Меченые атомы

Заголовок: Подскажите по меченым атомам.

Содержание: Можно ли засечь меченый атом с помощью переносного устройства (существует ли такое?) в пластиковой трубе на глубине до двух метров? Если можно, то какой?

Здравствуйте, Александр.

Техника меченых атомов приобрела широкую популярность в наше время. Теоретически эта методика очень проста. По существу, она сводится к введению особого изотопа в биологически важ­ный метаболит (или продукт питания), после чего прослеживаются последовательные реакции этого метаболита в организме путем наблюдения за судьбой меченого изотопа в продуктах распада, крови, моче и т.д. На основании этих данных строится метаболизм. Использование меченых изотопов стало возможным благодаря широкому развитию методов получения изотопов.

Большинство химических элементов в природных условиях существует в различных изотопных модификациях. Все изотопы данного химического элемента имеют одинаковые химические свойства, но разные атомные веса. Атомный вес изотопа равен сумме чисел нейтронов и протонов, находящихся в ядре. Химические свойства элемента определяются только числом протонов, т. е. атомным номером. (благодаря различию в атомных весах два изотопа элемента могут характеризоваться несколько различными скоростями реакции.) Например, изотопы угле­рода, такие, как С11, С12 и С13, имеют шесть протонов и соответственно 5, 6 и 7 нейтронов в ядре.

Некоторые природные изотопы радиоактивны; они испускают либо -частицы (ядра гелия Не4), либо отрицательные -лучи (быстрые электроны). Кроме того, многие радиоактивные изотопы испускают -излучение — фотоны высокой энергии.

Большинство искусственно полученных изотопов оказывается  -активными (встречается как электронная, так и позитронная -активность). В ряде случаев бывает легче обнаружить -излучение (фотоны), сопровождающее распад, нежели -лучи (электроны). Искусственно полученные изотопы служат основой для биологических исследований с использованием метода мече­ных атомов.

Таблица. Некоторые изотопы, используемые в биологии и химии.

Изотоп

Природное содержание

Тип излучения

Период полураспада

1H

99,98

-

-

2H

1,56 . 10-2

-

-

3H

-

12,3 лет

13C

1,108

-

-

14C

-

5730 лет

15N

0,365

-

-

18O

0,204

-

-

32P

-

14,2 сут

35S

-

87 сут

36Cl

-

3 . 105 лет

42K

-

, 

12,4 года

60Co

-

, 

5,22 лет

55Fe

-

Рентгеновское излучение

4 года

59Fe

-

, 

45 сут

131J

-

, 

8 сут

Нерадиоактивные стабильные изотопы тоже могут быть использованы в методе меченых атомов, позволяя менять встречающиеся в природе изо­топные соотношения. Содержание данного изотопа можно измерять с помощью масс-спектрометрической техники. Применяемые методы распространены на примере нерадиоактивного изотопа N15, кото­рый обычно встречается в концентрациях много меньших, чем N14. Вводя соединения с высоким содержанием N15, можно приготовить образцы метаболитов с избытком данного изотопа.

Обычно радиоактивный элемент используют в виде примеси в растворе — носителе, например радиоактивный С14 используют растворенным в избытке нерадиоактивного С12. Такие соединения могут быть тогда применены в системах, которые находятся в полном термодинамическом равновесии относительно атомов углерода, но далеких от равновесия относительно меченого изотопа. Метод меченых атомов позволяет изучать равновесные биологические процессы без нарушения химического равновесия.

МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

В ходе эксперимента радиоактивные атомы распадаются. Распад данного атома представляет собой случайное событие; число распадов в секунду пропорционально числу радиоактив­ных атомов, существующих в настоящий момент. В аналитической форме сказанное записывается в виде

dN/dt = -N; (1)

где N — число радиоактивных атомов, существующих в данное время, t — время, N, — постоянная, характерная для выбранного изотопа. Интегрируя уравнение (1), получаем

N = N0e-t (2)

где N0 — число .радиоактивных атомов в начальный момент. Из формулы (2) может быть определено время т, за которое число N уменьшается вдвое:

= ln2/ (3)

Время  называют периодом полураспада элемента. В течение каждого периода полураспада число атомов изотопа уменьшается в два раза.

