Применение изотопов

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Стабильные изотопы нашли наибольшее применение в химии (для изучения механизма химических реакций, процессов горения, катализа, синтеза химических соединений, в спектрометрии), в биологии, физиологии, биохимии и агрохимии (для изучения процессов обмена веществ в живых организмах, превращения белков, жирных и аминокислот, процессов фотосинтеза в растениях, движения воды от корня по стеблю к листьям и плодам). Они также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счетчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счета более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов. Перечисленное, однако, далеко не исчерпывает все существующие и возможные области использования изотопов. Более того, сфера их использования как эффективных помощников в решении целого ряда научных и прикладных проблем расширяется с каждым годом. Поэтому-то, безусловно, несмотря на уменьшающийся с каждым годом и ставший практически ничтожным объем государственного финансирования изотопного производства, работа над его развитием в последние 10 лет продолжается. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой воды D₂O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза. В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.

В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во 2-й половине XX в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода (²H и ³H), углерода (¹³C и ¹⁴C), азота (¹⁵N), кислорода (¹⁸O), фосфора (³²P), серы (³⁵S), железа (⁵⁹Fe), йода (¹³¹I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ карбонатов, нитратов, фосфатов и др. С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервную и мышечные ткани, кальция в кости). Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за "судьбой" отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах. К работам этой группы относится выяснение вопроса о происхождении кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а не двуокись углерода. С другой стороны, применение ¹⁴CO₂ позволило выяснить пути превращений двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Использование "меченой" пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их "судьбе" в организме и помогло проследить за влиянием внутренних и внешних факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ. Метод изотопов позволил изучить процессы обратимого транспорта веществ через биологические мембраны. Было показано, что концентрации веществ по обе стороны мембраны остаются постоянными с сохранением градиентов концентрации, характерных для каждой из разделённых мембранами сред. Метод нашёл применение в исследовании процессов, решающую роль в которых играет передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, инициация и рецепция раздражения и др.) Эффективность метода изотопов в работах этого рода обусловлена тем, что исследования проводятся на целостных, интактных организмах, сохраняющих неповрежденной всю сложную систему нервных и гуморальных связей. Наконец, группа работ включает исследования статических характеристик биологических структур, начиная с молекулярного уровня (белки, нуклеиновые кислоты) и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, хромосомы и др. органеллы). Например, исследования относительной устойчивости белков и нуклеиновых кислот в ¹H₂O, ²H₂O и в H₂¹⁸O способствовали выяснению природы сил, стабилизирующих структуру биополимеров, в частности роли водородных связей в биологических системах. Важное значение при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа, а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения. Преимущество стабильных изотопов (²H, ¹⁸O,¹⁵N и др.) - отсутствие излучений, часто оказывающих побочное воздействие на исследуемую живую систему. В то же время, сравнительно низкая чувствительность методов их определений (масс-спектроскопия, денситометрия), а также необходимость выделения меченого соединения ограничивают применение стабильных изотопов в биологии. Высокая чувствительность регистрации гамма-активных изотопов (⁵⁹Fe, ¹³¹I и др.) позволила в живом организме измерить скорость кроветока, определить количество крови и время её полного кругооборота, исследовать работу желёз внутренней секреции.

Использование изотопов в медицине. С помощью изотопов были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний. Изотопы вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и изотопы. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют радиометрическими приборами, скенированием, авторадиографией и др. Так, состояние большого и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока, изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих ²⁴Na, ¹³¹I, ⁹⁹Tc; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют ⁹⁹Tc, ¹³³Xe; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с ¹³¹I используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы. Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с ¹³¹I,¹⁹⁸Au; функцию почек при ренографии c ¹³¹I-гиппураном и скенированием после введения неогидрина, меченого ²⁰³Hg или ⁹⁹Tc. Изображение кишечника, желудка получают, используя ⁹⁹Tc, селезёнки применяя эритроциты с ⁹⁹Tc или ⁵¹Сr; с помощью ⁷⁵Se диагностируют заболевания поджелудочной железы. Диагностическое применение имеют также ⁸⁵Sr и ⁸⁵P.

Использование изотопов в сельском хозяйстве (³H, ¹⁴C, ²²Na, ³²P, ³⁵S, ⁴²K, ⁴⁵Ca, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, ⁹⁹Mo и др.) широко используются для определения физических свойств почвы и запасов в ней элементов пищи растений, для изучения взаимодействия почвы и удобрений, процессов усвоения растениями питательных элементов из минеральных туков, поступления в растения минеральной пищи через листья и других вопросов почвоведения и агрохимии. Пользуются изотопами для выявления действия на растительный организм пестицидов, в частности гербицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод изотопов, исследуют важнейшие биологические свойства с/х культур (при оценке и отборе селекционного материала) урожайность, скороспелость, хладостойкость. В животноводстве изучают физиологические процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов на содержание токсичных веществ (малые дозы которых трудно определить химическими методами) и микроэлементов. При помощи изотопов разрабатывают приёмы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.

Дата добавления: 2015-05-10