KAROLINSKA INSTITUTET Institutionen för medicinsk biokemi och biofysik Biomedicinutbildningen: Allmän och organisk kemi
Radioaktivitet, stabila isotoper, inmärkning Isotoper har mycket stor användning inom biomedicinen. Några viktiga områden är: Metabolismstudier: Endogena föreningars metabolism kan studeras genom att den isotopmärkta motsvarigheten injiceras. Då kan man se vilka metaboliter som bildas av den, och likaså hur fort det går. Ett exempel på detta är att studera hur fort kolesterol bildas i kroppen och vad som bildas av kolesterol. Genom att märka ett läkemedel med en radioaktiv isotop kan man följa vart i kroppen läkemedlet tar vägen och vilka föreningar som är metaboliter till läkemedlet, och hur snabbt det sker. Man kan ha små mängder läkemedel med hög radioaktivitet och på så sätt hitta receptorer där läkemedlet binder. Kvantitering: Genom att tillsätta en bestämd mängd isotopmärkt förening kan mängden av denna förening bestämmas. Detta kallas isotopspädningsteknik, och det man mäter är hur den isotopmärkta föreningen späds ut av den omärkta. Strukturbestämning: Endast vissa atomslag kan användas för NMR, som alltså kan ge mycket mer upplysning om t ex proteiners struktur när atomer bytts ut, t ex 12C till 13C. Man kan också studera proteinveckning genom att se hur snabbt väte byts ut till deuterium; det sker snabbast på proteinets yta. I lågmolekylära molekyler kan man utnyttja deuteriuminmärkning för att identifiera masspektrometriska fragment. Reaktionsmekanismer: Ibland kan reaktionsmekanismer identifieras genom isotoper, t ex hur de inkorporeras eller förloras. Man kan också utnyttja ”isotopeffekter” som beror på att bindningar till tyngre isotoper är starkare än till lätta isotoper. T ex är en kol-deuteriumbindning starkare än en kol-protium-bindning, och om en inmärkning med deuterium på ett ställe leder till en sänkt hastighet kan man dra slutsatsen att denna klyvning är viktig i det hastighetsbestämmande steget i en reaktionssekvens. Kliniskt: Isotoper används för diagnostik, t ex genom att man kan mäta utanpå kroppen var och hur mycket ett radioaktivt ämne ansamlas. De kan också användas för terapi där de strålar mest just där de ansamlas. Historik Röntgenstrålning upptäcktes 1895 av Wilhelm Röntgen. Egentlig radioaktivitet upptäcktes 1896 av Henri Becquerel som märkte att uransalter sände ut strålning utan att först ha blivit belysta, så det var inte fråga om fluorescens. Strålningen svärtade fotografisk film, och kunde dessutom böjas av i magnetiska eller elektriska fält, till skillnad från röntgenstrålning. Makarna Marie och Pierre Curie kallade strålningen radioaktiv, och gjorde försök som visade att det fanns olika typer av radioaktiv strålning, α-, β- och γ-strålning. Atomkärnan Den radioaktiva strålningen kommer från atomkärnan. Den upptar en mycket liten del av atomen: Medan atomen är ca 10-10 m stor så är atomkärnan 10-14 m, och i stället har den
1(11)
mycket hög densitet, ca 1 kg/cm3 eller 1000 gånger vattens densitet. I kärnan finns nukleonerna protoner och neutroner plus en hel del andra elementarpartiklar. Protonerna repellerar varandra eftersom de har samma laddning. Denna elektrostatiska repulsion har lång räckvidd, och balanseras av s k stark växelverkan som håller samman nukleonerna oavsett laddning. Repulsionen mellan protonerna kan minskas genom att de neutrala neutronerna ligger emellan. Samtidigt finns en tendens för neutroner att sönderfalla när de finns i överskott. Nuklider och isotoper En kärna med en viss sammansättning är en nuklid. Den bestäms av antalet protoner och antalet neutroner (samt energi). Om den sönderfaller spontant är den radioaktiv, och kallas radionuklid till skillnad från stabila nuklider. Ett grundämne (element) definieras av antalet protoner i kärnan. Eftersom det måste finnas lika många elektroner och det är dessa som ger de kemiska egenskaperna så har nuklider med ett visst antal protoner praktiskt taget samma kemiska egenskaper. Det kan alltså finnas flera nuklider som tillhör samma grundämne, och dessa kallas då isotoper. Detta betyder ”samma plats”, och kommer av att isotoper ligger på samma plats i det periodiska systemet. Nuklider och isotoper betecknas på flera sätt. Z = antal protoner (= antal elektroner), N = antal neutroner, A (masstal) = Z+N. Namnet följt av masstalet A, t ex kol-14, eller upphöjt masstal före symbolen, t ex 14C. Ibland kan också antal protoner och neutroner skrivas ut, i så fall: A Element laddning Z N