Чтобы изотоп можно было использовать, применяя метод меченых атомов,  должно быть в разумных пределах. Если  слишком мало (порядка секунд), то изотоп распадется до того, как можно будет поставить большинство экспериментов. Но если  слишком велико, то число распадов за 1 сек получится недопустимо низким для обнаружения обычно употребляемых концентраций меченых атомов. Изотоп С14 с периодом полураспада 5700 лет находится близко от этого нижнего предела.

Активность образцов радиоактивного материала выражают числом распадов в секунду. Число распадов, происходящих в 1 г радия за 1 сек, равное 3,7-1010, называют кюри. Для биологических исследований с помощью меченых атомов наиболее удобно использовать одну тысячную этой единицы, т. е. милликюри. Число атомов на 1 мкюри связано с периодом полураспада. Если имеется 1 кюри данного радиоактивного изотопа, то

N = /ln2 x З,7-107 атомов.

Радиоактивные изотопы идентифицируют по их характеристическому излучению. В случае искусственных радиоактивных изотопов оно обычно складывается из -лучей и из -излучения. В случае орбитального электронного захвата (когда один из электронов поглощается ядром с уменьшением атомного номера на единицу) испу­скаются лишь фотоны. Характеристикой излучения данного изотопа является максимальная энергия -лучей и энергия -излучения (фото­нов). Удобными единицами измерения при этом являются электрон-вольты (эв), килоэлектрон-вольты (кэв) или мегаэлектрон-вольты (Мэв); 1 эв — это энергия, приобретаемая электроном в результате прохождения ускоряющей разности потенциалов в 1 в2).

Частицы, испускаемые в результате радиоактивного распада, обнаруживаются при помощи специального детектора излучения. Его показа­ния могут быть затем подсчитаны с помощью любой электронной схемы. В прошлом наиболее широко распространенным типом детектора была трубка Гейгера — Мюллера, называемая счетчиком Гейгера. Он состоит из цилиндрической камеры, напол­ненной газом, с натянутой по ее оси проволокой (рис.). Проволо­ка изолирована от внешнего цилиндра и находится под высоким потенциалом. Ионизирующие частицы, попадая в счетчик, вызывают лавинную ионизацию в газе; если к счетчику приложена достаточно высокая разность потенциалов, возникающий импульс ионизационного тока будет зарегистрирован.

 

Рис. Счётчик Гейгера.

В конструкции счётчиков Гейгера применяются трубки различного диаметра – от нескольких миллиметров до 25 см. Длина трубки колеблется от 1 до 50 см. Газ, наполняющий счетчик, геометрия приборов и чистота материала стенок — все это влияет на работу счетчика. Импульсы счетчика Гейгера считают при помощи электронных схем. Обычно показания снимают с групп светодиодов, с электронного табло или с бумажной ленты. Другие электронные схемы позволяют осуществлять непосредствен­ный счет импульсов.

Другим типом детектора радиоактивного излучения являет­ся сцинтилляционный счетчик. Принцип работы этого счетчика основан на использовании мельчайших вспышек света, образующихся при попадании ионизирующего излучения во многие типы кристаллов и жидкостей. Спектральный состав излучения этих вспы­шек характерен для данного сцинтиллятора. Интенсивность сцинтилляционных вспышек пропорциональна энергии, израсходован­ной частицей. Сцинтилляцию в свою очередь обнаруживают с по­мощью фотоумножителя, выходной сигнал которого поступает на ам­плитудный анализатор. Таким образом, определенный изотоп может быть выделен из смеси или на фоне «шумов».

Сцинтилляционные счетчики могут быть изготовлены различных размеров и формы. Пропорциональность выходного сигнала энергии частицы в этом случае более строгая, чем для газового пропорционального счетчика. Применение жидкостных сцинтилляционных счетчиков позволяет растворять образцы, имеющие низкую интенсивность или же низкую энергию излучения, так как в этом случае для регистрации используется излучение, испускаемое во всех направлениях. Для обнаружения -излучения сцинтилляционные счетчики более эффективны, чем счетчики Гейгера. Однако в определенных случаях счетчики Гейгера имеют несколько лучшее отношение сигнала к шуму, чем большинство других сцинтилляционных счетчиков.

