Ізотопні індикатори - Велика Радянська Енциклопедія
Ізотопні індикатори,речовини, що мають відмінний від природного ізотопний склад і завдяки цьому використовуються в якості мітки при вивченні найрізноманітніших процесів. Роль ізотопної мітки виконують стабільні або радіоактивні ізотопи хімічних елементів, які можуть бути виявлені і визначені кількісно. Висока чутливість і специфічність ізотопних індикаторів дозволяють простежити за ними у складних процесах переміщення, розподілу та перетворення речовин у скільки завгодно складних системах, у тому числі і в живих організмах.
Метод ізотопних індикаторів (називається також методом мічених атомів) був вперше запропонований Д. Хевеші та Ф. Панетом у 1913. Широке використання ізотопних індикаторів стало можливим завдяки розвитку ядерної техніки, що дозволила отримувати ізотопи в масовому масштабі.
Метод ізотопних індикаторів заснований на тому, що хімічні властивості різних ізотопів одного елемента майже однакові (завдяки чому поведінка мічених атомів у процесах, що вивчаються, практично не відрізняється від поведінки інших атомів того ж елемента), і на легкості виявлення ізотопів, особливо радіоактивних. При використанні методу необхідний облік можливих реакцій ізотопного обміну, що призводять до перерозподілу мічених атомів (отже, до втрати з'єднанням мітки), а іноді й облік радіаційних ефектів, пов'язаних із впливом радіоактивних випромінювань на перебіг процесу. Ізотоп, що використовується як мітка, вводиться до складу сполук, що вивчаються. Можуть бути використані як стабільні, і радіоактивні ізотопи.
Перевага стабільних ізотопів — їхня стійкість і відсутність ядерних випромінювань. Однак лише невелика кількість елементів має відповідні стабільні ізотопи. Мала доступністьостанніх та порівняно складна техніка виявлення становлять недоліки методу ізотопних індикаторів із застосуванням стабільних ізотопів. Перевага радіоактивних ізотопів – можливість їх отримання практично для всіх елементів періодичної системи, висока чутливість, специфічність та точність визначення, простота та доступність вимірювальної апаратури. Тому більшість досліджень, які використовують метод ізотопних індикаторів, виконано з радіоактивними ізотопами.
Такі елементи, як водень, вуглець, сірка, хлор, свинець мають зручні для використання як стабільні - 2 H, 13 C, 34 S, 35 Cl, 37 Cl, 204 РЬ, так і радіоактивні ізотопи - 3 H, 11 C, 14 C, 35 S, 36 C1, 212 РЬ. Як ізотопи азоту і кисню найчастіше застосовуються стабільні 15 N і 18 O та інші. Стабільні ізотопні індикатори отримують збагаченням природних ізотопних сумішей шляхом багаторазового повторення операції поділу (перегонка, дифузія, термодифузія, ізотопний обмін, електроліз; див. Ізотопів поділ), а також на мас-спектрометричних установках та при ядерних реакціях.
Для елементів, що у природі як одного ізотопу (Be, F, Na, Al, P, I), як мічених атомів використовують лише штучні радіоактивні ізотопи; прикладом часто застосовуваних радіоактивних ізотопів служать 3 H, 14 C, 32 P, 35 S, 45 Ca, 51 Cr, 59 Fe, 60 Co, 89 Sr, 95 Nb, 110 Ag, 131 I та ін. Вибір радіоактивного ізотопу визначається його ядерними характеристиками - періодом напіврозпаду, типом та енергією випромінювання. Для індикації придатні радіоактивні ізотопи, період напіврозпаду яких не дуже малий, що дозволяє працювати протягом часу, необхідного для експерименту, але і невеликий, що дає можливість працювати з дуже малими кількостями індикатора.
Відомірізні способи синтезу мічених сполук. Поряд із звичайним хімічним синтезом використовуються реакції ізотопного обміну та біологічний синтез. Найчастіше ізотопна мітка займає певне становище у молекулі; наприклад, пропіонову кислоту можна помітити по вуглецю трьома способами: 14 CH3CH2COOH, СН3 14 СН2СООН, СН3СН2 14 СООН.
Є три основних напрями використання ізотопних індикаторів. Методом ізотопних індикаторів вивчають характер розподілу речовин та шляхи їх переміщення. Ізотопні індикатори вводять у ту чи іншу систему та через певні проміжки часу встановлюють наявність ізотопних індикаторів у різних частинах системи. Найбільш наочні картини розподілу виходять без руйнування зразка за допомогою радіоавтограм (див. Авторадіографія).