Kolisotoper 12 13 6 6
C
C
14 6
C
t ex
12 6
C6 Väteisotoper 1 2 1 1 protium deuterium
H
H
3 1 tritium
H
Av kolisotoperna är 14C radioaktiv medan 12C och 13C är stabila. Protium och deuterium är stabila medan tritium är radioaktiv. Ibland används beteckningarna D och T för 2H och 3H. Av övriga 1440 kända nuklider så är bara 280 stabila. De lätta är stabila om N/Z = 1, medan denna kvot stiger till 1,4 för de tyngre nukliderna. Enheter för radioaktivt sönderfall 1 Becquerel = 1 Bq = 1 sönderfall per sekund = 1 dps (disintegration/decay per second). 1 Curie = 1 Ci = 37 GigaBecquerel = 37 GBq = 37×109 Bq = 37×109 dps 1 dps = 60 dpm (disintegrations per minute) På grund av diverse energiförluster leder inte varje sönderfall till en detekterbar signal i de mätinstrument som används. Detta betyder att det man mäter (counts per minute = cpm) inte är lika med provets verkliga aktivitet mätt i dpm. Varje mätapparat och varje mätmetod måste därför kalibreras för att kunna ge rätt svar på provets aktivitet. Uppmätt aktivitet dividerad med verklig aktivitet (cpm/dpm) = instrumentets verkningsgrad (efficiency). Kinetik för radioaktivt sönderfall Atomer sönderfaller helt slumpmässigt. Det innebär att antalet sönderfall, och därmed strålningen, är proportionell mot antalet radioaktiva atomer. Sönderfallet följer därför första ordningens kinetik: 2(11)
Nt = N0 × e − kt Detta innebär att antalet radioaktiva atomer (och därmed radioaktiviteten, antalet sönderfall per tidsenhet) vid tiden t är antalet vid tiden 0 gånger de naturliga logaritmernas bas upphöjt i tiden gånger en konstant med omvänt tecken. Den tid det tar för hälften av de radioaktiva atomerna att sönderfalla kallas halveringstiden. Ur formeln kan man beräkna att halveringstiden, t½ = ln 2 / hastighetskonstanten, dvs 0,693/k. Ett exempel: Halveringstiden för tritium är 12,3 år. Ett preparat har vid ett tillfälle aktiviteten 5 kBq, dvs 5000 sönderfall sker per sekund. Hur stor är aktiviteten efter 24,6 år? (Svar: Efter en halveringstid är aktiviteten 2,5 kBq och efter två halveringstider (24,6 år) är aktiviteten 1,25 kBq.) Hur stor är aktiviteten efter 10 år? Svar: − 012, 693 ×10 ,3 t
N = 5000 × e
= 2846
Radionuklidernas ursprung De primära naturliga radionukliderna har funnits sedan solsystemet bildades för 4600 miljoner år sedan. De har naturligtvis mycket långa halveringstider. Av de 26 kända är några speciellt intressanta: Uran-238 med halveringstiden 4,5×109 år används för kärnkraft och kärnvapen men kan också användas som avskärmning för radioaktiv strålning. Kalium-40 har halveringstiden 1,3×109 år och har intresse bl a genom att det gör glas svagt radioaktivt så att det blir en viss bakgrundsstrålning i glaskärl. Ungefär hälften av den naturliga radioaktiviteten i en människa beror på 40K. När de primära radionukliderna sönderfaller bildas det ofta sekundära naturliga radionuklider. Ur 238U bildas 226Ra med t½ 1600 år, och ur detta radium bildas ädelgasen radon. Den radioaktiva gasen, 222Rn, sprider sig lätt och sugs in från berggrunden in i hus där den bidrar till större delen av den radioaktivitet man får i sig. Radonets halveringstid är 4 d, och den bildar s k radondöttrar som är fasta och radioaktiva. Kosmisk strålning ger upphov till inducerad radioaktivitet. När neutroner träffar den vanligaste kväveisotopen, 14N, så bildas det både 14C och 3H. 14 N + n → p + 14C Reaktionen skrivs också 14N(n,p)14C. Det bildade 14C blir koldioxid som växter tar upp, och eftersom man tror att den kosmiska strålningen är konstant så innebär det att det alltid funnits en viss andel kol-14 i kol. När växten dör sönderfaller kol-14, med halveringstiden 5730 år, och det går därför att beräkna hur gammalt ett biologiskt prov är. Tritium bildas också ur kväve: 14 N + n → 3H + 12C Halveringstiden är bara 12,3 år så det blir inte någon ansamling av tritium i världshaven. Det tritium som nu finns i vattnet kommer i stället från atombombsprov. Radionuklidernas egenskaper Radionukliderna och deras strålning kan karakteriseras genom ett antal parametrar: Strålningstyp: Vilken typ av strålning utsänds? Det kan t ex vara α-, β- och γ-strålning eller neutronstrålning. Strålningstypen beror på vilken kärnreaktion som sker. Sönderfallshastighet: Anges oftast med halveringstiden.
