Реферат: Радиоактивные изотопы и соединения
Составы
сцинтилляторов весьма разнообразны и фирмы, производящие сцинтилляционные
коктейли, часто не раскрывают их состав. Классический (едва ли не самым первый)
жидкий сцинтиллятор — это толуольный раствор 2,5-дифенилоксазола (РРО) с
добавкой 1,4-ди-[2-фенил-(5-окзазолил)]-бензола (РОРОР). Состав: 4 г РРО и
0,2 г РОРОР на 1 л толуола. Не вдаваясь в подробности, следует
подчеркнуть, что это — неводная система, а водные растворы считать в таком
сцинтилляторе не принято. Для измерения водных проб к такому сцинтиллятору
добавляют тритон Х-100 до 30% по объему.
Другим вариантом
"водолюбивого" сцинтиллятора является диоксановый: 60 г
нафталина, 4 г РРО, 0,2 г РОРОР, 200 мл спирта и до 1 л
диоксан марки "сцинтиляционный". Впрочем, большинство исследователей
сегодня успешно пользуются готовыми фирменными коктейлями, справедливо не
задумываясь над их составом.
Важными источниками
ошибок для жидкостного сцинтилляционного счета являются "засветка"
сцинтилляционной жидкости и электризация счетных флаконов. Оба эффекта легко
нейтрализуются во времени (не спешите сразу считать, дайте пробам постоять в
темном пространстве прибора несколько минут), кроме того, электризация
почему-то чаще проявляется на стеклянных флаконах, и реже — на одноразовых
пластиковых.
Внедрение в
технологию биоскрининга радиометрических методов анализа подвигло разработчиков
на создание высокопроизводительных сцинтилляционных счетчиков для измерения
активности в планшетах. Для радиоактивных изотопов фосфора прибор используется
в модификации с внешним твердым сцинтиллятором, который и является детектором.
Для трития твердый сцинтиллятор добавляют прямо в лунку планшета в виде
специальных бусинок и, так как эти бусинки являются одновременно компонентом
биохимической реакции, то связанный с "бусами" меченый тритием лиганд
считается сцинтиллятором, а не связанный, находящийся в растворе, — не
считается. С радиохимической точки зрения эффективность счета в таких
измерениях очень низкая, но для биоскрининга важно относительное распределение
меченых соединений в системе "связанный-несвязанный", а высокая
производительность и простота операций оправдывают колоссальные затраты на
реализацию таких методов.
2.3. Иммиджеры
Очень полезной и
эффективной оказалась "электронная авторадиография", возникшая
сравнительно недавно, как результат развития микроэлектроники и компьютерной
техники.
Фосфоимиджер — прибор
для "электронной авторадиографии" фосфора-32. Кассета с многократно
используемым экраном экспонируется с плоским образцом: гелем,
хроматографической пластинкой и т.п. Затем экран помещается в прибор, в котором
с помощью лазерного сканирования определяется местоположение и активность
радиоактивного материала, экспонировавшегося с экраном.
Другая вариация на
эту тему — это использование газопроточных счетчиков для "электронной
авторадиографии". Представьте себе щетку для одежды, каждый волосок
которой диаметром 0,2 мм является индивидуальным газопроточным счетчиком.
Если вы совместите такую "щетку" общим размером 18 х 24 см с
исследуемым плоским образцом, то на экране компьютера в реальном времени вы
сможете наблюдать количественную картинку распределения "радиоактивных
веществ" на плоскости вашего образца. Разные модификации такого прибора
позволяют работать практически со всеми радионуклидами, которые применяются в
life science.
Эффективность счета в
этих приборах, конечно, не может быть высокой, однако для практической работы в
life science этот недостаток с лихвой компенсируется быстротой и удобством
"электронной авторадиографии", а также возможностью получения
результата сразу в электронном виде.
3. Классификация и
номенклатура
Все радиоактивные
источники с технологической точки зрения делятся на закрытые и открытые.
Закрытые источники — это радиоактивные препараты, помещенные в специальную
защитную герметичную упаковку (как правило стальную), — предназначены для работ
без вскрытия защитной оболочки.
В
молекулярно-биологических и биохимических исследованиях используют открытые
источники — твердые, жидкие или газообразные радиоактивные вещества или их
растворы. Практически все радиоактивные препараты, применяемые в life science —
это растворы соединений, меченных радиоактивными изотопами.
Для обозначения
конкретного изотопа (в том числе и радиоактивного), согласно правилам
номенклатуры, перед химическим символом элемента ставится надстрочечное число,
обозначающее массу изотопа. Например, 14С — изотоп углерода с массой
14. В литературе допускается полное написание химического элемента и его массы
через дефис, например, углерод-14. Обратите внимание, что пишется 14С,
а произносится обычно С-14, т.е. для любого изотопа при написании первым всегда
указывается массовое число изотопа над строкой, а затем символ химического
элемента, а произносят наоборот: сначала элемент, затем масса изотопа.
