Ізотопні індикатори
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Ізотопні індикатори

Ізотопні індикатори, речовини, що мають відмінний від природного ізотопний склад і завдяки цьому використовувані як мітка при вивченні найрізноманітніших процесів. Роль ізотопної мітки виконують стабільні або радіоактивні ізотопи хімічних елементів, які легко можуть бути виявлені і визначені кількісно. Висока чутливість і специфічність І. і. дозволяють простежити за ними в складних процесах переміщення, розподілу і перетворення речовин в скільки завгодно складних системах, у тому числі і в живих організмах.

загрузка...

  Метод І. і. (називається також методом мічених атомів) був вперше запропонований Д. Хевеши і Ф. Панетом в 1913. Широке використання І. і. стало можливим завдяки розвитку ядерної техніки, що дозволила отримувати ізотопи в масовому масштабі.

  Метод І. і. заснований на тому що хімічні властивості різних ізотопів одного елементу майже однакові (завдяки чому поведінка мічених атомів в процесах, що вивчаються, практично не відрізняється від поведінки інших атомів того ж елементу), і на легкості виявлення ізотопів, особливо радіоактивних. При використанні методу необхідний облік можливих реакцій ізотопного обміну, мічених атомів, що приводять до перерозподілу (отже, до втраті з'єднанням мітки), а інколи і облік радіаційних ефектів, пов'язаних з впливом радіоактивних випромінювань на хід процесу. Ізотоп, використовуваний як мітка, вводиться до складу з'єднань, що вивчаються. Можуть бути використані як стабільні, так і радіоактивні ізотопи.

  Перевага стабільних ізотопів — їх стійкість і відсутність ядерних випромінювань. Проте лише невелике число елементів має відповідні стабільні ізотопи. Мала доступність останніх і порівняно складна техніка виявлення складають недоліки методу І. і. із застосуванням стабільних ізотопів. Перевага радіоактивних ізотопів — можливість їх здобуття практично для всіх елементів періодичної системи, висока чутливість, специфічність і точність визначення, простота і доступність вимірювальної апаратури. Тому більшість досліджень, що використовують метод І. і., виконано з радіоактивними ізотопами.

  Такі елементи, як водень, вуглець, сірка, хлор, свинець, мають зручні для використання як стабільні — 2 H, 13 C, 34 S, 35 Cl, 37 Cl, 204 РЬ, так і радіоактивні ізотопи — 3 H, 11 C, 14 C, 35 S, 36 C1, 212 РЬ. Як ізотопи азоту і кисню найчастіше застосовуються стабільні 15 N і 18 O та інші. Стабільні І. і. отримують збагаченням природних ізотопних сумішей шляхом багатократного повторення операції розділення (перегонка, дифузія, термодифузія, ізотопний обмін, електроліз; див.(дивися) Ізотопів розділення ), а також на мас-спектрометричних установках і при ядерних реакціях.

  Для елементів, що існують в природі у вигляді одного ізотопу (Ве, F, Na, Al, P, I), як мічені атоми використовують лише штучні радіоактивні ізотопи; прикладом часто вживаних радіоактивних ізотопів служать 3 H, 14 C, 32 P, 35 S, 45 Ca, 51 Cr, 59 Fe, 60 Co, 89 Sr, 95 Nb, 110 Ag, 131 I і ін. Вибір радіоактивного ізотопу визначається його ядерними характеристиками — періодом напіврозпаду, типом і енергією випромінювання. Для індикації придатні радіоактивні ізотопи, період напіврозпаду яких не дуже малий, що дозволяє працювати протягом часу, необхідного для експерименту, але і не дуже великий, що дає можливість працювати з вельми малими кількостями індикатора.

  Основним методом аналізу стабільних ізотопів служить мас-спектрометрія (чутливість 10 -4 % ізотопу при точності 0,1—1% для проб масою в долі міліграма ) . Все більше вживання знаходять спектральні методи і парамагнітний резонанс. Дейтерій, 18 O і деякі інші ізотопи визначають по зміні показника заломлення, теплопровідності, щільності як самої елементарної речовини, так і його з'єднань. Радіоактивні ізотопи визначають по їх випромінюванню за допомогою лічильників Гейгера або сцинтиляційних лічильників. Так, за допомогою лічильника Гейгера можна уловити випромінювання 10 -11 г вуглецю 14 C, 10 -16 г фосфору 32 Р і йоду 131 I, 10 -19 г вуглецю 11 C і так далі Сучасні рідинні сцинтиляційні лічильники дозволяють з високою ефективністю і точністю проводити визначення ізотопів з м'яким бетою-випромінюванням ( 3 H, 14 C, 35 S і ін.). Введення в практику цього методу ізотопного аналізу підвищує його продуктивність і дозволяє працювати з незначними актівностямі, що наближаються до активності космічного фону. Широке вживання в біології отримав метод авторадіографії. При роботі з радіоактивними ізотопами необхідно дотримувати правила техніки безпеки відповідно до існуючих норм.

