Zastosowanie izotopów w różnych dziedzinach życia

Izotopy to atomy o takiej samej liczbie protonów w jądrze, lecz o różnej liczbie neutronów. Radioizotopy to izotopy, które ulegają rozpadowi promieniotwórczemu, w wyniku którego ilość substancji promieniotwórczej w czasie maleje.

Radioizotopy możemy podzielić na radioizotopy naturalne i radioizotopy otrzymane sztucznie.

Dla każdego radionuklidu wielkością charakterystyczną jest okres półtrwania - czas po którym połowa atomów substancji promieniotwórczej ulega rozkładowi. Okresy te wahają się od nanosekund do trylionów lat.

ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW NATURALNYCH
- Dość wcześnie badacze pierwiastków promieniotwórczych zorientowali się, że pierwiastki radioaktywne nie są obojętne dla ludzkiego organizmu. Najwcześniej, w medycynie, do niszczenia komórek nowotworowych wykorzystywany był rad. W Polsce zaczęto go stosować od 1932 roku, kiedy Maria Skłodowska - Curie podarowała swej ojczyźnie 1g radu. Wówczas powstał w Warszawie Instytut Radowy znany obecnie jako Instytut Onkologii. Igły radowe umieszcza się w chorych tkankach i pozostawia na pewien czas. Pod wpływem napromieniowania chore komórki nowotworowe ulegają zniszczeniu. Stosowane w onkologii aplikatory nie zawsze mają kształt igły, ich kształt jest różny i zależny od typu schorzenia i miejsca jego lokalizacji. Obecnie rad w aplikatorach zastępowany jest radioizotopami otrzymanymi sztucznie.

- W geologii w oparciu o radioizotopy zawarte w skałach określa się wiek tych skał. Do pomiaru wykorzystuje się bardzo długo żyjące naturalne substancje promieniotwórcze. Miernikiem upływu czasu jest zmierzona ilość produktu przemian jądrowych w minerale w stosunku do zawartości radioizotopu naturalnego. Na tej zasadzie oparte są następujące metody oznaczania wieku skał: metoda ołowiowa, metoda helowa zwana również zegarem helowym, metoda strontowa, metoda argonowa, metoda renowo - osmowa oraz metoda samarowo - neodymowa. Metody te pozwalają na określenie wieku skał z dobrym wynikiem do około 3,5 mld. lat.

- W archeologii stosuje się metodę 14C (czyli radiowęglową) do ustalania dat bezwzględnych. We wszystkich substancjach organicznych obecny jest w stałej ilości radioaktywny izotop węgla, który od momentu utraty „życia” (zabicia zwierzęcia, ścięcia drzewa) ulega rozpadowi; po nieco mniej niż 6000 lat jego ilość spada do połowy. Mierząc zawartość izotopu 14C w danej substancji, możemy określić, kiedy nastąpiła jej „śmierć”, oczywiście w przybliżeniu (zazwyczaj błąd pomiary waha się pomiędzy 50 – 100 lat).

- Wykorzystując izotopy promieniotwórcze można również określić wiek wody odciętej od możliwości wymiany z innymi zbiornikami wód oraz z parą wodną atmosfery. Gdy woda znajduje się w izolowanym zbiorniku, wówczas nie ma do niej dopływu trytu i ilość tego radioizotopu zaczyna maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego. Tak więc okres przechowywania wody w zamkniętym pojemniku można mierzyć w oparciu o ilość zawartego w niej trytu. Metoda ta ma zastosowanie do określania wieku wody maksymalnie do około 30 lat, ponieważ czas półtrwania dla trytu wynosi około 12 lat. Metoda trytowa opracowana podobnie jak metoda węgla 14C przez Willarda Libby, znajduje zastosowanie m.in. do oznaczania wieku win. Tak samo jak metoda węgla 14C również metoda trytowa w przyszłości może okazać się nieskuteczna. Próby nuklearne oraz reaktory jądrowe są przyczyną wzrostu ilości trytu w atmosferze, co znacznie utrudnia interpretację wyników.

ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW SZTUCZNYCH
Bardzo szerokie zastosowanie mają sztucznie otrzymane izotopy promieniotwórcze w medycynie nuklearnej, zarówno w radiodiagnostyce, jak i w radioterapii. Do takich celów stosuje się radionuklidy wyprodukowane w reaktorach lub w akceleratorach. Często metody diagnostyczne jak i lecznicze oparte są na wprowadzeniu do organizmu pacjenta substancji promieniotwórczej.

Aby radioizotop mógł być wprowadzony do organizmu człowieka musi spełnić szereg wymogów:
- powinien łatwo wbudowywać się w badany lub leczony organ w miejsce nieradioaktywnych nuklidów i mieć zbliżone do nich właściwości chemiczne,
- promieniowanie emitowane przez radioizotop powinno być jak najmniej szkodliwe dla organizmu oraz łatwe do detekcji,
- czas półtrwania powinien być na tyle długi by umożliwić przetransportowanie nuklidu do sali zabiegowej, podanie izotopu pacjentowi i zarejestrowanie rozkładu aktywności w tkance a na tyle krótki, aby w miarę szybko po zabiegu uległ rozkładowi na niepromieniotwórcze nietoksyczne nuklidy,
- powinien łatwo ulegać utylizacji.