Інший напрямок використання ізотопних індикаторів - кількісний аналіз. Один з найпростіших і найпоширеніших варіантів методу ізотопних індикаторів - метод ізотопного розведення, при якому до аналізованої речовини додають дозовану кількість ізотопного індикатора і за ступенем його розведення судять про вихідну кількість речовини. Цей метод дозволяє проводити визначення мізерно малих кількостей важковизначуваних речовин і, навпаки, великих мас речовин; аналізувати складні суміші, аналіз та поділ яких іншими методами неможливі. Широкими можливостями відрізняється примикає до методу ізотопних індикаторів активаційний аналіз, де міткою є ізотоп іншого елемента, утворений з даного в результаті ядерної реакції. Особливо велике значення цей метод має щодо мікроелементів в металах, сплавах, мінералах, тканинах, при швидкому контролі технологічних процесів. Кількісний аналіз природних ізотопів, що входять доприродні радіоактивні ряди урану та торію, а також кількісне визначення ізотопу 14 C в померлих організмах дозволяють визначати вік гірських порід та археологічних знахідок.
Третім напрямом використання ізотопних індикаторів є з'ясування механізму різних процесів та вивчення будови хімічних сполук. Введення ізотопної мітки у певне положення молекули усуває хімічну нерозрізненість атомів, допускаючи можливість однозначного з'ясування механізму тих чи інших реакцій, для яких звичайні хімічні методи описують лише початковий та кінцевий стан.
Усі зазначені напрями застосування ізотопних індикаторів широко представлені у різних галузях хімії, біології, медицини, техніки, сільського господарства тощо. буд. Нижче наводяться окремі приклади їх використання.
Літ.: Радіоактивні ізотопи в хімічних дослідженнях, Л. - М., 1965; Рогінський С. З., Теоретичні основи ізотопних методів вивчення хімічних реакцій, М., 1956; Ядернофізичні методи аналізу речовин, М., 1971 (Всесоюзна науково-технічна конференція «XX років виробництва та застосування ізотопів та джерел ядерних випромінювань у народному господарстві СРСР», Мінськ, 1968).
У біології ізотопні індикатори застосовують на вирішення як фундаментальних, і прикладних біологічних проблем, вивчення яких іншими методами утруднено чи неможливо. Істотна для біології перевага методу мічених атомів у тому, що використання ізотопних індикаторів не порушує цілісності організму та її основних життєвих відправлень. Із застосуванням ізотопних індикаторів пов'язані багато великих досягнень сучасної біології, що визначили розквіт біологічних наук у 2-й половині 20 ст. За допомогою стабільних та радіоактивних ізотопів водню ( 2H і 3 H), вуглецю ( 13 C і 14 C), азоту ( 15 N), кисню ( 18 O), фосфору ( 32 P), сірки ( 35 S), заліза ( 59 Fe), йоду ( 131 I) та ін. були з'ясовані та детально вивчені складні та взаємопов'язані процеси біосинтезу та розпаду білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, жирів та ін. Застосування ізотопних індикаторів призвело до перегляду колишніх уявлень про природу фотосинтезу, а також про механізми, що забезпечують засвоєння рослинами неорганічних речовин - карбонатів, нітратів, фосфатів та ін.
За допомогою ізотопних індикаторів виконано величезну кількість досліджень у найрізноманітніших напрямках біології та біохімії. Один із напрямів включає роботи з вивчення динаміки та шляхів переміщення популяцій у біосфері та окремих особин усередині даної популяції, міграції мікробів, а також окремих сполук усередині організму. Вводячи в організми з їжею або шляхом ін'єкцій мітку, вдалося вивчити швидкість і шляхи міграції багатьох комах (москітів, мух, сарани), птахів, гризунів та ін дрібних тварин та отримати дані про чисельність їх популяцій. У галузі фізіології та біохімії рослин за допомогою ізотопних індикаторів вирішено низку теоретичних та прикладних проблем: з'ясовано шляхи надходження мінеральних речовин, рідин та газів у рослини, а також роль різних хімічних елементів, у тому числі мікроелементів, у житті рослин (рис. 1). 4). Показано, зокрема, що вуглець надходить у рослини не тільки через листя, а й через кореневу систему, встановлені шляхи та швидкості пересування ряду речовин із кореневої системи в стебло та листя та з цих органів до коренів. У галузі фізіології та біохімії тварин та людини вивчено швидкості надходження різних речовину їхній тканині (у тому числі швидкість включення заліза в гемоглобін, фосфору — в нервову та м'язові тканини, кальцію — у кістки).