  Відомі різні способи синтезу мічених сполук . Поряд із звичайним хімічним синтезом використовуються реакції ізотопного обміну і біологічний синтез. В більшості випадків ізотопна мітка займає певне положення в молекулі; наприклад, пропіонову кислоту можна помітити по вуглецю трьома способами: 14 Ch 3 Ch 2 COOH, СН 3 14 СН 2 СООН, СН 3 СН 2 14 СООН.

  Є три основних напрями використання І. і. Методом І. і. вивчають характер розподілу речовин і дороги їх переміщення. І. і. вводять в ту або іншу систему і через певні проміжки часу встановлюють наявність І. і. у різних частинах системи. Найбільш наочні картини розподілу виходять без руйнування зразка за допомогою радіоавтограмм (див. Авторадіографія ).

  Інший напрям використання І. і. — кількісний аналіз. Один з найпростіших і поширеніших варіантів методу І. і. — метод ізотопного розбавлення, при якому до аналізованої речовини додають дозовану кількість І. і. і по мірі його розбавлення судять про вихідну кількість речовини. Цей метод дозволяє виробляти визначення нікчемно малих кількостей трудноопределяємих речовин і, навпаки, великих мас речовин; аналізувати складні суміші, аналіз і розділення яких іншими методами неможливі. Широкими можливостями відрізняється той, що примикає до методу І. і. активаційний аналіз, де міткою служить ізотоп іншого елементу, утворений з даного в результаті ядерної реакції. Особливо велике значення цей метод має при визначенні мікроелементів в металах, сплавах, мінералах, тканинах, при швидкому контролі технологічних процесів. Кількісний аналіз природних ізотопів, що входять в природних радіоактивні ряди урану і торія, а також кількісне визначення ізотопу 14 C в померлих організмах дозволяють визначати вік гірських порід і археологічних знахідок.

  Третім напрямом використання І. і. є з'ясування механізму різних процесів і вивчення будови хімічних сполук. Введення ізотопної мітки в певне положення молекули усуває хімічну непомітність атомів, допускаючи можливість однозначного з'ясування механізму тих або інших реакцій, для яких звичайні хімічні методи описують лише початковий і кінцевий стани.

  Всі вказані напрями вживання І. і. широко представлені в різних областях хімії, біології, медицини, техніки, сільського господарства і так далі Нижче наводяться окремі приклади їх використання.

  Літ.: Радіоактивні ізотопи в хімічних дослідженнях, Л. — М., 1965; Рогинський С. З., Теоретичні основи ізотопних методів вивчення хімічних реакцій, М., 1956; Ядернофізічеськие методи аналізу речовин, М., 1971 (Всесоюзна науково-технічна конференція «XX років виробництва і вживання ізотопів і джерел ядерних випромінювань в народному господарстві СРСР», Мінськ, 1968).

  До. Б. Заборенко.

 

  В біології І. і. застосовують для вирішення як фундаментальних, так і прикладних біологічних проблем, вивчення яких іншими методами утруднене або неможливе. Істотна для біології перевага методу мічених атомів полягає в тому, що використання І. і. не порушує цілісності організму і його основних життєвих відправлень. З вживанням І. і. зв'язано багато крупних досягнень сучасної біології, що визначили розквіт біологічних наук в  2-ій половині 20 ст За допомогою стабільних і радіоактивних ізотопів водню ( 2 H і 3 H), вуглецю ( 13 C і 14 C), азоту ( 15 N), кисню ( 18 O), фосфору ( 32 P), сірки ( 35 S), заліза ( 59 Fe), йоду ( 131 I) і ін. були з'ясовані і детально вивчені складні і взаємозв'язані процеси біосинтезу і розпаду білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, жирів і ін. біологічно активних з'єднань, а також хімічні механізми їх перетворень в живій клітині ( мал. 1 — 3 ). Вживання І. і. привело до того, що передивляється колишніх уявлень про природу фотосинтезу, а також про механізми, що забезпечують засвоєння рослинами неорганічних речовин, — карбонатів, нітратів, фосфатів і ін.

