Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Biofyzikální chemie radiometrické metody
Zita Purkrtová
říjen - prosinec 2015
Radioaktivita 1896 – Antoine Henri Becquerel
první pozorování při studiu fluorescence a fosforescence
solí uranu
1903 – Nobelova cena za fyziku
začátek 20. století – Marie Curie-Sklodowská, Pierre Curie
izolace radia ze smolence
termín radioaktivita
následně objevení dalších dvou prvků: polonium, aktinium
1903 a 1911 – Nobelova cena za fyziku
1934 – Irene a Frederic Joliot-Curie
objev umělé radioaktivity
1935 – Nobelova cena za fyziku
Radioaktivita
proces, při kterém dochází k samovolné přeměně jádra atomu za současného uvolnění
částice či záření (radioaktivní/jaderné) o vysoké energii
přechod na stabilnější formu jádra
v přírodě cca 50 radionuklidů + řada umělých (člověkem připravené)
v přírodě dva druhy isotopů:
přítomné od začátku (př. uran)
vzniklé kosmickým zářením (14C)
umělé/člověkem připravené isotopy:
nukleární reaktory
cyklotrony
lineární urychlovače
atd.
Radioaktivita
stabilní prvky
radioaktivní prvky, t1/2 > 4 mil. let radioaktivní prvky, 34 000 let > t1/2 > 800 let
radioaktivní prvky, 103 let > t1/2 > 1 den
radioaktivní prvky, 1 den> t1/2 > několik minut radioaktivní prvky, velmi nestabilní ??? t1/2
stabilní prvky
radioaktivní prvky, t1/2 > 4 mil. let radioaktivní prvky, 34 000 let > t1/2 > 800 let
radioaktivní prvky, 103 let > t1/2 > 1 den
radioaktivní prvky, 1 den> t1/2 > několik minut radioaktivní prvky, velmi nestabilní ??? t1/2
eNC 14
7
14
6
12
6C
izotop
Radioaktivní záření 3 druhy záření:
vyzářena částice
10% rychlosti světla
silné ionizační účinky
cca 100x pronikavější než , ale menší ionizační účinky
až 99% rychlosti světla
dva druhy:
rozpad neutronu, vyzářen elektron a antineutrino
rozpad protonu, vyzářen positron a neutrino
g
4
2
4
2 ,Heh
mo
ta
náboj
en
erg
ie
Radioaktivní záření 3 druhy záření:
g
vyzáření fotonu
nejpronikavější záření, jedná se o elektromagnetické vlnění dosahuje rychlosti
světla (ale ve srovnání s ním má mnohokrát vyšší energii a menší vlnovou délku)
většinou společně s předešlými dvěma typy
en
erg
ie
zdroj
radioaktivního záření
štěrbina
fotografický film
+ -
,
g
g
papír
1 cm vzduchu
1 mm hliníku
10 cm olovo
olověná
kostka
Bettelheim, Brow n, Campbell, Farell: Introduction to General, Organic, and Biochemistry, 9th edition, Brooks/Cole, 2009.
Nukleární reakce
.... a chemická reakce
rovnováha hmotnosti a náboje ale může dojít k přeměně prvku důležitý je tedy typ isotopu
Pacientovi je v rámci vyšetření funkce štítné žlázy podán radioaktivní jód ( ),
který je zdrojem - a g záření (uvolnění elektronu a fotonu). Jakou reakcí byste
zachytili tento proces?
g XeI 131
54
131
53
Bilance hmotnosti
53 protonů 54 protonů
78 neutronů 77 neutronů
131 131
Bilance náboje
+ 53 protonů + 54 protonů
-1 náboj
+53 +53
I131
53
Radioaktivní přeměna
g
zachycení elektronu (electron capture, EC)
štěpení těžkých jader za vzniku dvou jader a vyzáření několik neutronů
eSP 0
1
32
16
32
15 eNC 14
7
14
6
4
2
234
90
238
92 HeThU g HePbPo 4
2
206
82
210
84
eBC 0
1
11
5
11
6
g BB 11
5
11
5
g VeCr 51
23
0
1
51
24
Radioaktivní rozpad
monomolekulární přeměna řídící se kinetikou 1. řádu
rychlost rozpadu
poločas rozpadu (N=N0/2)
střední doba života
Ndt
dN N ... počet jader
... rozpadová konstanta
693,0
2
1
1
Poločas rozpadu 63Ni je 100 let.
Pokud je na začátku 100g 63Ni, jaké
množství zůstane po 200 letech?
