поверхность порошка энергетически неоднородна:
   пилляров – контейнеров радиоактивного раство-            атомы ксенона, сорбированные из второй порции
   ра, 4 – капилляр, установленный в держателе              на местах с более низкой энергией сорбции, первы-
                                                            ми и десорбируются с поверхности (рис. 4). В про-
растворения снимают тонкие (толщиной от несколь-            тивном случае удельная радиоактивность десорби-
ких микрометров до 50–100 мкм) слои металла и оп-           рованного ксенона Iуд будет меньше, чем удельная
ределяют радиоактивность каждого микрослоя. По              радиоактивность ксенона Iуд. о , сорбированного из
зависимости изменения удельной радиоактивности              второй порции: десорбция с однородной поверхно-
слоя Iуд от глубины его расположения l можно найти          сти как нерадиоактивного, так и радиоактивного
значение D атомов меди при данной температуре.              ксенона протекает с равной вероятностью.

   На использовании меченных радионуклидами                  I           а                I            б
соединений основан кинетический изотопный ме-
тод, предложенный М.Б. Нейманом. Этот метод
позволяет установить, какие именно промежуточ-
ные вещества образуются в данной химической ре-
акции и какова скорость их образования и расходо-
вания. Пусть, например, высказана гипотеза, что
при фотосинтезе на промежуточной стадии образу-                  Порция 1 Порция 2            Порция 1 Порция 2
ется и тут же расходуется муравьиная кислота. Для
того чтобы проверить, правильна ли эта гипотеза                  Рис. 4. Удельная радиоактивность двух последо-
или нет, зеленые водоросли помещают в водный                     вательно сорбированных порций газа (а) и удель-
раствор, в который добавлено микроколичество му-                 ная радиоактивность двух последовательно де-
                                                                 сорбированных порций газа (б) в случае энерге-
равьиной кислоты, меченной радионуклидом 14C с                   тически неоднородной поверхности
известной удельной активностью Iуд. о (с известным
значением отношения радиоактивности кислоты к               икаеЦзЦзаЦ кДСайДднаЗзхп
ее массе). В течение некоторого времени дают воз-           азСадДнйкйЗ З йкЙДзауЦлдйв паеаа
можность протекать фотосинтезу, а затем выделяют            а Еайпаеаа
из раствора порцию кислоты и находят ее удельную
радиоактивность Iуд. выд . Если это значение оказыва-          С использованием таких радиоактивных меток,
ется равно Iуд. о , то это означает, гипотеза неверна и     как тритий, углерод-14, сера-35, фосфор-32 и неко-
муравьиная кислота не выступает как промежуточ-             торых других исследовано огромное число органи-
ный продукт в процессе фотосинтеза. Если бы ока-            ческих реакций и биохимических процессов. Клас-
залось, что Iуд. выд < Iуд. о , то можно было сделать вы-   сическим примером таких исследований может
вод, что эта кислота выступает как промежуточный            служить определение того, где происходит разрыв
продукт превращения. По скорости изменения Iуд с            углеродной цепочки пропионовой кислоты при ее
течением времени можно найти скорость образова-             окислении перманганатом в щелочной среде и об-
ния и расходования кислоты.                                 разуется ли возникающий при этом карбонат-ион


ЕЦкСйзйлйЗ л.л. кДСайДднаЗзхЦ азСадДнйкх З паеауЦлдап аллгЦСйЗДзаьп                                                   55