p align="justify"> Важлива група робіт охоплює дослідження механізмів хімічних реакцій в організмі. Так, у багатьох випадках вдалося встановити зв'язок між вихідними і новоутвореними молекулами, простежити за «долею» окремих атомів та хімічних груп у процесах обміну речовин, а також з'ясувати послідовність та швидкість цих перетворень. Отримані дані відіграли вирішальну роль при побудові сучасних схем біосинтезу та метаболізму (метаболічних карт), шляхів перетворення їжі, лікарських препаратів та отрут у живих організмах. До робіт цієї групи відноситься з'ясування питання про походження кисню, що виділяється у процесі фотосинтезу: виявилося, що його джерелом є вода, а не двоокис вуглецю. З іншого боку, застосування CO2 дозволило з'ясувати шляхи перетворень двоокису вуглецю в процесі фотосинтезу. Використання «міченої» їжі призвело до нового уявлення про швидкості всмоктування та поширення харчових речовин, про їхню «долю» в організмі та допомогло простежити за впливом внутрішніх та зовнішніх факторів (голодування, асфіксія, перевтома тощо) на обмін речовин. Метод ізотопних індикаторів дозволив вивчити процеси оборотного транспортування речовин через біологічні мембрани. Було показано, що концентрації речовин з обох боків мембрани залишаються постійними із збереженням градієнтів концентрації, характерних для кожної з розділених мембран середовищ.
Метод ізотопних індикаторів знайшов застосування у дослідженні процесів, вирішальну роль яких грає передача інформації в організмі (провідність нервових імпульсів, ініціація та рецепція подразнення та ін.) Ефективність методу ізотопних індикаторів у роботах цьогороду обумовлена тим, що дослідження проводяться на цілісних, інтактних організмах, що зберігають непошкоджену всю складну систему нервових та гуморальних зв'язків. Нарешті, група робіт включає дослідження статичних характеристик біологічних структур, починаючи з молекулярного рівня (білки, нуклеїнові кислоти) та закінчуючи надмолекулярними структурами (рибосоми, хромосоми та ін органели). Наприклад, дослідження відносної стійкості білків та нуклеїнових кислот у 1 H2O, 2 H2O та H2 18 O сприяли з'ясуванню природи сил, що стабілізують структуру біополімерів, зокрема ролі водневих зв'язків у біологічних системах.
Важливе значення при виборі ізотопу має питання про чутливість методу ізотопного аналізу, а також тип радіоактивного розпаду та енергії випромінювання. Перевага стабільних ізотопів ( 2 H, 18 O, 15 N та ін.) - Відсутність випромінювань, часто надають побічний вплив на досліджувану живу систему. У той же час порівняно низька чутливість методів їх визначення (мас-спектроскопія, денситометрія), а також необхідність виділення міченої сполуки обмежують застосування стабільних ізотопів у біології. Висока чутливість реєстрації гамма-активних ізотопів (59 Fe, 131 I та ін.) дозволила в живому організмі виміряти швидкість кровотоку, визначити кількість крові та час її повного кругообігу, дослідити роботу залоз внутрішньої секреції.
Камен М., Радіоактивні індикатори в біології, пров. з англ., М., 1948; Хевеші Г., Радіоактивні індикатори, їх застосування в біохімії, нормальній фізіології та патологічній фізіології людини та тварин, пров. з англ., М., 1950; Метод мічених атомів у біології, Ізотопи у біохімії, М., 1963; Ванг Ч., Вілліс Д., Радіоіндикаторний метод у біології, пров. з англ., М.,1969; Радіоактивні ізотопи у зовнішньому середовищі та організмі, М., 1970.
Мал. 1. Відкладення радіоактивних ізотопів стронцію та фосфору в кістках: 89 Sr відкладається переважно у самій кістці, 32 P – у кістковому мозку.
Мал. 4. Схема досвіду вивчення поглинання радіоактивних ізотопів окремо корінням і плодами арахісу: 1 — середовище для коренів; 2 – середовище для плодів.
Мал. 3. Виборче накопичення радіоізотопу сірки ( 35 S) у хрящовій тканині 20-денного зародка щура: А - забарвлений зріз; Б - радіоавтограф.
Мал. 2. Розподіл радіоізотопу фосфору (32P) на поперечному зрізі цукрових буряків при нанесенні ізотопу на один із листя рослини.