Jednotky Curie (Ci)
= radioaktivita 1 g 226Ra
= aktivita vzorku v němž se rozpadne 3,7.1010 nuklidů za 1 sekundu
Bq (becquerel)
= aktivitu 1 Bq má vzorek v němž se rozpadne 1 nuklid za 1 sekundu
Decays Per Minute (počet rozpadů za minutu)
1 Ci = 3,7.1010 Bq = 2,22.1012 DPM
přístroj měří v impulsech za minutu (CPM = counts per minute)
specifická radioaktivita
Gray (Gy)
= jednotka ozáření
= množství energie pohlcené jednotkou hmotnosti ozářeného objektu (1 Gy=1 J/kg)
- nebo 1 rad (radiation absorbed dose = 0,01 Gy) či 1 R (roentgen = 0,87 rad = 0,0087 Gy)
Radiometrické metody Proč?
biologie/biochemie (detekční metoda, citlivý způsob značení pro řadu studií)
medicína (detekční x léčebná metoda)
Způsob detekce?
ionisační detektor - ionisace
scintilační detektor - scintilace (záblesk)
polovodičový detektor - vznik páru elektron-díra v polovodičovém materiálu
radiografický detektor - změny ve struktuře krystalu AgX (obdoba fotografie)
Jak?
Radiochemická analýza
Studium biochemických přeměn
Zřeďovací analýza
Saturační analýza
Aktivační analýza
Jak??
specificky x obecně x uniformně značené sloučeniny
Bezpečnost práce ......
Studium distribuce a transportu látek v živých organismech
Derivační analýza
Saturační analýza
Radionuklid jako zdroj záření
Ionisační detektor Geigerova-Mullerova trubice
Bettelheim, Brow n, Campbell, Farell: Introduction to General, Organic, and Biochemistry, 9th edition, Brooks/Cole, 2009.
Ionisační detektor
komoru možno umístit do magnetického nebo elektrického pole a tím rozlišit
jednotlivé druhy záření
Mlžná komora
http://k
ete
rehsky
.word
pre
ss.
com
/2010/0
3/1
1/1
0-2
-radio
act
ivity
/
Scintilační detektor
krystalové x kapalné detektory
krystalové (ZnS, antracen, NaI dle druhu záření)
kapalné (primární a sekundární scintilátor)
http://w
ww
.dehs.
um
n.e
du/r
ad_ra
dwast
_rw
ml.h
tm
(Bio) - radiometrické metody studium metabolických přeměn
studium distribuce transportu látky v organismu
lokalizace látky v určitém kompartmentu
buňky či orgánu
ekologického systému (řeka, půda, rostlina atd.)
značení v analytických či detekčních stanoveních
v biochemii se běžně používají tyto radionuklidy:
14C
32P
35S
3H
Nacusi L.P., Sheaff R.J. (2006) Akt1 sequentially phosphorylates p27kip1
within a conserved but non-canonical region, Cell Division , 1:11 doi:10.1186/1747-1028-1-11
Radioimunoanalýza
saturační analýza
kontrola (kalibrace)
neznámý vzorek
Určení stáří (nejen)
biologického materiálu rozpadová konstanta je nezávislá na chemických a fyzikálních podmínkách
dva přístupy:
„equilibrium decay clock“ (14C datování, 3H datování)
- v první fázi dochází k rovnováze mezi přijímáním radioaktivního
prvku a jeho zánikem, v druhé fázi (po smrti) ale dojde k porušení rovnováhy a dochází již jen k
rozkladu radiokativního prvku
„accumulation clock“ (určování stáří hornin)
- na začátku (okamžik vzniku) je určité množství radioaktivního prvku, který se dále již jen
rozkládá
- 238U 206Pb (poločas rozpadu 4,5 miliardy let)
14C datování
vznik tohoto izotopu díky kosmickému záření, předpokládá se konstantní rychlost vzniku,
rovnoměrné rozložení v ekologickém systému a rovnováha tohoto izotopu v rámci uhlíku
přítomného na Zemi
po smrti dochází již jen k rozkladu tohoto izotopu, není dále přijímán potravou
poločas rozpadu tohoto izotopu je 5760 let, průměrná hodnota izotopu 14C je 16 dpm/g uhlíku
korekce: aktivita slunce není konstantní, vliv lidské činnosti (spalování fosilních paliv, testy
atomových bomb)
Využití v medicíně
Léčebné využití
využití ionizačního efektu záření (vznik volných radikálů)
60Co (vnější ozařování), 182Ta,137Cs (implantáty), 198Au (injekčně přímo do nádoru)
Detekční využití
látka se musí hromadit ve sledované tkáni
Izotop Záření Poločas
rozpadu
Použití
6C11, 9F
18 +,g 20,3 m studie metabolismu glukózy v mozku
15P32 +,g 14,3 dne detekce očních nádorů
24Cr51 g, EC 27,7 dne zobrazení sleziny a gastrointestinálního systému
25Fe59 -,g 44,5 dne diagnostika anémie
31Ga67 g, EC 78,3 h značení nádorů, použití pro celé tělo
53I131 -,g 8,04 dne detekce disfunkce štítné žlázy
Děkuji za pozornost.
http://p
hysic
snet.co.u
k/a
-leve
l-physi
cs-
as-a
2/p
art
icle
s-r
adia
tion/p
art
icle
s-a
ntip
art
icle
s-photo
ns/