Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Меченые атомы

Заголовок: Подскажите по меченым атомам.

Содержание: Можно ли засечь меченый атом при помощи переносного устройства (существует ли такое?) в пластмассовой трубе на глубине до 2-ух метров? Если можно, то какой?

Здрасти, Александр.

Техника меченых атомов заполучила широкую популярность в наше время. На теоретическом уровне эта методика очень ординарна. По существу, она сводится к введению особенного изотопа в на биологическом уровне важ­ный метаболит (либо продукт питания), после этого выслеживаются поочередные реакции этого метаболита в организме методом наблюдения за судьбой меченого изотопа в продуктах распада, крови, моче и т.д. На основании этих данных строится метаболизм. Внедрение меченых изотопов стало вероятным благодаря широкому развитию способов получения изотопов.

Большая часть хим частей в природных критериях существует в разных изотопных модификациях. Все изотопы данного хим элемента имеют однообразные хим характеристики, но различные атомные веса. Атомный вес изотопа равен сумме чисел нейтронов и протонов, находящихся в ядре. Хим характеристики элемента определяются только числом протонов, т. е. атомным номером. (благодаря различию в атомных весах два изотопа элемента могут характеризоваться несколько разными скоростями реакции.) К примеру, изотопы угле­рода, такие, как С11, С12 и С13, имеют 6 протонов и соответственно 5, 6 и 7 нейтронов в ядре.

Некие природные изотопы радиоактивны; они испускают или ?-частицы (ядра гелия Не4), или отрицательные ?-лучи (резвые электроны). Не считая того, многие радиоактивные изотопы испускают ?-излучение — фотоны высочайшей энергии.

Большая часть искусственно приобретенных изотопов оказывается ? -активными (встречается как электрическая, так и позитронная ?-активность). В ряде всевозможных случаев бывает легче найти ?-излучение (фотоны), проваждающее распад, ежели ?-лучи (электроны). Искусственно приобретенные изотопы служат основой для био исследовательских работ с внедрением способа мече­ных атомов.

Таблица. Некие изотопы, применяемые в биологии и химии.

Изотоп

Природное содержание

Тип излучения

Период полураспада

1H

99,98

—

—

2H

1,56 . 10-2

—

—

3H

—

?

12,3 лет

13C

1,108

—

—

14C

—

?

5730 лет

15N

0,365

—

—

18O

0,204

—

—

32P

—

?

14,2 сут

35S

—

?

87 сут

36Cl

—

?

3 . 105 лет

42K

—

?, ?

12,4 года

60Co

—

?, ?

5,22 лет

55Fe

—

Рентгеновское излучение

4 года

59Fe

—

?, ?

45 сут

131J

—

?, ?

8 сут

Нерадиоактивные постоянные изотопы тоже могут быть применены в способе меченых атомов, позволяя поменять встречающиеся в природе изо­топные соотношения. Содержание данного изотопа можно определять при помощи масс-спектрометрической техники. Используемые способы всераспространены на примере нерадиоактивного изотопа N15, кото­рый обычно встречается в концентрациях много наименьших, чем N14. Вводя соединения с высочайшим содержанием N15, можно приготовить эталоны метаболитов с излишком данного изотопа.

Обычно радиоактивный элемент употребляют в виде примеси в растворе — носителе, к примеру радиоактивный С14 употребляют растворенным в излишке нерадиоактивного С12. Такие соединения могут быть тогда использованы в системах, которые находятся в полном термодинамическом равновесии относительно атомов углерода, но дальних от равновесия относительно меченого изотопа. Способ меченых атомов позволяет учить сбалансированные био процессы без нарушения хим равновесия.

МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

В процессе опыта радиоактивные атомы распадаются. Распад данного атома представляет собой случайное событие; число распадов за секунду пропорционально числу радиоактив­ных атомов, имеющихся в реальный момент. В аналитической форме произнесенное записывается в виде

dN/dt = -?N; (1)

где N — число радиоактивных атомов, имеющихся в данное время, t — время, N, — неизменная, соответствующая для избранного изотопа. Интегрируя уравнение (1), получаем

N = N0e-?t (2)

где N0 — число .радиоактивных атомов в исходный момент. Из формулы (2) может быть определено время т, за которое число N миниатюризируется в два раза:

? = ln2/? (3)

Время ? именуют периодом полураспада элемента. В течение каждого периода полураспада число атомов изотопа миниатюризируется вдвое.

