Politechnika Warszawska

Wydział Fizyki

Metody i Techniki Jądrowe

w Środowisku, Przemyśle i Medycynie

Jan Przyborowski

Praca zaliczeniowa, rok ak. 1998/99

Metody radiooznacznikowe

Znaczniki są to substancje, które można łatwo wykryć. Podstawowym wymaganiem jest to, aby były one reprezentatywne (tzn pod względem fizykochemicznym. podobne do tego, co się za ich pomocą śledzi). Kiedyś znaczniki wyróżniały się zazwyczaj jaskrawą barwą, co pozwalało śledzić przepływy innych substancji (wody, ścieków). Radiooznaczniki, tj. znaczniki uzyskane z izotopów promieniotwórczych, dzięki łatwej detekcji nawet bardzo małych ich ilości, możliwości dość dokładnego szacowania ilości znacznika w danym punkcie pomiarowym oraz – w przypadku stosowania jako znacznika izotopu promieniotwórczego pierwiastka występującego w śledzonej substancji – dzięki własnościom chemicznym identycznym z własnościami badanej substancji, mają szersze zastosowanie. Przed ich opisaniem należy poświęcić parę słów metodom uzyskiwania radionuklidów używanych jako radiooznaczniki.

Wytwarzanie radiooznaczników

Podstawową metodą jest aktywacja neutronowa. Ze względu na łatwość i ekonomiczność jest ona stosowana do wytwarzania 24 z ok. 30 stosowanych powszechnie radionuklidów. Przeprowadzana jest ona w reaktorach jądrowych i polega na umieszczeniu próbki w obszarze, w którym jest ona wystawiona na działanie szybkich lub termicznych neutronów. Neutrony wnikając do jąder atomowych powodują tworzenie się izotopów. Tą metodą uzyskuje się między innymi ²⁴Na, ⁶⁰Co, ⁴¹Ar, ⁸²Br.

Drugą drogą uzyskiwania izotopów jest reakcja rozszczepienia. Reakcja ta zachodzi w reaktorach jądrowych. Rozszczepieniu ulega w nich uran, rozpadając się na dwie - zwykle nierówne – części. Z wypalonego paliwa jądrowego można wyodrębnić przydatne w przemyśle izotopy, takie jak ⁸⁵Kr, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁷Pm, ¹³¹I.

Kolejną metodą jest aktywacja cząstkami naładowanymi, z akceleratora bądź cyklotronu. Pozwala ona aktywować np. powierzchnię części, której zużycie bądź ścieranie ma być badane. Na przykład podczas napromieniania żeliwa zachodzi reakcja ⁵⁶Fe(p,n) ⁵⁶Co. W ten sposób wytwarza się również ⁷Be, ²²Na, ⁵²Fe oraz stosowany powszechnie w medycynie ¹²³I.

Wreszcie źródłem radionuklidów mogą być generatory radionuklidów. Wykorzystuje się w nich długożyciowy izotop, który podczas rozpadu tworzy radionuklidy. Na zdjęciu obok widać przenośną wytwornicę bromku metylu (po wskazaniu zdjęć myszką, ukazuje się opis oraz informacja o pochodzeniu).

Próbki można znakować bezpośrednio (za pomocą wspomnianej aktywacji cząstkami naładowanymi). Aktywuje się np. powierzchnię tłoka silnika, a następnie bada jej zużycie, mierząc jej zmniejszającą się aktywność. Można również stwierdzić jak wiele radioaktywnego metalu startego z tłoka znajduje się w innych częściach silnika.

Inna metoda znakowania polega na umieszczeniu gotowego znacznika w badanej substancji. W ten sposób znaczy się gazy i ciecze – mieszając je z odpowiednimi znacznikami, ale również niektóre ciała stałe. Na przykład zużycie opon bada się umieszczając wewnątrz bieżnika radioaktywne kuleczki. W miarę ścierania się opony warstwa gumy staje się coraz cieńsza i mierzona aktywność rośnie.