3(11)
Strålningens energi: Anges oftast i MeV. En elektronvolt är den energi en elektron får när den accelereras i ett fält med styrkan 1 V. Strålningens räckvidd: Beror inte bara på energin utan också på hur strålningen påverkas av materian. Kärnreaktioner Vid α-sönderfall skickas en α-partikel ut från kärnan. Den består av två protoner och två neutroner, dvs en heliumkärna. När det sker minskar A med 4 enheter och både N och Z med 2 enheter. Ett exempel är bildningen av radon-222 från radium-226: 226 86
+ 4 2+ + ν Ra→ 222 86 Rn 2 He
Överskottsenergin förs bort som fotoner, dvs elektromagnetisk strålning. Denna har hög energi och kallas γ-strålning. Det bildas samtidigt en neutrino (ν). Av β-sönderfall finns det tre typer: β--sönderfall, β+-sönderfall och elektroninfångning. Vid β--sönderfall utsänds en elektron från kärnan. Den bildas från en neutron när den omvandlas till en proton, och detta sker när kvoten N/Z är för hög: 1 0
n→11p + β − + ν
Detta är typiskt för nuklider som ofta används i biomedicinen, t ex tritium och 14C: 3 1
H → 23He + β − + ν C→147 N + β − + ν
14 6
Nuklider med β+-sönderfall används t ex i PET-kameran. Den positivt laddade elektronen kallas positron. Den träffar mycket snabbt en negativt laddad elektron och dessa två förintas då och bildar energi som sänds ut som två fotoner (γ-strålning) åt rakt motsatta håll. Positroner bildas när N/Z är för låg. Det som sker är att en proton omvandlas till en neutron: 1 1
p→ 01n + β + + ν
Ett exempel är kol-11 som har halveringstiden 20 min och som används kliniskt i PETkameran:
C →115 B + β + + ν
11 6
Ett annat sätt att kompensera när N/Z är för låg, dvs vid överskott på protoner, är att en av dessa reagerar med en elektron från elektronskalet. Det kallas elektroninfångning (electron capture) och leder till att en annan elektron hoppar från ett yttre till ett inre skal. Den energi som frigörs då blir γ-strålning. 1 1
p + e −1 → 01n + ν
Ett exempel på detta är cesium-131 som används i behandling av prostatacancer:
+ν Cs + e −1 →131 54 Xe
131 55
Den kärna som nybildas vid ett radioaktivt sönderfall har ofta ett högre energiinnehåll än den slutgiltiga. Kärnan befinner sig då i ett exciterat tillstånd. Överskottsenergin avges som elektromagnetisk strålning, γ-strålning. Detta kallas isomer övergång (isomeric transition, IT). Om kärnan kan behålla den extra energin under rimlig tid så betraktas den som en egen nuklid, eller isomer. Den betecknas med ett m (metastabil) i det kemiska tecknet, t ex 99mTc,
4(11)
med halveringstiden 6 h. När den avgett γ-strålning blir den 99Tc. Ett användningsområde för 99m Tc är för att studera kärlen i lungan, t ex om man misstänker en lungemboli. Då injicerar man 99mTc-märkt aggregerat albumin som fastnar i lungkapillärerna där det kan detekteras med s k scintigrafi, dvs man registrerar strålningen utanför kroppen. Förutom de spontana kärnreaktionerna finns det inducerade. De spontana beror på att kärnan är instabil genom ett över- eller underskott på neutroner, medan de inducerade beror på att kärnan bombarderas med neutroner eller en annan kärna. När det då bildas en atomkärna som klyvs talar man om fission: 235 U + 1n → 236U → 91Kr + 142Ba + 3 1n + energi Eftersom det bildas neutroner kan dessa reagera med nya 235U-kärnor, så att det blir en kedjereaktion. Genom att absorbera neutronerna kan man styra reaktionen och på så sätt få energi till elektricitet – kärnkraft. När lätta atomkärnor slås samman talar man om fusion. Det krävs mycket högt tryck och temperatur för att hålla igång reaktionen, t ex i solen: 4 1H → 4He + 2 e+ + energi Joniserande strålning Radioaktiv strålning kallas också joniserande strålning eftersom en huvudeffekt är att det bildas joner. Dessa syns t ex i en dimkammare där jonerna leder till att det blir spår. Alfastrålning har en kort räckvidd och går inte igenom huden. Den är farlig när den bildas inne i kroppen, och är där den mest