  З допомогою І. і. виконано величезне число досліджень в найрізноманітніших напрямах біології і біохімії. Один з напрямів включає роботи по вивченню динаміки і доріг переміщення популяцій в біосфері і окремих особин усередині даної популяції, міграції мікробів, а також окремих з'єднань усередині організму. Вводячи в організми з їжею або шляхом ін'єкцій мітку, удалося вивчити швидкість і дороги міграції багатьох комах (москітів, мух, сарани), птиць, гризунів і ін. дрібних тварин і отримати дані про чисельність їх популяцій. В області фізіології і біохімії рослин з допомогою І. і. вирішений ряд теоретичних і прикладних проблем: з'ясовані дороги вступу мінеральних речовин, рідин і газів в рослини, а також роль різних хімічних елементів, у тому числі мікроелементів, в житті рослин ( мал. 4 ). Показане, зокрема, що вуглець поступає в рослини не лише через листя, але і через кореневу систему, встановлені дороги і швидкості пересування ряду речовин з кореневої системи в стебло і листя і з цих органів до коріння. В області фізіології і біохімії тварин і людини вивчені швидкості вступу різних речовин в їх тканині (у тому числі швидкість включення заліза в гемоглобін, фосфору — в нервову і м'язові тканини, кальцію — в кісті).

  Важлива група робіт охоплює дослідження механізмів хімічних реакцій в організмі. Так, у багатьох випадках удалося встановити зв'язок між початковими і такими, що знов утворюються молекулами, простежити за «долею» окремих атомів і хімічних груп в процесах обміну речовин, а також з'ясувати послідовність і швидкість цих перетворень. Отримані дані зіграли вирішальну роль при побудові сучасних схем біосинтезу і метаболізму (метаболічних карт) доріг перетворення їжі, лікарських препаратів і отрут в живих організмах. До робіт цієї групи відноситься з'ясування питання про походження кисню, що виділяється в процесі фотосинтезу: виявилось, що його джерелом є вода, а не двоокис вуглецю. З іншого боку, вживання 14 Co 2 дозволило з'ясувати дороги перетворень двоокису вуглецю в процесі фотосинтезу. Використання «міченої» їжі привело до нового уявлення про швидкості всмоктування і поширення харчових речовин, про їх «долю» в організмі і допомогло простежити за впливом внутрішніх і зовнішніх чинників (голодування, асфіксія, перевтома і т. д.) на обмін речовин. Метод І. і. дозволив вивчити процеси оборотного транспорту речовин через біологічні мембрани . Було показано, що концентрації речовин по обидві сторони мембрани залишаються постійними із збереженням градієнтів концентрації, характерних для кожного з розділених мембранами середовищ.

  Метод І. і. знайшов вживання в дослідженні процесів, вирішальну роль в яких грає передача інформації в організмі (провідність нервових імпульсів, ініціація і рецепція роздратування і ін.) Ефективність методу І. і. у роботах цього роду обумовлена тим, що дослідження проводяться на цілісних, інтактних організмах, що зберігають неушкодженою всю складну систему нервових і гуморальних зв'язків. Нарешті, група робіт включає дослідження статичних характеристик біологічних структур, починаючи з молекулярного рівня (білки, нуклеїнові кислоти) і кінчаючи надмолекулярними структурами (рибосоми, хромосоми і ін. органели). Наприклад, дослідження відносної стійкості білків і нуклеїнових кислот в 1 H 2 O, 2 H 2 O і в H 2 18 O сприяли з'ясуванню природи сил, що стабілізують структуру біополімерів, зокрема ролі водневих зв'язків в біологічних системах.

  Важливе значення при виборі ізотопу має питання про чутливість методу ізотопного аналізу, а також про типа радіоактивного розпаду і енергії випромінювання. Перевага стабільних ізотопів ( 2 H, 18 O, 15 N і ін.) — відсутність випромінювань, що часто надають побічну дію на досліджувану живу систему. В той же час, порівняно низька чутливість методів їх визначень ( мас-спектроскопія, денситометрія ), а також необхідність виділення міченої сполуки обмежують вживання стабільних ізотопів в біології. Висока чутливість реєстрації гамма-активних ізотопів ( 59 Fe, 131 I і ін.) дозволила в живому організмі виміряти швидкість кроветока, визначити кількість крові і час її повного кругообігу, досліджувати роботу залоз внутрішньої секреції.

