Изотопни индикатори - Голяма съветска енциклопедия
Изотопни индикатори,вещества, които имат изотопен състав, различен от естествения и следователно се използват като етикет при изследване на голямо разнообразие от процеси. Ролята на изотопен етикет се изпълнява от стабилни или радиоактивни изотопи на химични елементи, които могат лесно да бъдат открити и количествено определени. Високата чувствителност и специфичност на изотопните индикатори позволяват тяхното проследяване в сложни процеси на движение, разпределение и трансформация на вещества в произволно сложни системи, включително в живите организми.
Методът на изотопните индикатори (наричан още метод на маркирани атоми) е предложен за първи път от D. Hevesy и F. Panet през 1913 г. Широкото използване на изотопни индикатори става възможно благодарение на развитието на ядрената технология, което прави възможно получаването на изотопи в масов мащаб.
Методът на изотопните индикатори се основава на факта, че химичните свойства на различните изотопи на един и същи елемент са почти еднакви (поради което поведението на белязаните атоми в изследваните процеси практически не се различава от поведението на други атоми на същия елемент), както и на лекотата на откриване на изотопи, особено радиоактивни. При използването на метода е необходимо да се вземат предвид възможните реакции на изотопен обмен, водещи до преразпределение на белязаните атоми (следователно до загуба на етикета от съединението), а понякога и да се вземат предвид радиационните ефекти, свързани с влиянието на радиоактивното лъчение върху хода на процеса. Изотопът, използван като етикет, се въвежда в изследваните съединения. Могат да се използват както стабилни, така и радиоактивни изотопи.
Предимството на стабилните изотопи е тяхната стабилност и липсата на ядрена радиация. Въпреки това, само малък брой елементи имат подходящи стабилни изотопи. Ниска наличностпоследното и сравнително сложната техника за откриване са недостатъци на метода за изотопно проследяване, използващ стабилни изотопи. Предимството на радиоактивните изотопи е възможността за получаването им за почти всички елементи на периодичната система, висока чувствителност, специфичност и точност на определяне, простота и наличие на измервателно оборудване. Следователно повечето изследвания, използващи метода на изотопния индикатор, се извършват с радиоактивни изотопи.
Елементи като водород, въглерод, сяра, хлор, олово имат както стабилни - 2 H, 13 C, 34 S, 35 Cl, 37 Cl, 204 Pb, така и радиоактивни изотопи - 3 H, 11 C, 14 C, 35 S, 36 C1, 212 Pb. Като изотопи на азота и кислорода най-често се използват стабилни 15 N и 18 O и др. Стабилни изотопни индикатори се получават чрез обогатяване на естествени изотопни смеси чрез повтарящи се операции на разделяне (дестилация, дифузия, термична дифузия, изотопен обмен, електролиза; виж Разделяне на изотопи), както и в масспектрометрични инсталации и в ядрени реакции.
За елементи, които съществуват в природата под формата на единичен изотоп (Be, F, Na, Al, P, I), като белязани атоми се използват само изкуствени радиоактивни изотопи; примери за често използвани радиоактивни изотопи са 3 H, 14 C, 32 P, 35 S, 45 Ca, 51 Cr, 59 Fe, 60 Co, 89 Sr, 95 Nb, 110 Ag, 131 I и др. Изборът на радиоактивен изотоп се определя от неговите ядрени характеристики - период на полуразпад, вид и енергия на излъчване. За индикация са подходящи радиоактивни изотопи, чийто период на полуразпад не е много кратък, което позволява работа за необходимото за експеримента време, но и не много дълъг, което дава възможност за работа с много малки количества от индикатора.
известенразлични методи за синтез на белязани съединения. Наред с конвенционалния химичен синтез се използват реакции на изотопен обмен и биологичен синтез. В повечето случаи изотопният етикет заема определена позиция в молекулата; например, пропионовата киселина може да бъде маркирана с въглерод по три начина: 14CH3CH2COOH, CH3 14CH2COOH, CH3CH2 14COOH.
Има три основни приложения за изотопни индикатори. Методът на изотопните индикатори се използва за изследване на характера на разпределението на веществата и пътищата на тяхното движение. В една или друга система се въвеждат изотопни индикатори и на определени интервали се установява наличието на изотопни индикатори в различни части на системата. Най-илюстративните снимки на разпределението се получават без разрушаване на пробата с помощта на радиоавтограми (вижте Авторадиография).