В некоторых случаях не так важно точно знать скорость распада, как выяснить, в какой части клетки локализован изотоп. Аналогичная задача возникает в бумажной хроматографии, когда различные соединения распределяются на поверхности куска фильтровальной бумаги. Далее желательно найти на бумаге распреде­ление радиоактивных участков. Чтобы их обнаружить, можно поместить срез ткани (или фильтровальную бумагу) на куске фото­бумаги. Она будет засвечена излучением, а затем при проявлении позволит определить локализацию радиоактивных изотопов. Такой снимок называют радиоавтографом.

Любой из этих методов регистрации может быть использован для любого изотопа. Хотя известно суще­ствование радиоактивных изотопов для всех элементов, в биологи­ческих исследованиях используют лишь ограниченное их число. К наиболее известным относятся С14, J131 и Р32.

ИЗОТОП УГЛЕРОДА С14

Встречающийся в природе углерод почти полностью состоит из стабильного изотопа С12. Кроме того, всегда имеется немного (около 1%) стабильного изотопа С13 и ничтожное количество радиоактивного изотопа С14. Искусственным путем можно получить изо­топ С14, а также радиоактивные изотопы С10 и С11. Изотопы С10 и С11 имеют период полураспада соответственно 19 сек и 20,5 мин; при распаде оба изотопа испускают положительные -лучи и образуют изотопы бериллия (Be). Их периоды полураспада настолько коротки, что в биологических исследованиях с использованием меченых атомов применяют лишь радиоактивный изотоп углерода С14. Так как угле­род является существенной частью всех биологических соединений, то изотоп С14 используется очень широко. Получить изотоп С14 можно с помощью ряда реакций. Если углерод, обогащенный изотопом С13, бомбардировать нейтронами, то некоторая его часть пре­вращается в С14 за счёт реакции.

C13 + n 1 ------- C14 +

Если углерод, обогащенный С13, бомбардировать дейтронами, то образуется С14:

C13 + D ------- C14 + H1

Ни одну из этих реакций нельзя считать удобной, так как для концентрации С13, а затем и С14 должен быть использован масс-спектро­метр.

Наиболее эффективная реакция получения изотопа С14 состоит в бомбардировке N14 нейтронами:

N14 + n1 ------- C14 + H1

Соединения нитрат аммония (NH4NO3) и нитрит бериллия (BeNO2) часто используют как источники азота. Затем изотоп С14 может быть выделен стандартными электрохими­ческими методами. Некоторое количество его образуется таким спо­собом в результате действия космических лучей на N14 в атмосфере, что дает около 10 отсчетов в 1 мин на 1 г углерода, находящийся в равновесии с атмосферным СО2.

Период полураспада С14 составляет около 5760 лет. Поэтоиу, для получения измеримого числа отсчетов необходима высокая концентрация этого изотопа. При распаде С14 испускает только электроны и превращается в N14; испускание -излучения отсутствует. Максимальная энергия электронов составляет примерно 0, 154 Мэв. Эта величина сравнима с энергией фотонов, излучаемых медицин­ской рентгеновской трубкой, и меньше энергии частиц многих дру­гих радиоактивных изотопов. Применяются различные способы регистрации этих электронов. Иногда образец, содержащий С14, заделывают в таблетку карбоната бария (ВаСО3) и помещают внутри счетчика Гейгера. Разработаны специальные счетчики Гейгера, предназначенные для наполнения их изотопом С14 в виде газа 14СО2. Используются также различные жидкие сцинтилляторы . Во всех случаях образец не должен быть очень толстым, так как все испускаемые им -лучи поглощаются при прохождении через несколько миллиметров твердого или жидкого вещества образца.