  Літ.: Камен М., Радіоактивні індикатори в біології, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1948; Хевеши Р., Радіоактивні індикатори, їх вживання в біохімії, нормальній фізіології і патологічній фізіології людини і тварин, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1950; Метод мічених атомів в біології, Ізотопи в біохімії, М., 1963; Ванг Ч., Уїлліс Д., Радіоіндикаторний метод в біології, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Радіоактивні ізотопи в зовнішньому середовищі і організмі, М., 1970.

  І. Н. Верховськая.

  І. і. у медицині. З допомогою І. І. були розкриті механізми розвитку (патогенез) ряду захворювань; їх застосовують також для вивчення обміну речовин і діагностики багатьох захворювань ( див. Радіоізотопна діагностика ) .І і. вводять в організм в украй малих кількостях, не здатних викликати які-небудь патологічні зрушення. Різні елементи нерівномірно розподіляються в організмі. Аналогічно їм розподіляються і І. і. Випромінювання, що виникає при розпаді ізотопу, реєструють радіометричними приладами, ськенірованієм, авторадіографією і ін. Так, стан великого і малого круга кровообігу, сердечного кровообігу, швидкості кроветока, зображення порожнин серця визначають за допомогою з'єднань, включаючих 24 Na, 131 I, 99m Tc; для вивчення легеневої вентиляції і захворювань спинного мозку застосовують 99m Tc, 133 Xe; макроагрегати альбуміну людської сироватки з 131 I використовують для діагностики різних запальних процесів в легенях, їх пухлин і при різних захворюваннях щитовидної залози. Концентраційну і видільну функції печінки вивчають за допомогою фарби бенгал-троянд з 131 I, 198 Au; функцію нирок — при ренографії з 131 I-гиппураном і ськенірованієм після введення неогидріна, міченого 203 Hg або 99m Tc. Зображення кишечника, шлунку отримують, використовуючи 99m Tc, селезінки — застосовуючи еритроцити з 99m Tc або 51 Сr; за допомогою 75 Se діагностують захворювання підшлункової залози. Діагностичне вживання мають також 85 Sr і 85 P.

  А. Ст Козлова.

 

  І. і. у сільському господарстві ( 3 H, 14 C, 22 Na, 32 P, 35 S, 42 K, 45 Ca, 60 Co, 65 Zn, 99 Мо і ін.) широко використовуються для визначення фізичних властивостей грунту і запасів в ній елементів їжі рослин, для вивчення взаємодії грунту і добрив, процесів засвоєння рослинами живильних елементів з мінеральних туков, вступу в рослини мінеральної їжі через листя і інших питань грунтознавства і агрохімії. Користуються І. і. для виявлення дії на рослинний організм пестицидів, зокрема гербіцидів, що дозволяє встановити концентрацію і терміни обробки ними посівів. Застосовуючи метод І. і., досліджують найважливіші біологічні властивості з.-х.(сільськогосподарський) культур (при оцінці і відборі селекційного матеріалу) — врожайність, скороспілість, хладостойкость. В животноводстве вивчають фізіологічні процеси, що протікають в організмі тварин, проводять аналіз кормів на вміст токсичних речовин (малі дози яких важко визначити хімічними методами) і мікроелементів. При допомозі І. і. розробляють прийоми автоматизації виробничих процесів, наприклад відділення корнеклубнеплодов від каменів і грудок грунту при прибиранні комбайном на кам'янистих і важких грунтах.

Мал. 1. Відкладення радіоактивних ізотопів стронцію і фосфору в кістках: 89 Sr відкладається переважно в самій кісті, 32 P — в кістковому мозку.

Мал. 4. Схема досвіду по вивченню поглинання радіоактивних ізотопів окремо корінням і плодами арахісу: 1 — середовище для коріння; 2 — середовище для плодів.

Мал. 3. Виборче накопичення радіоізотопа сірки ( 35 S) в хрящовій тканині 20-денного зародка щура: А — забарвлений зріз; Би — радіоавтограф.

Мал. 2. Розподіл радіоізотопа фосфору ( 32 P) на поперечному зрізі цукрового буряка при нанесенні ізотопу на один з листя рослини.