Друга област на приложение на изотопните индикатори е количественият анализ. Един от най-простите и най-често срещаните варианти на изотопния индикатор е методът на изотопно разреждане, при който към анализираното вещество се добавя дозирано количество изотопен индикатор и първоначалното количество на веществото се определя от степента на неговото разреждане. Този метод дава възможност да се определят пренебрежимо малки количества трудни за откриване вещества и, обратно, големи маси вещества; анализират сложни смеси, чийто анализ и разделяне с други методи е невъзможно. Активационният анализ, съседен на метода на изотопните индикатори, където етикетът е изотоп на друг елемент, образуван от дадения в резултат на ядрена реакция, има широки възможности. Този метод е особено важен при определяне на микроелементи в метали, сплави, минерали, тъкани и при бърз контрол на технологични процеси. Количествен анализ на естествени изотопи, включени вестествената радиоактивна серия на уран и торий, както и количественото определяне на изотопа 14 C в мъртви организми, позволяват да се определи възрастта на скалите и археологическите находки.
Третото направление в използването на изотопни индикатори е изясняването на механизма на различни процеси и изследването на структурата на химичните съединения. Въвеждането на изотопен етикет в определена позиция на молекулата премахва химическата неразличимост на атомите, което позволява недвусмислено изясняване на механизма на определени реакции, за които конвенционалните химични методи описват само началното и крайното състояние.
Всички тези области на приложение на изотопните индикатори са широко представени в различни области на химията, биологията, медицината, технологиите, селското стопанство и др. По-долу са дадени някои примери за тяхното използване.
Лит .: Радиоактивни изотопи в химичните изследвания, L. - M., 1965; Рогински С. З., Теоретични основи на изотопните методи за изследване на химичните реакции, М., 1956; Ядрено-физични методи за анализ на веществата, М., 1971 г. (Всесъюзна научно-техническа конференция "XX години производство и използване на изотопи и източници на ядрено лъчение в народното стопанство на СССР", Минск, 1968 г.).
В биологията изотопните индикатори се използват за решаване както на фундаментални, така и на приложни биологични проблеми, чието изследване е трудно или невъзможно с други методи. Съществено предимство за биологията на метода на белязаните атоми е, че използването на изотопни индикатори не нарушава целостта на организма и основните му жизнени функции. Използването на изотопни индикатори е свързано с много големи постижения в съвременната биология, които определят разцвета на биологичните науки през втората половина на 20 век. С помощта на стабилни и радиоактивни изотопи на водорода ( 2H и 3 H), въглерод ( 13 C и 14 C), азот ( 15 N), кислород ( 18 O), фосфор ( 32 P), сяра ( 35 S), желязо ( 59 Fe), йод ( 131 I) и др. сложни и взаимосвързани процеси на биосинтеза и разграждане на протеини, нуклеинови киселини, въглехидрати, мазнини и други биологично активни съединения, както и на химични механизми на техните трансформации в жива клетка(фиг. 1-3).Използването на изотопни индикатори доведе до преразглеждане на предишните идеи за природата на фотосинтезата, както и за механизмите, които осигуряват усвояването на неорганични вещества от растенията - карбонати, нитрати, фосфати и др.
С помощта на изотопни индикатори са извършени огромен брой изследвания в голямо разнообразие от области на биологията и биохимията. Едно от направленията включва работа по изучаване на динамиката и начините на движение на популациите в биосферата и индивидите в дадена популация, миграцията на микроби, както и на отделни съединения в тялото. Чрез въвеждане на етикет в организми с храна или чрез инжектиране беше възможно да се изследват скоростта и миграционните пътища на много насекоми (комари, мухи, скакалци), птици, гризачи и други малки животни и да се получат данни за размера на техните популации. В областта на физиологията и биохимията на растенията с помощта на изотопни индикатори са решени редица теоретични и приложни проблеми: изяснени са пътищата на навлизане на минерални вещества, течности и газове в растенията, както и ролята на различни химични елементи, включително микроелементи, в живота на растенията(фиг. 4). В областта на физиологията и биохимията на животните и хората са изследвани нивата на прием на различни веществав техните тъкани (включително скоростта на включване на желязото в хемоглобина, фосфора в нервната и мускулната тъкан, калция в костите).
