Изотопные индикаторы

Изотопные индикаторы (далее И) вещества, имеющие отличный от природного изотопный состав и благодаря этому используемые в качестве метки при изучении самых разнообразных процессов. Роль изотопной метки выполняют стабильные или радиоактивные изотопы элементов, которые легко могут быть обнаружены и определены количественно. Высокая чувствительность и специфичность И позволяют проследить за ними в сложных процессах перемещения, распределения и превращения веществ в сколь угодно сложных системах, в том числе и в живых организмах.

Метод И (называется также методом меченых был впервые предложен Д. Хевеши и Ф. Панетом в 1913. Широкое использование И стало возможным благодаря развитию ядерной техники, позволившей получать изотопы в массовом масштабе.

Метод И основан на том, что свойства разных изотопов одного элемента почти одинаковы (благодаря чему поведение меченых в изучаемых процессах практически не отличается от поведения других того же элемента), и на легкости обнаружения изотопов, особенно радиоактивных. При использовании метода необходим учет возможных реакций изотопного обмена, приводящих к перераспределению меченых (следовательно, к потере соединением метки), а иногда и учет радиационных эффектов, связанных с влиянием радиоактивных излучений на ход процесса. Изотоп, используемый в качестве метки, вводится в состав изучаемых соединений. Могут быть использованы как стабильные, так и радиоактивные изотопы.

Преимущество стабильных изотопов - их устойчивость и отсутствие ядерных излучений. Однако только небольшое число элементов имеет подходящие стабильные изотопы. Малая доступность последних и сравнительно сложная техника обнаружения составляют недостатки метода И с применением стабильных изотопов. Преимущество радиоактивных изотопов - возможность их получения практически для всех элементов периодической системы, высокая чувствительность, специфичность и точность определения, простота и доступность измерительной аппаратуры. Поэтому большинство исследований, использующих метод И, выполнено с радиоактивными изотопами.

Такие элементы, как сера, имеют удобные для использования как стабильные - ², ¹³, ³⁴, ³⁵, ³⁷, ²⁰⁴РЬ, так и радиоактивные изотопы - ³, ¹¹, ¹⁴, ³⁵, ³⁶₁, ²¹²РЬ. В качестве изотопов и чаще всего применяются стабильные ¹⁵ и ¹⁸ и другие. Стабильные И получают обогащением природных изотопных смесей путем многократного повторения операции разделения (перегонка, диффузия, термодиффузия, изотопный обмен, электролиз; см. Изотопов разделение), а также на масс-спектрометрических установках и при ядерных реакциях.

Для элементов, существующих в природе в виде одного изотопа (, , , , , ), в качестве меченых используют только искусственные радиоактивные изотопы; примером часто применяемых радиоактивных изотопов служат ³, ¹⁴, ³², ³⁵, ⁴⁵, ⁵¹, ⁵⁹, ⁶⁰, ⁸⁹,⁹⁵, ¹¹⁰, ¹³¹ и др. Выбор радиоактивного изотопа определяется его ядерными характеристиками - периодом полураспада, типом и энергией излучения. Для индикации пригодны радиоактивные изотопы, период полураспада которых не очень мал, что позволяет работать в течение времени, необходимого для эксперимента, но и не очень велик, что дает возможность работать с весьма малыми количествами индикатора.

Основным методом анализа стабильных изотопов служит масс-спектрометрия (чувствительность 10^-4% изотопа при точности 0,1-1% для проб массой в доли мг). Все большее применение находят спектральные методы и парамагнитный резонанс. Дейтерий, ¹⁸ и некоторые другие изотопы определяют по изменению показателя преломления, теплопроводности, плотности как самого элементарного вещества, так и его соединений. Радиоактивные изотопы определяют по их излучению при помощи счетчиков Гейгера или сцинтилляционных счетчиков. Так, с помощью счетчика Гейгера можно уловить излучение 10^-11 г ¹⁴, 10^-16 г ³²Р и иода ¹³¹, 10^-19 г ¹¹ и т. д. Современные жидкостные сцинтилляционные счетчики позволяют с высокой эффективностью и точностью проводить определение изотопов с мягким бета-излучением (³, ¹⁴, ³⁵ и др.). Введение в практику этого метода изотопного анализа повышает его производительность и позволяет работать с незначительными активностями, приближающимися к активности космического фона. Широкое применение в биологии получил метод авторадиографии. При работе с радиоактивными изотопами необходимо соблюдать правила техники безопасности в соответствии с существующими нормами.

Известны различные способы синтеза меченых соединений. Наряду с обычным синтезом используются реакции изотопного обмена и биологический синтез. В большинстве случаев изотопная метка занимает определенное положение в молекуле; например, пропионовую кислоту можно пометить по тремя способами: ¹⁴₃₂, СН₃¹⁴СН₂СООН, СН₃СН₂¹⁴СООН.