Чтоб изотоп можно было использовать, применяя способ меченых атомов, ? должно быть в разумных границах. Если ? очень не достаточно (порядка секунд), то изотоп распадется до того, как можно будет поставить большая часть тестов. Но если ? очень велико, то число распадов за 1 сек получится неприемлимо низким для обнаружения обычно употребляемых концентраций меченых атомов. Изотоп С14 с периодом полураспада 5700 лет находится близко от этого нижнего предела.

Активность образцов радиоактивного материала выражают числом распадов за секунду. Число распадов, происходящих в 1 г радия за 1 сек, равное 3,7-1010, именуют кюри. Для био исследовательских работ при помощи меченых атомов более комфортно использовать одну тысячную этой единицы, т. е. милликюри. Число атомов на 1 мкюри связано с периодом полураспада. Если имеется 1 кюри данного радиоактивного изотопа, то

N = ?/ln2 x З,7-107 атомов.

Радиоактивные изотопы идентифицируют по их характеристическому излучению. В случае искусственных радиоактивных изотопов оно обычно складывается из ?-лучей и из ?-излучения. В случае орбитального электрического захвата (когда один из электронов поглощается ядром с уменьшением атомного номера на единицу) испу­скаются только фотоны. Чертой излучения данного изотопа является наибольшая энергия ?-лучей и энергия ?-излучения (фото­нов). Комфортными единицами измерения при всем этом являются электрон-вольты (эв), килоэлектрон-вольты (кэв) либо мегаэлектрон-вольты (Мэв); 1 эв — это энергия, приобретаемая электроном в итоге прохождения ускоряющей разности потенциалов в 1 в2).

Частички, испускаемые в итоге радиоактивного распада, обнаруживаются с помощью специального сенсора излучения. Его показа­ния могут быть потом подсчитаны при помощи хоть какой электрической схемы. В прошедшем более обширно всераспространенным типом сенсора была трубка Гейгера — Мюллера, именуемая счетчиком Гейгера. Он состоит из цилиндрической камеры, напол­ненной газом, с натянутой по ее оси проволокой (рис.). Проволо­ка изолирована от наружного цилиндра и находится под высочайшим потенциалом. Ионизирующие частички, попадая в счетчик, вызывают лавинную ионизацию в газе; если к счетчику приложена довольно высочайшая разность потенциалов, возникающий импульс ионизационного тока будет зарегистрирован.

 

Рис. Счётчик Гейгера.

В конструкции счётчиков Гейгера используются трубки различного поперечника – от нескольких мм до 25 см. Длина трубки колеблется от 1 до 50 см. Газ, наполняющий счетчик, геометрия устройств и чистота материала стен — все это оказывает влияние на работу счетчика. Импульсы счетчика Гейгера считают с помощью электрических схем. Обычно показания снимают с групп светодиодов, с электрического табло либо с картонной ленты. Другие электрические схемы позволяют производить непосредствен­ный счет импульсов.

Другим типом сенсора радиоактивного излучения являет­ся сцинтилляционный счетчик. Механизм работы этого счетчика основан на использовании мелких вспышек света, образующихся при попадании ионизирующего излучения во многие типы кристаллов и жидкостей. Спектральный состав излучения этих вспы­шек характерен для данного сцинтиллятора. Интенсивность сцинтилляционных вспышек пропорциональна энергии, израсходован­ной частичкой. Сцинтилляцию в свою очередь обнаруживают с по­мощью фотоумножителя, выходной сигнал которого поступает на ам­плитудный анализатор. Таким макаром, определенный изотоп может быть выделен из консистенции либо на фоне «шумов».

Сцинтилляционные счетчики могут быть сделаны разных размеров и формы. Пропорциональность выходного сигнала энергии частички в данном случае более строгая, чем для газового пропорционального счетчика. Применение жидкостных сцинтилляционных счетчиков позволяет растворять эталоны, имеющие низкую интенсивность либо же низкую энергию излучения, потому что в данном случае для регистрации употребляется излучение, испускаемое во всех направлениях. Для обнаружения ?-излучения сцинтилляционные счетчики более эффективны, чем счетчики Гейгера. Но в определенных случаях счетчики Гейгера имеют несколько наилучшее отношение сигнала к шуму, чем большая часть других сцинтилляционных счетчиков.