Важна група от трудове обхваща изучаването на механизмите на химичните реакции в организма. Така в много случаи беше възможно да се установи връзка между първоначалните и новообразуваните молекули, да се проследи "съдбата" на отделните атоми и химични групи в метаболитните процеси, а също и да се установи последователността и скоростта на тези трансформации. Получените данни изиграха решаваща роля в изграждането на съвременни схеми на биосинтеза и метаболизъм (метаболитни карти), пътища за трансформация на храна, лекарства и отрови в живите организми. Работата на тази група включва изясняване на въпроса за произхода на кислорода, отделен в процеса на фотосинтеза: оказа се, че неговият източник е вода, а не въглероден диоксид. От друга страна, използването на 14 CO2 направи възможно да се изяснят начините, по които въглеродният диоксид се преобразува в процеса на фотосинтеза. Използването на "етикетирана" храна доведе до ново разбиране за скоростта на усвояване и разпределение на хранителните вещества, тяхната "съдба" в тялото и помогна да се проследи влиянието на вътрешни и външни фактори (гладуване, асфиксия, преумора и др.) върху метаболизма. Методът на изотопните индикатори позволи да се изследват процесите на обратим транспорт на вещества през биологични мембрани. Показано е, че концентрациите на вещества от двете страни на мембраната остават постоянни със запазване на концентрационните градиенти, характерни за всяка от средите, разделени от мембраните.
Методът на изотопните индикатори е намерил приложение при изследване на процеси, при които трансферът на информация в тялото играе решаваща роля (провеждане на нервни импулси, иницииране и приемане на дразнене и др.).рода се дължи на факта, че се провеждат изследвания върху холистични, непокътнати организми, които запазват непокътната цялата сложна система от нервни и хуморални връзки. И накрая, групата работи включва изследвания на статичните характеристики на биологичните структури, започвайки от молекулярно ниво (протеини, нуклеинови киселини) и завършвайки с надмолекулни структури (рибозоми, хромозоми и други органели). Например, изследванията на относителната стабилност на протеини и нуклеинови киселини в 1H2O, 2H2O и H218O допринесоха за изясняването на природата на силите, стабилизиращи структурата на биополимерите, по-специално ролята на водородните връзки в биологичните системи.
При избора на изотоп от голямо значение е въпросът за чувствителността на метода на изотопния анализ, както и вида на радиоактивното разпадане и енергията на излъчване. Предимството на стабилните изотопи (2H, 18O, 15N и т.н.) е липсата на радиация, която често има страничен ефект върху изследваната жива система. В същото време сравнително ниската чувствителност на методите за тяхното определяне (масспектроскопия, денситометрия), както и необходимостта от изолиране на белязаното съединение, ограничават използването на стабилни изотопи в биологията. Високата чувствителност на регистрацията на гама-активни изотопи (59 Fe, 131 I и др.) Позволява да се измери скоростта на кръвния поток в жив организъм, да се определи количеството кръв и времето на пълното й циркулиране и да се проучи работата на ендокринните жлези.
Лит .: Камен М., Радиоактивни маркери в биологията, прев. от англ., М., 1948; Heveshi G., Radiotracers, тяхното приложение в биохимията, нормалната физиология и патологичната физиология на хората и животните, прев. от англ., М., 1950; Метод на белязани атоми в биологията, Изотопи в биохимията, М., 1963; Wang Ch., Willis D., Radiotracer method in biology, trans. от английски, М.,1969 г.; Радиоактивни изотопи в околната среда и тялото, М., 1970.
Ориз. 1. Отлагане на радиоактивни изотопи на стронций и фосфор в костите: 89 Sr се отлага главно в самата кост, 32 P - в костния мозък.
Ориз. 4. Схема на експеримента за изследване на абсорбцията на радиоактивни изотопи поотделно от корените и плодовете на фъстъците: 1 - среда за корените; 2 - средно за плодове.
Ориз. Фиг. 3. Селективно натрупване на серния радиоизотоп ( 35 S) в хрущялната тъкан на 20-дневен ембрион на плъх: А — оцветен срез; B - радиоавтограф.
Ориз. Фиг. 2. Разпределение на радиоизотоп на фосфор ( 32 P) върху напречно сечение на захарно цвекло, когато изотопът се прилага върху едно от листата на растението.