Radiodiagnostyka
Technet-99 ma zastosowanie w scyntygrafii mózgu, wątroby, nerek, tarczycy. Scyntygrafia polega na wprowadzeniu do organizmu odpowiedniego związku znakowanego technetem, następnie rejestrowaniu sygnałów pochodzących z chorych tkanek, które wychwyciły ten pierwiastek. Różne tkanki mają różną zdolność wychwytu związków znakowanych technetem (wolny technet nie akumuluje się w organiźmie). Chore miejsca tkanki, np. nowotwory, znacznie intensywniej wychwytują podany kompleks niż zdrowe. Lekarz na podstawie scyntygramu - mapy rozkładu całkowitej aktywności promieniotwórczego izotopu w chorym narządzie - może postawić diagnozę.

Potas-42 i 43, cez-129 są stosowane głównie do badania serca i dużych naczyń krwionośnych. Wykorzystuje się tu zależność, że ilość pierwiastka gromadzona w mięśniu sercowym jest proporcjonalna do ilości krążącej krwi. Za pomocą radioaktywnego potasu można także badać przepływ krwi przez mięśnie oraz diagnozować nowotwory mózgu.

Wapń-47 stosuje się do wczesnego wykrywania nowotworów kości - nawet na kilka miesięcy przed zmianami nowotworowymi oraz do dokładnego określanie miejsca złamań kości.

Chrom-51, fosfor-32 i żelazo-59 wykorzystuje się do badań krwi. Po wstrzyknięciu dożylnie izotopu pacjentowi, znakowana krew rozprzestrzenia się po całym organizmie i po kilku minutach ustala się rozłożenie jego aktywności w organizmie. Żelazo-52 używa się do badań hematologicznych np. szpiku kostnego.

Ind-111 ma zastosowanie w badaniach układu krążenia, płynu mózgowo - rdzeniowego, płuc oraz układu limfatycznego.

Fluor-18 używa się w badaniach scyntygraficznych szkieletu oraz w lokalizacji nowotworów kości i stawów.

Jod-125, 131 i 132 wykorzystuje się w diagnostyce schorzeń tarczycy. Wykorzystuje się tu duże powinowactwo jodu do tarczycy, ponieważ gruczoł ten produkuje hormony w skład których wchodzi jod. Jod-131 i 125 mają również zastosowanie w badaniach czynnościowych nerek tzw. renografia oraz w badaniach funkcjonowania pęcherza moczowego tzw. renocystografia. Po wstrzyknięciu wskaźnika promieniotwórczego bada się aktywność izotopu promieniotwórczego w każdej nerce i w pęcherzu oddzielnie, a także szybkość wydalania wskaźnika z organizmu.

Radioterapia:
Jod-131 stosuje się w również w leczeniu schorzeń tarczycy. Częstym schorzeniem jest nadczynność tarczycy, gdy gruczoł ten produkuje zbyt dużą ilość hormonów. Można wówczas zastosować leczenie chirurgiczne polegające na wycięciu części tarczycy, dzięki czemu zmniejszony gruczoł będzie produkował odpowiednią ilość hormonu. Można jednak uniknąć zabiegu chirurgicznego podając choremu jod-131 o ściśle określonej aktywności. Jod wbudowuje się w tkanki gruczołu i bezboleśnie „wypala” część tarczycy .Po kilkudziesięciu dniach radioaktywny izotop zanika i wszystko wraca do normy. Podobne postępowanie stosuje się w leczeniu nowotworów tarczycy. Pochłaniają one jod znacznie intensywniej, dzięki czemu to one są głównie niszczone.

Kobalt-60 wykorzystuje się do naświetlania komórek nowotworowych. Skuteczność tej metody spowodowana jest dużą wrażliwością komórek nowotworowych na promieniowanie jonizujące. Urządzenie służące do takiej terapii to bomba kabaltowa. Stosując bombę kobaltową, naświetla się chorą tkankę wiązką promieni pochodzącą ze źródła znajdującego się w pewnej odległości od naświetlanej tkanki. Obok kobaltu-60 do tego typu leczenia stosuje się również cez-137.

Wiele izotopów promieniotwórczych znalazło zastosowanie w technice i w przemyśle.
Są one wykorzystywane:
- W urządzeniach do pomiaru grubości warstwy papieru, folii aluminiowej, walcowanej blachy stalowej itp., w miernikach grubości stosuje się promet-147, tal-204 i stront-90.
- Do diagnozowania stanu technicznego i wykrywania wad materiałowych w urządzeniach przemysłowych, w miejscach niedostępnych dla człowieka np. w rurach. W badaniach tego typu wykorzystuje się metodę radiograficzną opartą na izotopach takich jak: cez-137,kobalt-60 i iryd-192.