     из группы СОО− или за счет окисления какого-либо                             корни растений способны усваивать и уже готовый
     другого атома С.                                                             фосфорсодержащий строительный материал для
         Для ответа на данный вопрос использовали про-                            построения своих клеток.
     пионовую кислоту, меченную 14С в карбоксиле. Об-                                До внедрения в исследовательскую практику ра-
     разующийся в результате окисления оксалат-ион                                диоактивных индикаторов считали, что ткани жи-
     осадили в виде оксалата кальция, а карбонат-ион –                            вого организма обновляются через сравнительно
     в виде карбоната бария. Измерения радиоактивнос-                             большой промежуток времени, измеряемый года-
     ти полученных образцов показали, что около 30%                               ми. В действительности оказалось, что в теле тепло-
     исходной радиоактивности оказывается в составе                               кровного животного обмен (замена старых на но-
     ВаСО3 , а около 70% – в составе СаС2О4 . На этом ос-                         вые) всех жиров происходит не более чем за две
     новании можно заключить, что отношение вероят-                               недели, а обмен 50% белков печени обезьяны про-
     ностей разрыва связей СН2–СОО и СН3–СН2 в                                    истекает также за две недели.
     пропионат-ионе при его окислении в щелочной
                                                                                     Интересны результаты опытов, выполненных с
     среде равно 3/7:
                                                                                  радионуклидами железа 55Fe и 59Fe. Известно, что
           CH3                  COO−                  CH3                    2−
                                                                           CO3    железо входит в состав гемоглобина крови. Если по-
                 KMnO4                                        KMnO4               допытному животному, обладающему нормальной
           CH2    OH−
                                COO−                  CH2      OH−
                                                                           COO−   жизнедеятельностью, вводить с пищей соединения
       COO−
      14                      14  2−
                                CO3               COO−
                                                 14
                                                                       COO−
                                                                      14          железа, меченные радионуклидом 59Fe, то железо в
                                                                                  кровь практически не поступает. Если же содержа-
                 (30%)                                        (70%)               ние гемоглобина в крови животного снижено тем
        Аналогичным образом можно установить, что                                 или иным образом, то сначала усвоения меченого
     при окислении пропионовой кислоты дихроматом                                 железа тоже не наблюдается. Когда же концентра-
     калия в кислой среде разрыв связей в углеродной                              ция гемоглобина в крови достигает нормы, наблю-
     цепочки происходит только между СООН и СН2 .                                 дается усиленная ассимиляция (усвоение) железа.
     Если использовать для такого эксперимента пропио-                            Оказалось, что поступающее железо откладывается
     новую кислоту, меченную 14С в карбоксиле, то вся                             в организме про запас в виде сложного соединения
     радиоактивность после окисления переходит в СО2                              ферритина. Только тогда, когда содержание гемо-
     (который далее количественно улавливают раство-                              глобина вновь начинает снижаться, наблюдается
     ром Ва(ОН)2 и радиоактивность полученного ВаСО3                              поступление в кровь меченого железа из ферритина.
     измеряют):                                                                      Опыты, проведенные с использованием соеди-
                          CH3                           CH3                       нений двух- и трехвалентного железа, меченных ра-
                                       K2Cr2O7                                    диоактивными индикаторами, показали, что орга-
                          CH2             H+
                                                        COOH                      низмы одних животных усваивают обе валентные
                         14
                              COOΗ                    14CO2                       формы железа примерно одинаково, а других жи-
                                                                                  вотных – по-разному, причем, как правило, предпо-
                                       (100%)                                     чтение отдается двухвалентному железу. С использо-
         По результатам наблюдений за перемещением                                ванием радионуклидной метки удалось проследить
     радиоактивных меток при органических превраще-                               за поведением введенной в организм подопытного
     ниях были установлены механизмы многих реакций.                              животного крови и за тем, как быстро происходит
     Применение метода радиоактивных индикаторов                                  перемешивание “своей” и введенной в организм
     позволило лучше понять процессы, протекающие в                               “чужой” крови. Метод изотопного разбавления
     растениях и организмах животных. Например, при-                              позволил определить объем крови в организмах раз-
     менение Na214СО3 , меченного радионуклидом 14С,                              личных животных, решить другие важные для на-
     позволило установить, что растения усваивают не                              уки и практики вопросы.
     только газообразный СО2 , но и растворенные кар-                                В последние десятилетия радионуклиды находят
     бонаты, содержащиеся в почве. Кроме того, выяс-                              широкое применение в медицинской практике.
     нено, что корневая система растений может также                              Обнаружено, что онкологические опухоли неус-
     поглощать из почвы углерод в составе сложных ор-                             тойчивы к действию излучения, возникающего при
     ганических соединений, входящих в состав почвен-                             радиоактивном распаде, а некоторые соединения,
     ного гумуса.                                                                 содержащие радиоактивную метку, при их внутри-
         Сходная картина наблюдается и при усвоении                               венном введении в кровь способны избирательно
     растениями фосфора из почвы. До опытов с исполь-                             сорбироваться злокачественными опухолями. Это
     зованием в качестве метки радионуклида 32Р счита-                            явление можно использовать при ранней диагнос-
     ли, что растения усваивают из почвы фосфор только                            тике соответствующих заболеваний: опухоль, по-
     в виде фосфат-ионов, а далее в самом растении фос-                           глотившую радионуклид, можно определить по ре-
     фор преобразуется в сложные органические веще-                               зультатам радиометрического сканирования тела
     ства. Но опыты с почвой, содержащей меченные по                              пациента. Далее, добившись поглощения опухолью
     фосфору-32 нуклеиновые кислоты, показали, что                                введенного в кровь меченого препарата, можно


56                                                                                   лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹4, 1999


