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/