В неких случаях не так принципиально точно знать скорость распада, как узнать, в какой части клеточки локализован изотоп. Подобная задачка появляется в картонной хроматографии, когда разные соединения распределяются на поверхности кусочка фильтровальной бумаги. Дальше лучше отыскать на бумаге распреде­ление радиоактивных участков. Чтоб их найти, можно поместить срез ткани (либо фильтровальную бумагу) на кусочке фото­бумаги. Она будет засвечена излучением, а потом при проявлении позволит найти локализацию радиоактивных изотопов. Таковой снимок именуют радиоавтографом.

Хоть какой из этих способов регистрации может быть применен для хоть какого изотопа. Хотя понятно суще­ствование радиоактивных изотопов для всех частей, в биологи­ческих исследовательских работах употребляют только ограниченное их число. К более известным относятся С14, J131 и Р32.

ИЗОТОП УГЛЕРОДА С14

Встречающийся в природе углерод практически стопроцентно состоит из размеренного изотопа С12. Не считая того, всегда имеется малость (около 1%) размеренного изотопа С13 и ничтожное количество радиоактивного изотопа С14. Искусственным методом можно получить изо­топ С14, также радиоактивные изотопы С10 и С11. Изотопы С10 и С11 имеют период полураспада соответственно 19 сек и 20,5 мин; при распаде оба изотопа испускают положительные ?-лучи и образуют изотопы бериллия (Be). Их периоды полураспада так коротки, что в био исследовательских работах с внедрением меченых атомов используют только радиоактивный изотоп углерода С14. Потому что угле­род является значимой частью всех био соединений, то изотоп С14 употребляется очень обширно. Получить изотоп С14 можно при помощи ряда реакций. Если углерод, обогащенный изотопом С13, бомбить нейтронами, то некая его часть пре­вращается в С14 за счёт реакции.

C13 + n 1 ——- C14 + ?

Если углерод, обогащенный С13, бомбить дейтронами, то появляется С14:

C13 + D ——- C14 + H1

Ни одну из этих реакций нельзя считать комфортной, потому что для концентрации С13, а потом и С14 должен быть применен масс-спектро­метр.

Более действенная реакция получения изотопа С14 состоит в бомбардировке N14 нейтронами:

N14 + n1 ——- C14 + H1

Соединения нитрат аммония (NH4NO3) и нитрит бериллия (BeNO2) нередко употребляют как источники азота. Потом изотоп С14 может быть выделен стандартными электрохими­ческими способами. Некое количество его появляется таким спо­собом в итоге деяния галлактических лучей на N14 в атмосфере, что дает около 10 отсчетов в 1 мин на 1 г углерода, находящийся в равновесии с атмосферным СО2.

Период полураспада С14 составляет около 5760 лет. Поэтоиу, для получения измеримого числа отсчетов нужна высочайшая концентрация этого изотопа. При распаде С14 испускает только электроны и преобразуется в N14; испускание ?-излучения отсутствует. Наибольшая энергия электронов составляет приблизительно 0, 154 Мэв. Данная величина сравнима с энергией фотонов, излучаемых медицин­ской рентгеновской трубкой, и меньше энергии частиц многих дру­гих радиоактивных изотопов. Используются разные методы регистрации этих электронов. Время от времени эталон, содержащий С14, заделывают в пилюлю карбоната бария (ВаСО3) и помещают снутри счетчика Гейгера. Разработаны особые счетчики Гейгера, созданные для заполнения их изотопом С14 в виде газа 14СО2. Употребляются также разные водянистые сцинтилляторы . Во всех случаях эталон не должен быть очень толстым, потому что все испускаемые им ?-лучи поглощаются при прохождении через несколько мм твердого либо водянистого вещества эталона.

