of 21/21
Biofyzikální chemie radiometrické metody Zita Purkrtová říjen - prosinec 2015

Biofyzikální chemieold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bfc/08_radioaktivita2015.pdf · Určení stáří (nejen) biologického materiálu rozpadová konstanta je nezávislá na chemických

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Biofyzikální chemieold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bfc/08_radioaktivita2015.pdf · Určení stáří...

  • 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 14714

    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

    424

    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 13154131

    53

    Bilance hmotnosti

    53 protonů 54 protonů

    78 neutronů 77 neutronů

    131 131

    Bilance náboje

    + 53 protonů + 54 protonů

    -1 náboj

    +53 +53

    I13153

  • Radioaktivní přeměna

    g

    zachycení elektronu (electron capture, EC)

    štěpení těžkých jader za vzniku dvou jader a vyzáření několik neutronů

    eSP 0132

    16

    32

    15 eNC 147

    14

    6

    4

    2

    234

    90

    238

    92 HeThU g HePbPo 42

    206

    82

    210

    84

    eBC 0111

    5

    11

    6

    g BB 11511

    5

    g VeCr51

    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/