joniserande och destruktiva formen av radioaktiv strålning. Betastrålning består av negativt laddade β-partiklar, elektroner. Räckvidden i vävnader är mindre än 2 cm. Beroende på nuklid är energin varierande, och därför också skadeeffekterna. Gammastrålning (γ) och röntgenstrålning (X) är båda högenergetisk elektromagnetisk strålning, som har lång räckvidd och genomträngningsförmåga. Neutronstrålning går igenom tunga ämnen som bly men bromsas i lätta ämnen som vatten. Den är inte direkt joniserande men ger upphov till gammastrålning sekundärt. Dessutom kan den leda till ”neutronaktivering”, dvs stabila kärnor tar upp en neutron och blir radioaktiva. Radionuklider i biomedicinen Nuklid Sönderfall Strålning 3
β
11
β+
γ
14
β
-
32
β-
β-
14,3 dygn
33
β-
β-
25 dygn
35
β
-
-
87 dygn
45
β-
76
β
H C C P P S
β
β
-
Halveringstid
-
12,3 år 20 min
-
5730 år
β-, γ
165 dygn
+
β EC
γ γ
16 h
99m
Tc
IT
γ
6,0 h
125
I
EC
γ
131
β
-
β,γ
8 dygn
198
β-
β-, γ
2,7 dygn
Ca Br
I Au
60 dygn -
5(11)
För studier av proteinfosforylering och i molekylärbiologiska försök används ofta 32P. 11C och 76 Br används i försök med PET-kameran eftersom de avger positroner. Radioaktivt jod används ofta för att märka proteiner. Korta halveringstider kan innebära praktiska svårigheter eftersom det tar tid att syntetisera substanser, men å andra sidan innebär de också fördelar: De försvinner snabbt, och det går att få upp den specifika aktiviteten till mycket höga värden. Det gör t ex att man kan studera bindning till receptorer. Stabila isotoper i biomedicinen Nuklid
Naturlig förekomst, %
2
0,015
H
13
1,108
15
0,366
17
0,038
18
0,204
34
4,215
C N O O S
Stabila isotoper har nackdelen att inte enkelt kunna detekteras, och de kan inte upptäckas ”på håll”, t ex utanför en kropp. Å andra sidan har de en rad fördelar: • De är inte lika toxiska som radionuklider, och kan användas t o m på gravida. • De kan anrikas i hög grad, så man har enbart den tunga nukliden (detta går inte med snabbt sönderfallande radionuklider eftersom de avger stora mängder energi). Därför kan de användas för studier där man använder masspektrometri eller NMR, och det gör att man kan bestämma var i en molekyl isotopen sitter liksom hur många det är i varje molekyl. • I vissa fall är de det enda tänkbara, som för syre som inte har någon radioaktiv isotop med rimlig halveringstid. • De kan användas för kinetikstudier där man använder sig av skillnaden i bindningsstyrka mellan t ex kol och de olika väteisotoperna. Nomenklatur för märkta föreningar I en märkt förening kan en eller flera atomer vara mer eller mindre utbytta mot isotop. Det förekommer också att man märker med en främmande atom, t ex jodisotoper för proteiner. Dessa måste kunna beskrivas entydigt med enkla beteckningar, där man brukar använda klammerparenteser för att ange isotopen: • Ospecificerad inmärkning: En eller flera atomer utbytta, t ex [3H]glukos. • Homogen inmärkning (uniformly labelled): Jämn fördelning av isotop i molekylen, dvs alla atomer av ett visst element har samma märkningsgrad. Om alla kol i glukos har samma specifika aktivitet skrivs det [U-14C]glukos. • Generell inmärkning: Alla atomer av ett visst element är märkta men inte med samma märkningsgrad. Skrivs [G-3H]glukos – alla väten har bytts ut t ex genom att utsättas för tritiumgas. • Specifik inmärkning: Isotoperna lokaliserade i bestämda positioner, t ex [1-14C]ättiksyra eller (1R)[1-2H]etanol. Ibland skrivs isotopen in direkt i formeln: 11CH3I. Inmärkning Det finns många olika metoder för att få in radioaktiva eller stabila isotoper i en molekyl. När det gäller biokemiskt intressanta molekyler kan man låta organismer leva i en miljö som 6(11)