Соединения, меченные
радиоактивными изотопами, делят на две группы веществ. Во-первых, это конкретные
химические соединения, у которых один атом (или несколько) заменён на атом
радиоактивного изотопа того же элемента, т.е. химически такое соединение
идентично "немеченому". Во-вторых, это молекулы соединений,
модифицированные с помощью радиоактивного фрагмента (или дополнительного
радиоактивного атома), которые отличаются от исходного немеченого соединения. К
последнему случаю относятся всевозможные конъюгаты и модификации биологических
макромолекул с неопределенным местоположением радиоактивного атома, например,
молекула иммуноглобулина с введенным изотопом радиоактивного йода-125. Более
подробно об этом ниже.
Для обозначения
меченых соединений первой группы принято в обычное химическое наименование
молекулы вставлять в квадратных скобках наименование изотопа, которым мечено
соединение, и его место в молекуле перед названием части молекулы, содержащей
меченый атом. В качестве примера ниже приведены наименования
тимидин-5'-трифосфата, меченного различными радионуклидами и в разных
положениях:
16.
[6-3H] тимидин-5' трифосфат
17.
[метил-3H] тимидин-5' трифосфат
18.
[U-3H] тимидин-5' трифосфат
19.
[5'-3H] тимидин-5' трифосфат
20.
[6,2',3'-3H] тимидин-5' трифосфат
21.
[2-14С] тимидин-5' трифосфат
22.
[U-14С] тимидин-5' трифосфат
23.
тимидин -5' [α-32P] трифосфат
24.
тимидин -5' [γ-32P] трифосфат
В примерах 3 и 7
место радиоактивного атома в молекуле обозначено U — это означает, что точное
место радиоактивного атома неизвестно и, возможно, речь идет о равномерно
меченой молекуле. Обычно такое бывает, если способ получения соединения
заключался в выращивании микроорганизма на среде, обогащённой целевым изотопом,
с последующим выделением нужного соединения из клеточного лизата. Подробнее
методы получения меченых соединений обсуждаются в других разделах. В примерах 8
и 9 α и γ — это не тип радиоактивного распада, а местоположение
радиоактивных атомов фосфора-32 в трифосфатной группе.
Для наименования
второй группы соединений обозначение радионуклида в квадратных скобках выносят
перед наименованием молекулы: [125I]-альбумин — альбумин, меченный
йодом-125 или [метил -3H]-альбумин — альбумин, меченный тритием за
счет метилирования молекулы [3H]-метильной группой йодистого метила.
4. Основные
радионуклиды в life science
Список радиоактивных
изотопов, которые используются в life science, вообще крайне ограничен самой
природой. В состав органических соединений входят водород, углерод, кислород,
азот, а также гораздо реже фосфор и сера. Следовательно, для получения
немодифицированных меченых соединений круг возможных радионуклидов ограничен
этими биогенными элементами. Их характеристики приведены в таблице 1.
Радионуклид |
Период полураспада |
Удельная активность 100%
изотопа |
Тип распада |
Энергия(max) [MeV] |
[mCi/mmol] |
[Бк/моль] |
3H (тритий)
|
12.43 года |
29.05 |
1,11x1015
|
β |
0.0185 |
14C
|
5730 лет |
0,062 |
2,3х1012
|
β |
0.156 |
32P
|
14.3 дней |
9104 |
0,33х1018
|
β |
1.709 |
33P
|
25.4 дней |
5138 |
0,19х1018
|
β |
0.249 |
35S
|
87.4 дней |
1491 |
0.5х1017
|
β |
0.167 |
125I
|
60 дней |
2167 |
0,8х1017
|
e.c. |
0.25 |
|
К сожалению,
радиоактивные изотопы кислорода и азота имеют совершенно неприемлемый для
работы в life science период полураспада — от нескольких минут до миллисекунд.
Такие ультра короткоживущие изотопы (УКЖ) уже применяются в медицине и технике,
однако их использование в физико-химической биологии весьма проблематично.
Перечень
радионуклидов, которые могут использоваться (и используются) для получения
модифицированных молекул, может быть существенно расширен. Такие
модифицированные молекулы часто используются не только в life science, но и в
медицине (как для диагностики, так и для терапии). Весьма популярны для
медико-биологических работ радионуклиды технеция, хрома и других. В этом
материале не будут рассматриваться медицинские аспекты применения меченых
соединений, поэтому сосредоточимся на использовании радионуклидов, приведенных
в таблице 1.
Следует заметить, что
все радионуклиды из таблицы 1 являются β-излучателями, кроме 125I,
который "затесался" в этот список скорее в знак "особых
заслуг", о которых ниже будет отдельная глава. На самом деле 125I
для меченых соединений практически не используется, так как в живых организмах
особого разнообразия молекул, содержащих йод, не наблюдается.
Вообще,
"идеальный радионуклид" для life science должен отвечать следующим
критериям:
25.
Элемент должен входить в состав всех органических молекул. Это понятно,
так как делает возможным введение "меченого атома" в любую молекулу.