Имеются три основных направления использования И Методом И изучают характер распределения веществ и пути их перемещения. И вводят в ту или иную систему и через определенные промежутки времени устанавливают наличие И в различных частях системы. Наиболее наглядные картины распределения получаются без разрушения образца при помощи радиоавтограмм (см. Авторадиография).

Другое направление использования И - количественный анализ. Один из самых простых и распространенных вариантов метода И - метод изотопного разбавления, при котором к анализируемому веществу добавляют дозированное количество И и по степени его разбавления судят об исходном количестве вещества. Этот метод позволяет производить определение ничтожно малых количеств трудноопределяемых веществ и, наоборот, больших масс веществ; анализировать сложные смеси, анализ и разделение которых другими методами невозможны. Широкими возможностями отличается примыкающий к методу И активационный анализ, где меткой служит изотоп другого элемента, образованный из данного в результате ядерной реакции. Особенно большое значение этот метод имеет при определении микроэлементов в металлах, сплавах, минералах, тканях, при быстром контроле технологических процессов. Количественный анализ природных изотопов, входящих в естественные радиоактивные ряды и тория, а также количественное определение изотопа ¹⁴ в умерших организмах позволяют определять возраст горных пород и археологических находок.

Третьим направлением использования И является выяснение механизма различных процессов и изучение строения соединений. Введение изотопной метки в определенное положение молекулы устраняет неразличимость допуская возможность однозначного выяснения механизма тех или иных реакций, для которых обычные методы описывают только начальное и конечное состояния.

Все указанные направления применения И широко представлены в различных областях химии, биологии, медицины, техники, сельского хозяйства и т. д. Ниже приводятся отдельные примеры их использования.

Лит.: Радиоактивные изотопы в исследованиях, Л. - М., 1965; Рогинский С. З., Теоретические основы изотопных методов изучения реакций, М., 1956; Ядернофизические методы анализа веществ, М., 1971 (Всесоюзная научно-техническая конференция "XX лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в народном хозяйстве СССР", Минск, 1968).

К. Б. Заборенко.

В биологии И применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых состоит в том, что использование И не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением И связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во 2-й половине 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов (² и ³), (¹³ и ¹⁴), (¹⁵), (¹⁸), (³²), серы (³⁵), (⁵⁹), (¹³¹) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также механизмы их превращений в живой клетке (рис. 1 - 3). Применение И привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ - карбонатов, нитратов, фосфатов и др.

С помощью И 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 путем 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 И решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений (рис. 4). Показано, в частности, что 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 в гемоглобин, - в нервную и мышечные ткани, - в кости).

Важная группа работ охватывает исследования механизмов реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за "судьбой" отдельных и 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 выделяемого в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а не двуокись С другой стороны, применение ¹⁴₂ позволило выяснить пути превращений двуокиси 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 И 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 разделенных мембранами сред.

Метод И нашел применение в исследовании процессов, решающую роль в которых играет передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, инициация и рецепция раздражения и др.) Эффективность метода И 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 ( нуклеиновые кислоты) и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, и др. органеллы). Например, исследования относительной устойчивости и нуклеиновых кислот в ¹₂, ²₂ и в ₂¹⁸ 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 (², ¹⁸, ¹⁵ 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 (⁵⁹, ¹³¹ и др.) позволила в живом организме измерить скорость кроветока, определить количество крови и время ее полного кругооборота, исследовать работу желез внутренней секреции.

Лит.: Камен М., Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., М., 1948; Хевеши Г., Радиоактивные индикаторы, их применение в биохимии, нормальной физиологии и патологической физиологии человека и животных, пер. с англ., М., 1950; Метод меченных в биологии, Изотопы в биохимии, М., 1963; Ванг Ч., Уиллис Д., Радиоиндикаторный метод в биологии, пер. с англ., М., 1969; Радиоактивные изотопы во внешней среде и организме, М., 1970.

И. Н. Верховская.

И в медицине. С помощью И. И. были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний (см. Радиоизотопная диагностика).И и. вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и И 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 ²⁴, ¹³¹, ^99M; для изучения легочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют ^99M, ¹³³; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с ¹³¹ используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с ¹³¹, ¹⁹⁸; функцию почек - при ренографии c ¹³¹^-гиппураном и скенированием после введения неогидрина, меченого ²⁰³ или ^99M. Изображение кишечника, желудка получают, используя ^99M, селезенки - применяя эритроциты с ^99M или ⁵¹Сr; с помощью ⁷⁵ диагностируют заболевания поджелудочной Диагностическое применение имеют также ⁸⁵ и ⁸⁵.

А. В. Козлова.

И в сельском хозяйстве (³, ¹⁴, ²², ³², ³⁵, ⁴², ⁴⁵, ⁶⁰, ⁶⁵, ⁹⁹ 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 И для выявления действия на растительный организм пестицидов, в частности гербицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод И, 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 методами) и микроэлементов. При помощи И разрабатывают приемы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеклубнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжелых почвах.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.