Ярким примером использования меченых атомов может служить определение геологического возраста с помощью углерода. В этом случае измеряется радиоактивность древесины или других органических материалов. Если эти материалы составляют часть системы недавно бывшей живой, то ее атомы углерода будут находиться в динамическом равновесии с СО2 атмосферы; в результате за счет изо­топа С14 космического происхождения образец будет давать около 10 отсчетов в 1 мин на 1 г углерода. В таком же веществе, но уже в течение долгого времени не живом и, следовательно, не находящемся в равновесии с СО2 атмосферы, изотоп С14 посте­пенно распадается и не восстанавливается. Таким образом, сле­дует ожидать, что кусок кости мамонта, имеющей возраст около 5760 лет, содержит в два раза меньше С14 на 1 г углерода по сравнению с недавно возникшим живым материалом. А кусок древесины в возрасте 11 500 лет должен содержать в четыре раза меньше этого же количества (т. е. давать 2,5 отсчета в 1 мин на 1 г углерода). Благодаря изотопу С14 возникает слабая радиоактивность с невысокой интенсивностью. Тем не менее можно очень точно изме­рить содержание С14, должным образом отделив отсчеты, возникаю­щие за счет космических лучей, распада другого рода, радиоактивного фона комнаты и электронных шумов. Когда удается сравнить данные, полученные с помощью С14, сданными, полученными каким-либо другим способом, то обнаруживается, что они согласуются друг с другом в пределах экспериментальной ошибки. Для объектов, содержащих углерод и имеющих возраст от 2000 до 50 000 лет, дан­ные, полученные с помощью изотопа С14, могут быть вычислены более точно, чем с помощью любых других методов. Возраст многих объектов, имеющих значение для археологии, антропологии и эво­люции, можно определить только с помощью изотопа С14.

СТАБИЛЬНЫЕ ИЗОТОПЫ

В качестве меченых атомов, кроме радиоактивных, могут быть использованы и редкие стабильные изотопы. Для измерения относительной распро­страненности стабильных изотопов используют масс-спектрометр (рис. ).

 

 

Рис. Схема масс-спектрометра.

1 – ионизационная камера; 2 – область ускорения; 3 – магнитный спектрометр скоростей; 4 – детектор; А – анод; С – катод с отверстием; Е – электрод, находящийся под высоким отрицательным потенциалом; H – магнитное поле; T – мишень.

При масс-спектрометрическом анализе исследуемый материал сначала должен быть превращен в летучий газ, который затем подается при низком давлении в зону, где его бом­бардируют электронами; это происходит в ионизационной камере (область 1 на рис.). Бомбардировка электронами приводит к выбиванию валентных электронов из атомов, которые, таким обра­зом, превращаются в положительные ионы. Эти положительные ионы, если давление газа достаточно низкое, ускоряются по направлению к катоду. Они проходят через отверстие в ка­тоде и ускоряются высоким напряжением между катодом и электродом А (рис.). Все однозарядные ионы приобретают одинаковую кинетическую энергию Е:

E = ½ mv2

Скорость же ионов различна для каждого изотопа. Затем ионы разделяются в соответствии с величиной скорости путем отклонения в магнитном поле или с помощью других средств и окончательно масс-спектрометр может, быть использован для разделения изотопов или для определения концентрации изотопов. Масс-спектрометр больше и сложнее сцинтилляционного счетчика, но в принципе его исполь­зование не вносит дополнительных проблем.

Сейчас метод включения атомов стабильных изотопов2 Н, 13С, 18О и 15N в молекулы - важное направление в биохимических и структурно-функциональных исследованиях разнообразных природных соединений и, в частности, аминокислот и белков. Молекулы этих изотопномеченых биологически активных соединений полученные данным методом с различными уровнями изотопного обогащения, от селективно до униформно меченых, являются удобными инструментами для разнопрофильных метаболических и биохимических исследований, медицинской диагностики различных заболеваний, химических синтезов разнообразных изотопномеченых соединений на их основе. Например, [2H]и [13C]фенилаланин и [2H]и [13C]тирозин использованы в синтезах меченых аналогов пептидных гормонов и нейропептидов.

Тенденции к предпочтительному применению стабильных изотопов по сравнению с их радиоактивными аналогами обусловлены отсутствием радиоактивности и возможностью определения локализации метки в молекуле методами высокого разрешения: спектроскопией ЯМР, ИКи лазерной спектроскопией, масс-спектрометрией.

Развитие методов детекции стабильных изотопов за последние годы позволило повысить эффективность проведения многочисленных биологических исследований de novo, а также изучать структуру и механизм действия многих клеточных БАС на молекулярном уровне, манипулируя атомами и конфигурациями молекул, что коррелирует со всеми современными нанотехнологическими стандартами.

С уважением,

К.х.н. О.В. Мосин