26.
Период полураспада "идеального радионуклида"
10÷100 дней. Это будет соответствовать теоретической молярной
активности в диапазоне 1018÷1017 Бк/моль и сможет
обеспечить высокую чувствительность метода.
27.
Чистый β-излучатель с максимальной энергией излучения не более 0,4
Мэв.Это позволяет сравнительно просто детектировать радионуклид и в тоже время
сохраняет высокое разрешение методов, связанных с авторадиографической
детекцией меченых продуктов.
К сожалению, ни один
из приведенных в таблице радионуклидов не соответствует "идеалу".
Тритий и углерод имеют слишком большой период полураспада, т.е. низкую молярную
активность (особенно, углерод), а очень низкая энергия излучения трития сильно
осложняет его детекцию и радиометрию. Весьма удобные ядерно-физические
характеристики радиоактивных изотопов фосфора и серы не могут компенсировать
ограниченность распространения этих элементов в органических молекулах. Поэтому
выбор радионуклида, который предполагается использовать для исследования,
приходится делать с учетом разных факторов, которые подробно разбираются ниже.
Все приведенные в
таблице радионуклиды — искусственные, реакторные изотопы. В природе существуют
радиоактивные изотопы 3H и 14C, но их содержание очень
низкое, и препаративное выделение таких изотопов как сырья для синтеза меченых
соединений является задачей с экономической точки зрения абсолютно
разорительной. Кратко способы получения радионуклидов из таблицы 1 будут
сообщены в соответствующих разделах.
5. Технические
характеристики меченых соединений
Все препараты меченых
соединений, которые используются в life science, имеют технические
характеристики, подробно указанные фирмой-производителем в паспорте
(сертификате) и кратко — на флаконе с препаратом. Ниже подробно разбираются
термины технических характеристик и их значение.
5.1. Радионуклидная
чистота [ % ]
Это характеристика
радиоизотопной чистоты препарата. Для большинства радионуклидов, применяемых в
life science, не очень важна. Примеси других радионуклидов в тритиевых или 35S
соединениях отсутствуют. Однако, для соединений, меченных фосфором-33, это
важнейшая характеристика, т.к. часто наличие примеси фосфора-32 более
2÷3% делает препарат фосфора-33 весьма сомнительным по качеству с точки
зрения многих методик.
Иногда
фирмы-производители искусственно "подогревают" интерес биохимиков к
препаратам с очень высокой радионуклидной чистотой. Например, у йода много
радиоактивных изотопов со своими индивидуальными ядерно-физическими
характеристиками. Самый популярный в life science радиоизотоп йода — 125I.
Фирма "Амершам" (Amersham) очень гордится тем, что предлагает
исследователям 125I с очень высокой радионуклидной чистотой —
содержание примесного 126I менее 0,01%. В то же время, практически
для всех исследований в life science, включая радиоиммуноанализ, эта
характеристика не является важной, и содержание других радиоактивных изотопов
йода в целевом 125I может быть 0,1% и даже 1% без какого-либо ущерба
для биологического осмысления полученных результатов.
5.2. Радиохимическая
чистота [ % ]
Радиохимическая
чистота (РХЧ) — это содержание основного вещества, которое определяется обычно
хроматографически (ВЭЖХ или ТСХ) в двух разных системах (условиях). Как
правило, РХЧ не ниже 95%. Для большинства исследователей в life science РХЧ
начинает представлять интерес, когда они "угробили" эксперимент и
пытаются понять почему это произошло.
5.3. Объемная
активность [МБк/мл (мКи/мл)]
Иногда объемную
активность называют концентрацией радиоактивности (radioactive concentration),
что вполне отражает суть. На все производимые меченые соединения в паспорте
(сертификате) обязательно указывается дата паспортизации и "reference
data" — дата, на которую дается значение объемной активности. Большинство
препаратов для life science, особенно соединения, меченные фосфором-32 или 33,
имеют высокую объемную активность, и перепроверять (перемерять) заново
величину, указанную в паспорте, просто жалко — слишком большой расход
материала. Так что исследователи просто рассчитывают необходимую им для работы
активность, исходя их данных паспорта с учетом периода полураспада
используемого радионуклида. Естественно, что учет распада радионуклида
проводится для короткоживущих радиоактивных изотопов: фосфора, серы и йода, а
для трития, и тем более для 14С этого не делают.
5.4. Молярная
активность [Бк/моль (Ки/ммоль)]
Молярная активность —
это активность одного моля вещества, содержащего какой-то радионуклид. Устаревшие
единицы измерения Ки/ммоль по-прежнему используются и даже чаще, чем
современные Бк/моль. Это просто удобнее, т.к. величина высокой молярной
активности (например, фосфора-32), выраженная в Бк/моль, часто вызывает у
биологов панику. Сравните: 5000 Ки/ммоль равно 1,85х1017 Бк/моль.
В зарубежной научной
литературе чаще используется термин "специфическая активность"
(specific activity), который является синонимом молярной активности.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|