Wykorzystanie radiooznaczników

Dzięki identycznym właściwościom chemicznym izotopów radioaktywnych oraz trwałych znakowanie izotopami promieniotwórczymi stało się bardzo ważnym narzędziem w rękach chemików. Radiooznaczniki przydają się podczas miareczkowania, badania reakcji wymiany typu AX* + BX Û AX + BX*. Pozwalają one również znacznie dokładniej niż kiedyś badać mechanizmy wieloetapowych reakcji chemicznych, rozpuszczalność ciał trudno rozpuszczalnych oraz nadają się do mierzenia małych prężności par. Najbardziej spektakularnym przykładem wykorzystania znaczników promieniotwórczych w biochemii było rozszyfrowanie mechanizmu fotosyntezy.

W metaloznawstwie znacznikowanie wykorzystuje się do badania zjawisk związanych z dyfuzją, korozją, erozją i ścieraniem. Badany obiekt zwykle znakuje się bezpośrednio za pomocą aktywacji cząstkami naładowanymi. Po wykonaniu obmiarów w pewnych odstępach czasu uzyskuje się dane dotyczące przemieszczania się znacznika, zmniejszenia się grubości znaczonej warstwy itp. Pozwalają one badać wymienione wyżej zjawiska.

Trochę więcej miejsca trzeba poświęcić wykorzystaniu radiooznaczników w badaniu defektów oraz nieszczelności instalacji. Historycznie jest to jedno z pierwszych zastosowań znaczników promieniotwórczych w przemyśle, zwłaszcza chemicznym i petrochemicznym. Obecnie znaczniki takie wykorzystuje się do kontroli szczelności także innych układów, takich jak zbiorniki, rurociągi, kanały ściekowe, kable telefoniczne itp.

Ogólna zasada metody polega na wprowadzeniu do instalacji odpowiedniego znacznika, mieszającego się z gazem lub cieczą wypełniającą instalację. Jeżeli w ściankach układu występują nieszczelności, medium, razem ze znacznikiem, wycieka, tworząc radioaktywne, łatwe do wykrycia plamy. Aby uniknąć rozprzestrzeniania się plam oraz skażenia, stosuje się znaczniki w postaci związków chemicznych silnie adsorbowanych w ośrodku otaczającym instalację – najczęściej w ziemi lub materiałach izolacyjnych, gdy zaś zachodzi taka potrzeba instalację okleja się specjalnymi adsorbentami w miejscach spodziewanej nieszczelności. Po iniekcji znacznika i upływie pewnego czasu dokonuje się obmiaru promieniowania w otoczeniu badanego obiektu.

Znacznikiem promieniotwórczym stosowanym często w takich badaniach jest gazowy bromek metylu (CH₃⁸²Br), który można wygodnie wytwarzać w przenośnym reaktorze chemicznym, w którym reaguje radioaktywny bromek potasu w środowisku kwasu siarkowego (zdjęcie powyżej).

Oprócz bromku metylu, do wykrywania przecieków wykorzystuje się też rozpuszczalne w wodzie sole, znakowane izotopami ²⁴Na, ³⁸Cl lub wspomnianym ⁸²Br.

Pomiar nieszczelności obiektów o małych objętościach nie nastręcza trudności – po prostu całą instalację wypełnia się oznaczonym medium, podwyższa ciśnienie, a po kilkunastu godzinach usuwa się znacznik i dokonuje obmiaru. Miejsca, w których powstały plamy radioaktywne, to nieszczelności; wykrywa się również szczeliny i pęknięcia, w których osadził się znacznik.

Sprawa staje się bardziej skomplikowana, gdy chce się zbadać szczelność rurociągu o długości wielu kilometrów, zakopanego pod ziemią. W zależności od długości kontrolowanego rurociągu i jego średnicy stosuje się różne sposoby znakowania płynów przepływających przez rurociąg.

· znakowanie całej objętości – stosuje się zwykle w badaniach rurociągów raczej krótkich, przy niezbyt dużych przewidywanych

nieszczelnościach. Metoda ta jest analogiczna do opisanej powyżej. Po zamknięciu obu końców rury wtłacza się do niej znaczony płyn (rysunek po lewej). Po pewnym czasie utrzymywania znacznika w rurze mierzy się natężenie promieniowania gamma tuż nad powierzchnią ziemi wzdłuż osi rurociągu (rysunek po prawej). Wygodną metodą jest rejestracja wskazań sondy w sposób ciągły, np. za pomocą komputera. W celu ułatwienia dokładnej lokalizacji nieszczelności, reprezentowanych przez piki na wykresie aktywności, wzdłuż rurociągu umieszcza się źródła punktowe, dające wysokie piki, których lokalizacja jest znana, tzw. piki odniesienia. Poniższy rysunek, zaczerpnięty z poz. [2], przestawia przykładowy zapis wskazań takiej sondy (1,2 piki odniesienia, pozostałe to większe bądź mniejsze nieszczelności):

· znakowanie impulsowe centralne – jak sama nazwa wskazuje, iniekcji znacznika dokonuje się impulsowo w centralnej (najczęściej

zależy to tak naprawdę od usytuowania studzienek) części badanego odcinka. Detekcję promieniowania przeprowadza się wtedy za pomocą wielu sond rozmieszczonych w określonych odstępach w obu kierunkach od punktu centralnego. W ten sposób można określić kierunek ruchu znacznika unoszonego ku miejscom wycieków (rysunki).

· znakowanie impulsowe w kilku punktach – stosuje się w badaniach rurociągów dłuższych niż około 20 km (rysunek po lewej stronie).

Pomiary przeprowadza się w sposób podobny jak przy iniekcji centralnej, to znaczy przy pomocy wielu sond rozmieszczonych wzdłuż rurociągu. Jeżeli rurociąg jest długi, a nieszczelność znaczna, niezbędne jest ciągłe dotłaczanie płynu roboczego (rysunek po prawej).

Jeżeli rurociąg zalega zbyt głęboko pod powierzchnią ziemi, to promieniowanie znacznika wypływającego przez nieszczelności nie może być już rejestrowane z powierzchni ziemi. W takich przypadkach zamiast sond powierzchniowych stosuje się układy detekcyjne wprowadzane do rurociągu. Rurociągi krótkie napełnia się płynem roboczym, iniekuje się do niego znacznik, po upływie odpowiedniego czasu rurociąg opróżnia się i przepłukuje. Znacznik który wydostał się przez nieszczelności do otaczającego gruntu wytwarza w nim obszary radioaktywne, które następnie są lokalizowane za pomocą sondy scyntylacyjnej przeciąganej wewnątrz rurociągu. Do kontroli szczelności rurociągów długich opracowano inną metodę. Polega ona na hydraulicznym przepychaniu przez rurociąg układu składającego się z tłoków, pomiędzy którymi znajduje się kolejno ciecz aktywna, czysta woda oraz sonda pomiarowo-rejestrująca (zamieszczone ilustracje ukazują sondę w obudowie oraz bez obudowy).

Zasada dziania takiego układu jest dość prosta – ilustruje ją poniższy schemat. Ciecz znaczona jest pod ciśnieniem wymuszonym siłą tarcia pierwszego tłoka o ściany rurociągu. Ciśnienie to powoduje wypływanie znaczonej cieczy przez nieszczelności. Następnie ścianki rurociągu są płukane czystą wodą, tak że sonda rejestruje podwyższoną promieniotwórczość jedynie w miejscach w których ciecz wyciekła poza rurociąg. W połączeniu z wskaźnikiem przebytej drogi (hodometrem), urządzenie takie pozwala na lokalizację nieszczelności z dokładnością w granicach kilku metrów w rurociągach o średnicy większej niż 250 mm.

Oprócz sond wędrujących, innym sposobem wykrywania nieszczelności długich rurociągów jest metoda pływaków. Polega ona na tym, że do strumienia cieczy płynącej w rurociągu wprowadza się pływak z zamkniętym źródłem promieniowania gamma – najczęściej ⁶⁰Co. Taki pływak jest unoszony przez ciecz, jednakże w miejscach w których są nieszczelności zwalnia wskutek dociskania go do ścianek rurociągu przez strumienie cieczy wypływającej na zewnątrz, przy bardzo dużych wyciekach może on zostać wręcz całkowicie przyssany.

Izotopy promieniotwórcze wykorzystywane są również szeroko w medycynie. Jedną gałąź tych zastosowań stanowią naświetlania, służące zazwyczaj walce z rakiem, drugą zaś badania, w których korzysta się z radiooznaczników. Pierwsze próby wykorzystania radu w celach diagnostycznych odbyły się już w latach dwudziestych. Polegały one na wstrzykiwaniu dożylnie roztworu soli radowej, a następnie oznaczaniu aktywności promieniotwórczej radonu w powietrzu wydychanym przez pacjenta. W tym samym czasie rozpoczęto badania metabolizmu w roślinach, korzystając z radiogenicznych izotopów ołowiu (rysunek). Podejmowano też próby nad zastosowaniem metody znacznikowej w badaniach kardiologicznych z wykorzystaniem izotopu bizmutu ²¹⁴Bi.

Możliwości medycyny nuklearnej znacznie poszerzyło odkrycie sztucznej promieniotwórczości. Dzięki niej do celów medycznych może być wykorzystanych kilkadziesiąt różnych izotopów promieniotwórczych o własnościach odpowiednich dla poszczególnych badań i jednocześnie bezpiecznych dla organizmu pacjenta, tzn. nietoksycznych, o krótkich czasach połowicznego rozpadu (od kilku minut do – w wymagających tego przypadkach – kilkudziesięciu dni) i nieemitujących cząstek naładowanych, zwłaszcza silnie jonizujących cząstek a (to ostatnie ograniczenie dotyczy oczywiście izotopów używanych jako znaczniki w ciele pacjenta a nie tych używanych jako źródła promieniowania jonizującego do niszczenia tkanek nowotworowych). Każdy nowy związek musi zostać przetestowany w celu stwierdzenia jak szybko dana substancja jest wydalana z organizmu, w jakim stopniu gromadzi się wybiórczo w określonych organach wewnętrznych, czy jest ona wiązana przez proteiny itp.

Do śledzenia znakowanych substancji i produktów ich metabolizmu w organizmach zwierząt doświadczalnych podczas badań można stosować dwie techniki. Pierwsza z nich (podstawowa) polega na oznaczeniu aktywności promieniotwórczej pobieranych próbek krwi, moczu, tkanek. Drugą (pomocniczą) jest autoradiografia całego organizmu lub jego części odpowiednio spreparowanych po uśpieniu i zamrożeniu danego zwierzęcia.

Po zatężeniu próbek za pomocą metod takich jak liofilizacja czy odwirowywanie, związki znaczone i produkty ich metabolizmu można oznaczać już na poziomie 10^-12 kg. Dzięki tak niskim granicom wykrywalności, ich ilości wprowadzane do organizmu pacjenta mogą być na tyle małe, że nie zakłócają naturalnego przebiegu badanych procesów biologicznych i biochemicznych.

Jednym z ważnych zastosowań opisanych metod badawczych są znacznikowe badania immunologiczne. Dotyczą one reagowania organizmu na różne antygeny pobudzające organizm do wytwarzania odpowiednich przeciwciał. Poznanie mechanizmu ich działania pozwala na produkcję skutecznych szczepionek i surowic.

W diagnostyce często przeprowadza się badania polegające na podaniu pacjentowi związku chem. znakowanego izotopem węgla ¹⁴C a następnie na oznaczeniu zawartości tego izotopu w wydychanym powietrzu. Przykładem takiego badania może być test na obecność bakterii Helicobacter pylori. Zamiast tradycyjnego badania polegającego na pobraniu wycinków śluzówki z żołądka, pacjentowi podaje się znaczony mocznik. Bakteria Hp wytwarza enzym ureazę rozkładający mocznik z uwolnieniem dwutlenku węgla, który jest następnie wchłaniany przez krew, transportowany do płuc a w końcu wydychany. Badanie sprowadza się do oznaczenia aktywności promieniotwórczej wydychanego powietrza. Stwierdzeni podwyższonej aktywności i obecności ¹⁴CO₂ świadczy o obecności bakterii Hp w organizmie badanego pacjenta. W podobny sposób diagnozuje się schorzenia trzustki i wątroby. Znaczniki są też powszechnie używane przy badaniach onkologicznych – podana pacjentowi promieniotwórcza glukoza powoduje wzmożoną aktywność regionów o przyspieszonym – często patologicznie – metabolizmie.

Na koniec już tylko pokrótce wspomnę o niektórych z pośród zastosowań znaczników promieniotwórczych. W rolnictwie na przykład są one stosowane do badania migracji różnych nawozów sztucznych i pestycydów. Również w rolnictwie znaczniki posłużyły do badania procesu powstawania mleka krowiego. Stosując izotopy wapnia i fosforu można było określić optymalne ilości tych pierwiastków, jakie należy dodawać do pasz, aby zwiększyć mleczność krów.

Innymi przykładami zastosowań znaczników promieniotwórczych w rolnictwie mogą być badania szybkości migracji niektórych pierwiastków ciężkich w glebach czy śledzenie procesów ługowania azotu z nawozów sztucznych.

Ekologowie korzystają z radiooznaczników do obserwowania ruchów atmosfery i śledzenia przemieszczania się zanieczyszczeń (do takich celów wykorzystuje się najczęściej promieniotwórczy izotop argonu ³⁷Ar o okresie połowicznego rozpadu około 35 dni). Wśród zagadnień związanych z ekologią w których wykorzystuje się znaczniki promieniotwórcze można jeszcze wspomnieć o badaniu procesów zachodzących w oczyszczalniach ścieków. Opracowano również znacznikowe metody badania dynamiki wymiany masy między atmosferą i wodami naturalnymi.

Metody radiooznacznikowe wykorzystuje się nawet w kryminalistyce – mogą one ułatwić np. dokładne odczytanie odcisków palców. W tym przypadku metoda oparta jest na pewnych chemicznych reakcjach wymiany zachodzących między substancjami zawartymi w wydzielinie tłuszczowej opuszek palców i związkami organicznymi znaczonymi izotopem ¹⁴C. W czasie tych reakcji gromadzi się on w odciśniętych liniach papilarnych, po wykonaniu autoradiogramu takiego odcisku można otrzymać wyraźny obraz takich linii.

Jak widać metody radiooznacznikowe znajdują bardzo szerokie zastosowania w wielu dziedzinach. Wymienione przykłady stanowią jedynie drobną część znalezionych przeze mnie w różnych źródłach ich zastosowań, sądzę z kolei że te znalezione stanowią zaledwie drobną część wszystkich! Ich ilość ciągle się zresztą zwiększa. W ośrodkach na całym świecie (również w Polsce w instytutach takich jak Warszawski Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Instytut Fizyki i Techniki Jądrowej AGH w Krakowie czy w Instytucie Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku i in.) prowadzone są badania nad nowymi zastosowaniami i metodami badań z wykorzystaniem substancji znaczonych radioaktywnie oraz nad udoskonaleniem tych, które są stosowane obecnie.

Referencje i ciekawe linki:

[1] Zdzisław Kazimierczuk (1985) Wszechwiedzące izotopy. Alfa Warszawa

[2] Bohdan Dziunikowski (1995) Zastosowanie izotopów promieniotwórczych. Wydawnictwo AGH Kraków

[3] (1988) Zastosowanie technik radioizotopowych w przemyśle, medycynie i ochronie środowiska. ICHTJ Warszawa

[4] materiały reklamowe i informacyjne ICHTJ Warszawa

[5] Postępy Techniki Jądrowej 2-97

Strony internetowe:

Instytut Chemii i Techniki Jądrowej

http://www.ichtj.waw.pl

The World of Nuclear Science http://library.thinkquest.org/C004606/applications/science.shtml

Uranium Instytute http://www.uilondon.org/education_resources/peaceful_atom/indexprint.htm

Akademia Górniczo-Technicznej w Krakowie http://www.agh.edu.pl

Chciałbym serdecznie podziękować pracownikom ICHTJ, którzy udostępnili mi wiele materiałów dotyczących ich pracy.