Броским примером использования меченых атомов может служить определение геологического возраста при помощи углерода. В данном случае измеряется радиоактивность древесной породы либо других органических материалов. Если эти материалы составляют часть системы не так давно бывшей живой, то ее атомы углерода будут находиться в динамическом равновесии с СО2 атмосферы; в итоге за счет изо­топа С14 галлактического происхождения эталон будет давать около 10 отсчетов в 1 мин на 1 г углерода. В таком же веществе, но уже в течение долгого времени не живом и, как следует, не находящемся в равновесии с СО2 атмосферы, изотоп С14 посте­пенно распадается и не восстанавливается. Таким макаром, сле­дует ждать, что кусочек кости мамонта, имеющей возраст около 5760 лет, содержит вдвое меньше С14 на 1 г углерода по сопоставлению с не так давно появившимся живым материалом. А кусочек древесной породы в возрасте 11 500 лет должен содержать вчетверо меньше этого же количества (т. е. давать 2,5 отсчета в 1 мин на 1 г углерода). Благодаря изотопу С14 появляется слабенькая радиоактивность с низкой интенсивностью. Все же можно с ювелирной точностью изме­рить содержание С14, подабающим образом отделив отсчеты, возникаю­щие за счет галлактических лучей, распада другого рода, радиоактивного фона комнаты и электрических шумов. Когда удается сопоставить данные, приобретенные при помощи С14, сданными, приобретенными любым другим методом, то находится, что они согласуются вместе в границах экспериментальной ошибки. Для объектов, содержащих углерод и имеющих возраст от 2000 до 50 000 лет, дан­ные, приобретенные при помощи изотопа С14, могут быть вычислены более точно, чем при помощи всех других способов. Возраст многих объектов, имеющих значение для археологии, антропологии и эво­люции, можно найти только при помощи изотопа С14.

Постоянные ИЗОТОПЫ

В качестве меченых атомов, не считая радиоактивных, могут быть применены и редчайшие постоянные изотопы. Для измерения относительной распро­страненности размеренных изотопов употребляют масс-спектрометр (рис. ).

 

 

Рис. Схема масс-спектрометра.

1 – ионизационная камера; 2 – область ускорения; 3 – магнитный спектрометр скоростей; 4 – сенсор; А – анод; С – катод с отверстием; Е – электрод, находящийся под высочайшим отрицательным потенциалом; H – магнитное поле; T – мишень.

При масс-спектрометрическом анализе исследуемый материал поначалу должен быть преобразован в летучий газ, который потом подается при низком давлении в зону, где его бом­бардируют электронами; это происходит в ионизационной камере (область 1 на рис.). Бомбардировка электронами приводит к выбиванию валентных электронов из атомов, которые, таким обра­зом, преобразуются в положительные ионы. Эти положительные ионы, если давление газа довольно низкое, ускоряются по направлению к катоду. Они проходят через отверстие в ка­тоде и ускоряются высочайшим напряжением меж катодом и электродом А (рис.). Все однозарядные ионы получают схожую кинетическую энергию Е:

E = ? mv2

Скорость же ионов различна для каждого изотопа. Потом ионы делятся в согласовании с величиной скорости методом отличия в магнитном поле либо при помощи других средств и совсем масс-спектрометр может, быть применен для разделения изотопов либо для определения концентрации изотопов. Масс-спектрометр больше и труднее сцинтилляционного счетчика, но в принципе его исполь­зование не заносит дополнительных заморочек.

На данный момент способ включения атомов размеренных изотопов2 Н, 13С, 18О и 15N в молекулы — принципиальное направление в биохимических и структурно-функциональных исследовательских работах различных природных соединений и, а именно, аминокислот и белков. Молекулы этих изотопномеченых на биологическом уровне активных соединений приобретенные данным способом с разными уровнями изотопного обогащения, от селективно до униформно меченых, являются комфортными инструментами для разнопрофильных метаболических и биохимических исследовательских работ, мед диагностики разных болезней, хим синтезов различных изотопномеченых соединений на их базе. К примеру, [2H]и [13C]фенилаланин и [2H]и [13C]тирозин применены в синтезах меченых аналогов пептидных гормонов и нейропептидов.

Тенденции к желательному применению размеренных изотопов по сопоставлению с их радиоактивными аналогами обоснованы отсутствием радиоактивности и возможностью определения локализации метки в молекуле способами высочайшего разрешения: спектроскопией ЯМР, ИКи лазерной спектроскопией, масс-спектрометрией.

Развитие способов детекции размеренных изотопов за последние годы позволило повысить эффективность проведения бессчетных био исследовательских работ de novo, также учить структуру и механизм деяния многих клеточных БАС на молекулярном уровне, манипулируя атомами и конфигурациями молекул, что коррелирует со всеми современными нанотехнологическими эталонами.

С почтением,

К.х.н. О.В. Мосин

Комментарии запрещены.