достичь внутреннего облучения опухоли и в отдель-     сцинтиллятора при прохождении через него β-час-
ных случаях ее разрушения.                            тиц возникают вспышки света – сцинтилляции.
   Препараты, меченные иодом-131, широко ис-          Эти вспышки света выбивают из фотокатода ФЭУ
пользуют в практике обследования больных, у кото-     (фотоэлектронного умножителя) электроны, кото-
рых нарушена работа почек. В этом случае в вену       рые далее фиксируют с помощью радиометричес-
вводят радиоактивный иод в составе соединения,        кой аппаратуры. Важно, что при использовании
которое не поглощается щитовидной железой. Да-        жидкостного сцинтилляционного счета можно за-
лее около почек пациента размещают два радиомет-      регистрировать практически все β-частицы, испу-
рических датчика, позволяющие контролировать          щенные ядрами радионуклида в препарате.
скорость прохождения через почки введенного ра-          Использование экспрессной аппаратуры, даю-
дионуклида. Результаты позволяют установить, ка-      щей возможность регистрировать излучение корот-
кая из почек поражена и сколь оперативно должно       коживущих радионуклидов, позволяет проводить
быть проведено лечение.                               исследования с использованием радионуклидов в
                                                      разных системах, в том числе in vivo в живых орга-
лйЗкЦеЦззхЦ зДикДЗгЦзаь                               низмах. Если период полураспада радионуклида со-
алийгъбйЗДзаь кДСайзмдгаСйЗ                           ставляет не более 2–3 ч, то уже приблизительно че-
З паеауЦлдап а ЕайпаеауЦлдап                          рез 1–2 сут в организме, в который были введены
аллгЦСйЗДзаьп                                         такие радионуклиды, радиоактивных атомов нет –
                                                      они полностью распались. Поэтому применение та-
    Возникшие в последние десятилетия новые на-       ких радионуклидов безопасно. Оказывается воз-
правления в применении радионуклидов как меток        можным применять радионуклиды для медицин-
при изучении различных превращений связаны с          ской диагностики, анализа продуктов питания и
успехами в создании радиометрической аппарату-        других веществ. Возможности такой аппаратуры
ры, позволяющей, во-первых, надежно регистриро-       можно проиллюстрировать следующим примером.
вать излучение таких радионуклидов, как тритий Т      Французские ученые создали аппаратуру, которая
и углерод 14С, и, во-вторых, проводить регистрацию    позволяет всего за 10–12 с выполнить три экстрак-
радиоактивности экспрессно, что позволяет ис-         ции, разделить фазы и найти коэффициенты рас-
пользовать для исследований короткоживущие ра-        пределения меченого вещества между фазами во
дионуклиды с периодами полураспада от несколь-        всех трех случаях.
ких минут до нескольких десятков минут или
одного–трех часов.
                                                      ганЦкДнмкД
    Тритий и особенно углерод-14 – крайне удобные
                                                         1. Нефедов В.Д., Торопова М.А., Кривохатская И.В. и др.
радиоактивные индикаторы для изучения биохими-           Радиоактивные изотопы в химических исследовани-
ческих процессов и органических реакций, так как         ях. Л.; М.: Химия, 1965. 246 с.
атомы и водорода, и углерода обязательно входят в        2. Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С., Богатырев И.О. и др.
состав органических веществ. Но эти радионукли-          Радиоактивные индикаторы в химии: Основы метода.
ды испускают β−-частицы небольшой энергии: мак-          М.: Высш. шк., 1985. 287 с.
симальная энергия β−-частиц, возникающих при             3. Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С., Богатырев И.О. и др.
распаде ядер 14С, составляет около 158 кэВ, а при        Радиоактивные индикаторы в химии: Проведение
распаде ядер трития – всего 17,6 кэВ. Такие β−-час-      эксперимента и обработка результатов. М.: Высш.
                                                         шк., 1977.
тицы легко поглощаются в самом регистрируемом
препарате, а также воздухом и стенками детектора
(например, ионизационного счетчика Гейгера–                                     * * *
Мюллера). Поэтому длительное время регистрация           Сергей Серафимович Бердоносов, кандидат
излучения этих радионуклидов представляла собой       химических наук, доцент кафедры радиохимии хи-
сложную проблему. В последние годы в исследова-       мического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова,
тельскую практику вошли приборы, позволяющие          руководитель и преподаватель химической школы
осуществить жидкостной сцинтилляционный счет          при химфаке МГУ, зав. лабораторией химического
числа распадающихся ядер. Такой прибор имеется,       образования Московского института развития об-
например, в Центре радионуклидной диагностики,        разовательных систем (МИРОСа). Лауреат Госу-
организованном несколько лет назад Российской         дарственной премии СССР. Область научных ин-
Академией наук на базе химического факультета         тересов – изучение гетерогенных процессов с
МГУ им. М.В. Ломоносова. При измерении радио-         участием твердых дисперсных фаз. Автор и соав-
активности с помощью этих приборов препарат           тор более 150 научных работ, ряда учебников и
вводят в раствор сцинтиллятора (обычно приготов-      учебных пособий для студентов-химиков, учителей
ленный на основе толуола или диоксана). В объеме      и учащихся средних школ.




ЕЦкСйзйлйЗ л.л. кДСайДднаЗзхЦ азСадДнйкх З паеауЦлдап аллгЦСйЗДзаьп                                                57



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика