2121 Kjarnaefnafræði

21.5 Notkun geislasamsætna

Námsmarkmið

Að þessum hluta loknum getur þú:

telja upp algeng notkunarsvið geislavirkra samsætna

Geislavirkar samsætur hafa sömu efnafræðilegu eiginleika og stöðugar samsætur sama frumefnis, en þær gefa frá sér geislun sem hægt er að nema. Ef einu eða fleiri atómum í efnasambandi er skipt út fyrir geislasamsætur er hægt að rekja þau með því að fylgjast með geisluninni sem þau gefa frá sér. Slíkt efnasamband kallast geislavirkt ferilefni (eða geislavirkt merki). Geislasamsætur eru notaðar til að fylgja ferli lífefnafræðilegra efnahvarfa eða til að ákvarða hvernig efni dreifist um lífveru. Geislavirk ferilefni eru einnig notuð víða í læknisfræði, bæði við sjúkdómsgreiningu og meðferð. Þau eru notuð til að mæla slit í vélum, greina jarðmyndanir umhverfis olíulindir og margt fleira.

Geislaónæmismælingar (RIA) byggjast til dæmis á geislasamsætum til að greina hvort tilteknir mótefnavakar eru til staðar og/eða í hvaða styrk. Aðferðin var þróuð af Rosalyn Sussman Yalow og Solomon Berson á sjötta áratugnum og er þekkt fyrir mjög mikið næmi, það er að hún getur greint og mælt afar lítið magn efnis. Áður en hún kom fram byggðust flestar sambærilegar greiningar á nægilega miklu magni til að gefa sýnilega niðurstöðu. RIA olli straumhvörfum og víkkaði út heilar fræðigreinar, einkum innkirtlafræði, og er algeng í fíkniefnagreiningum, skimun í blóðbönkum, snemmleit að krabbameini, hormónamælingum og ofnæmisgreiningu. Fyrir mikilvægt framlag sitt til læknisfræði hlaut Yalow Nóbelsverðlaun og varð önnur konan sem hlaut verðlaunin í læknisfræði.

Geislasamsætur hafa valdið straumhvörfum í læknisfræði (sjá viðauka M), þar sem þær eru mikið notaðar. Árlega eru gerðar yfir 10 milljónir kjarnalæknisfræðilegra aðgerða og meira en 100 milljónir kjarnalæknisfræðilegra rannsókna í Bandaríkjunum. Fjögur dæmigerð dæmi um geislavirk ferilefni sem notuð eru í læknisfræði eru teknetín-99 (⁹⁹₄₃Tc), þallín-201 (²⁰¹₈₁Tl), joð-131 (¹³¹₅₃I) og natrín-24 (²⁴₁₁Na). Skemmdir vefir í hjarta, lifur og lungum taka frekar upp tiltekin teknetín-99-efnasambönd. Eftir að efninu er sprautað inn er hægt að ákvarða staðsetningu teknetínefnasambandsins, og þar með skemmda vefsins, með því að nema γ-geislana sem Tc-99-samsætan gefur frá sér. Þallín-201 (mynd 21.24) safnast fyrir í heilbrigðum hjartavef, þannig að samsæturnar tvær, Tc-99 og Tl-201, eru notaðar saman til að rannsaka hjartavef. Joð-131 safnast fyrir í skjaldkirtli, lifur og sumum hlutum heilans. Því er hægt að nota það til að fylgjast með skjaldkirtilsstækkun og meðhöndla skjaldkirtilssjúkdóma, svo sem Graves-sjúkdóm, auk æxla í lifur og heila. Saltlausnum sem innihalda natrín-24-efnasambönd er sprautað í blóðrásina til að hjálpa við að staðsetja hindranir í blóðflæði.

Ljósmynd sýnir tvo menn, annar gengur á hlaupabretti með ýmsar snúrur tengdar við búkinn, en hinn safnar blóðþrýstingsgögnum frá fyrri manninum. — **Mynd 21.24.** Gjöf þallíns-201 til sjúklings og álagspróf í kjölfarið gera heilbrigðisstarfsfólki kleift að meta hjartastarfsemi og blóðflæði sjónrænt. (mynd: breytt verk eftir „Blue0ctane“/Wikimedia Commons)

Geislasamsætur sem notaðar eru í læknisfræði hafa yfirleitt stuttan helmingunartíma. Hin mjög algenga Tc-99m hefur til dæmis helmingunartímann 6,01 klukkustund. Því er í raun ómögulegt að geyma Tc-99m og flutningur þess er óhóflega dýr, svo það er framleitt á staðnum. Sjúkrahús og aðrar heilbrigðisstofnanir nota Mo-99, sem er aðallega unnið úr klofningsmyndefnum U-235, til að framleiða Tc-99. Mo-99 gengst undir β-hrörnun með helmingunartímann 66 klukkustundir og Tc-99 er síðan einangrað efnafræðilega (mynd 21.25). Móðurkjarntegundin Mo-99 er hluti af mólýbdatjóninni MoO₄²⁻; þegar hún hrörnar myndar hún perteknetatjónina TcO₄⁻. Þessar tvær vatnsleysanlegu jónir eru aðskildar með súluskiljun: mólýbdatjónin með hærri hleðslu ásogast á súrálið í súlunni en perteknetatjónin með lægri hleðslu fer í gegnum súluna í lausninni. Nokkur míkrógrömm af Mo-99 geta myndað nóg Tc-99 til að framkvæma allt að 10.000 rannsóknir.

Ljósmynd og smásjármynd eru sýndar og merktar „a“ og „b“. Mynd a sýnir hönd manneskju sem heldur á mæliglasi með tærri, litlausri lausn og hallar glasinu til að hella henni í lóðrétt, sívalt glerrör. Rörið hefur marga aðskilda glerhluta og er haldið föstu með tilraunaglasaklemmu. Mynd b sýnir fjölda lítilla, rauðra punkta á svörtum bakgrunni. Punktarnir safnast saman á fjórum svæðum en dreifast annars staðar. — **Mynd 21.25.** (a) Fyrsti Tc-99m-rafallinn (um 1958) er notaður til að aðskilja Tc-99 frá Mo-99. MoO₄²⁻ helst eftir í burðarefninu í súlunni, en TcO₄⁻ fer í gegn og er safnað. (b) Tc-99 var notað í þessari skönnun á hálsi sjúklings með Graves-sjúkdóm. Skönnunin sýnir hvar mikill styrkur Tc-99 er. (mynd a: breytt verk frá orkumálaráðuneyti Bandaríkjanna; mynd b: breytt verk eftir „MBq“/Wikimedia Commons)

Einnig er hægt að nota geislasamsætur til meðferðar, þá venjulega í stærri skömmtum en þegar þær eru notaðar sem ferilefni. Geislameðferð felst í notkun orkuríkrar geislunar til að skemma DNA krabbameinsfrumna, sem drepur þær eða kemur í veg fyrir að þær skipti sér (mynd 21.26). Krabbameinssjúklingur getur fengið ytri geislameðferð frá vél utan líkamans eða innri geislameðferð (nærgeislun) frá geislavirku efni sem hefur verið komið fyrir í líkamanum. Athugið að krabbameinslyfjameðferð líkist innri geislameðferð að því leyti að meðferðarefninu er sprautað í líkamann, en er frábrugðin henni að því leyti að hún notar efnafræðileg efni frekar en geislavirk efni til að drepa krabbameinsfrumurnar.

Tvær skýringarmyndir eru sýndar og merktar „a“ og „b“. Mynd a sýnir konu liggjandi á láréttu borði sem er rennt inn í hvelfda vél. Mynd b sýnir nánari mynd af höfði og efri hluta búks konunnar inni í vélinni. Röð geisla, merkt „Gamma rays” (gammageislar), sést koma út úr raufum á brúnum vélarinnar, merktum „Radioactive cobalt” (geislavirkt kóbalt), og smjúga inn í höfuð hennar, sem er merkt „Target“ (mark). — **Mynd 21.26.** Teikningin í (a) sýnir kóbalt-60-vél sem notuð er við krabbameinsmeðferð. Skýringarmyndin í (b) sýnir hvernig geislahöfuð Co-60-vélarinnar sveiflast í boga, beinir geislun að marksvæðinu (æxlinu) og lágmarkar geislun sem fer um nærliggjandi svæði.

Kóbalt-60 er tilbúin geislasamsæta sem verður til við nifteindavirkjun Co-59. Hún gengst síðan undir β-hrörnun og myndar Ni-60 ásamt því að gefa frá sér γ-geislun. Heildarferlið er:

⁵⁹₂₇Co + ¹₀n ⟶ ⁶⁰₂₇Co ⟶ ⁶⁰₂₈Ni + ⁰₋₁β + 2 ⁰₀γ

Heildarhrörnunarferlið er sýnt myndrænt á mynd 21.27.

Skýringarmynd sýnir lárétta línu í efra vinstra horninu sem er merkt „hávísir 60 lágvísir 27 C o“ og „5.272 a“ með tveimur örvum sem vísa til hægri og niður frá henni. Þessar örvar eru merktar „1.48 M e v beta 0.12 prósentumerki“ og „0.31 M e v beta 99.88 prósentumerki.“ Efri örin vísar á lárétta línu og neðri örin vísar á aðra lárétta línu. Ör sem vísar niður liggur á milli þessara tveggja láréttu lína og er merkt „1.1732 M e V gamma.“ Fjórða lárétta línan liggur neðst á myndinni fyrir neðan aðra og þriðju línuna. Ör sem vísar niður liggur á milli hennar og þriðju láréttu línunnar. Hún er merkt „1.3325 M e V gamma.“ Fyrir neðan síðustu láréttu línuna er merkingin „hávísir 60 lágvísir 28 N i.“ — **Mynd 21.27.** Co-60 gengst undir röð geislavirkra hrörnunarferla. γ-geislunin er notuð til geislameðferðar.

Geislasamsætur eru notaðar á fjölbreyttan hátt til að rannsaka hvarfganga efnahvarfa í plöntum og dýrum. Þar má nefna merkingu áburðar í rannsóknum á upptöku næringarefna hjá plöntum og vexti uppskeru, rannsóknir á meltingar- og mjólkurmyndunarferlum hjá kúm og rannsóknir á vexti og efnaskiptum dýra og plantna.

Til dæmis var geislasamsætan C-14 notuð til að skýra nánar hvernig ljóstillífun á sér stað. Heildarefnahvarfið er:

6CO₂(g) + 6H₂O(l) ⟶ C₆H₁₂O₆(s) + 6O₂(g)

Ferlið er þó mun flóknara og fer fram í röð skrefa þar sem ýmis lífræn efnasambönd myndast. Í rannsóknum á ferli þessa hvarfs voru plöntur látnar taka upp CO₂ sem innihélt háan styrk af ¹⁴₆C. Með reglulegu millibili voru plönturnar greindar til að ákvarða hvaða lífrænu efnasambönd innihéldu kolefni-14 og hversu mikið var af hverju efnasambandi. Út frá tímaröðinni þar sem efnasamböndin birtust og magni hvers þeirra á tilteknum tímabilum lærðu vísindamenn meira um ferli hvarfsins.

Hagnýt notkun geislavirkra efna í atvinnulífi er jafn fjölbreytt (mynd 21.28). Hún felur meðal annars í sér að ákvarða þykkt filma og þunnra málmplatna með því að nýta gegnumsmýgingargetu ýmissa tegunda geislunar. Hægt er að finna galla í málmum sem notaðir eru í burðarvirki með orkuríkum gammageislum frá kóbalti-60, á svipaðan hátt og röntgengeislar eru notaðir til að rannsaka mannslíkamann. Í einni gerð meindýravarna er flugum haldið niðri með því að gera karlflugur ófrjóar með γ-geislun, svo kvenflugur sem makast við þær eignist ekki afkvæmi. Mörg matvæli eru varðveitt með geislun sem drepur örverur sem valda skemmdum.

Tvær ljósmyndir eru sýndar og merktar „a“ og „b.“ Mynd a sýnir mann horfa á upplýsta mynd á veggnum. Mynd b sýnir jarðarber á færibandi sem detta ofan í röð söfnunarhólfa. — **Mynd 21.28.** Algeng hagnýt notkun geislunar er meðal annars (a) röntgenskoðun farangurs á flugvelli og (b) varðveisla matvæla. (mynd a: breytt verk frá sjóher Bandaríkjanna; mynd b: breytt verk frá landbúnaðarráðuneyti Bandaríkjanna)

Ameríkín-241, α-geislagjafi með 458 ára helmingunartíma, er notað í örlitlu magni í reykskynjurum sem byggjast á jónun (mynd 21.29). α-geislunin frá Am-241 jónar loftið milli tveggja rafskautsplatna í jónunarhólfinu. Rafhlaða gefur spennu sem veldur hreyfingu jónanna og skapar þannig lítinn rafstraum. Þegar reykur kemur inn í hólfið hindrast hreyfing jónanna og leiðni loftsins minnkar. Þetta veldur greinilegu falli í straumnum og setur viðvörun af stað.

Ljósmynd og skýringarmynd eru sýndar. Ljósmyndin sýnir innviði reykskynjara. Hringlaga plaststykki í neðri hluta skynjarans er merkt „Viðvörun“ á meðan málmskífa efst til vinstri á myndinni er merkt „Jónunarhólf“. Rafhlaða er efst til hægri á skynjaranum. Skýringarmyndin sýnir stækkaða mynd af jónunarhólfinu. Innan í sívölu hulstrinu eru tvær láréttar, hringlaga plötur merktar „Málmplötur“; sú efri er merkt með plúsmerki en sú neðri með mínusmerki. Sýndir eru vírar sem tengjast plötunum og skautum rafhlöðu utan á hólfinu. Skífa í botni hólfsins er merkt „Ameríkíngjafi“ og fjórar örvar, merktar „Alfaeindir“, vísa beint upp frá þessari skífu, í gegnum gat á neikvæðu plötunni og inn í efra rými hólfsins. Tvær sameindir, með plúsmerkjum, sem samanstanda af tveimur bláum kúlum og tvær sameindir, með plúsmerkjum, sem samanstanda af tveimur rauðum kúlum eru í þessu rými, auk tveggja gulra kúlna sem eru merktar með mínusmerkjum og örvum sem vísa niður. Ellefu hvítir punktar umlykja tvær af sameindunum hægra megin á myndinni og eru merktir „reykagnir“. Fyrir ofan vinstri hlið myndarinnar er setningin „Enginn reykur, hlaðnar eindir loka rafrásinni“ en setning fyrir ofan hægri hlið myndarinnar segir „Reykur afhleður eindirnar, rafrásin rofnar, viðvörun fer í gang.“ — **Mynd 21.29.** Inni í reykskynjara gefur Am-241 frá sér α-eindir sem jóna loftið og skapa lítinn rafstraum. Í eldsvoða hindra reykagnir flæði jóna, sem dregur úr straumnum og setur viðvörun af stað. (mynd a: breytt verk eftir „Muffet“/Wikimedia Commons)