anrikats med en isotop. På så sätt har man syntetiserat 15N-märkta aminosyror som användes i biologiska försök, och man har fått fram 15N-proteiner som kunnat studeras med NMR. De kemiska metoderna beror naturligtvis på vilken isotop som ska inkorporeras: Kolisotoper: Alla reaktioner som förlänger kolkedjor kan användas. Exempel är att 14CH3I via Grignardreaktion eller malonestersyntes. En alkylhalid kan substitueras med 14CN- till en nitril som kan hydrolyseras till karboxylsyra. Väteisotoper: Reduktion med 3H2 eller t ex NaB3H4 är mycket vanliga metoder. Med tritiumgas kan man då få in isotop i en kolkedja, och med märkta hydrider kan man få in väteisotoper i alkoholer. Ett annat sätt att få in väteisotoper är genom att utnyttja sura väten som lätt byter med märkt vatten, 3H2O eller 2H2O. Det gäller då att tänka på att de kan bytas bort lika lätt när man sedan använder den märkta substansen, om man inte låter den reagera vidare, t ex genom reduktion av karbonylgrupp: H O
H O
NaBH4
R C C H
R C C H H
2
2
OH2H O 2
H H
R C C OH 2
2
H H
H
Syreisotoper: Från märkt vatten kan man få in syreisotop t ex genom att hydratisera en dubbelbindning genom hydroborering, eller genom inbyte i karbonyler: O R C R
18
H+
OH
R C R H218O
18
O
R C R
18
OH
Också i detta fall måste man tänka på att isotopen lätt byts bort igen. Mätmetoder Metoderna att detektera, alltså upptäcka, och kvantitativt mäta radioaktiva och stabila isotoper skiljer sig markant. De viktigaste metoderna att mäta radioaktiva isotoper bygger på den effekt strålningen har. Denna kan leda till jonisation eller höjning av energinivån som leder till att elektromagnetisk strålning sänds ut när energinivån återgår. De stabila isotoperna däremot mäts antingen utifrån den ökning i massa de leder till eller genom det förändrade magnetiska spinnet som ger ändringar i NMR. Naturligtvis kan också radionuklider analyseras med dessa metoder men ofta är andelen radioisotop alltför liten i förhållande till den stabila isotopen. Masspektrometri: Med masspektrometern kan man bestämma antalet märkta atomer i en molekyl. Det går t ex att skilja på en 1:1 blandning av omärkt etanol och [1,1-2H2]etanol och ren (1R)[1-2H]etanol, vilket inte är möjligt om tritiummärkta motsvarigheter analyseras med avseende på radioaktiv strålning. NMR: Nuklider vars kärnor har udda antal nukleoner eller protoner kan analyseras med NMR. Det innebär att varken 12C eller 16O ger någon signal i NMR-spektrat, medan däremot t ex 13C syns. I NMR kan man få fram var i molekylen en märkt atom befinner sig genom att studera kopplingen till andra atomer. Metoder baserade på joniserande strålning är dels jonisationsdetektorer och dels fotografisk film: • I en jonisationskammare ligger en spänning över ett gasfyllt rör. När radioaktiv strålning ger upphov till joner i röret blir gasen ledande och en puls kan detekteras. Om spänningen över röret är högre förstärks signalen. När den fortfarande är proportionell mot den
7(11)
ursprungliga jonisationen kallas instrumentet proportionalräknare, och när man alltid får en maximal urladdning har man ett Geiger-Müller-rör (GM-rör):
•
GM-röret består av en metallcylinder med en centralt placerad elektrod. Mellan den elektroden och cylindern läggs en högspänning, och när gasen i röret joniseras av radioaktiv strålning blir det en puls. Fotografisk film bygger på att silverhalider lätt bildar metalliskt silver när de träffas av strålning, liksom vid fotografering. Metoden används för att analysera radioaktiva preparat med hjälp av autoradiografi:
SDS-PAGE, lagd mot film
Helkroppsautoradiografi: Snitt genom fryst råtta lagd mot film.
Metoder baserade på höjd energinivå går via fluorescerande molekyler som utsänder ljusblixtar när de exciterats. Det är dessa ljusblixtar man sedan mäter. • Vätskescintillationsräknaren är ett mycket ofta använt instrument för att mäta radioaktiva substanser. Instrumentet heter på engelska Liquid Scintillation Counter och förkortas LSC. Det radioaktiva provet löses i en vätska i en liten burk (3-5 ml). Burken är ofta av plast för att undvika den naturliga radioaktiviteten i glas. Principen är att den lösta radioaktiva substansen skickar iväg β-partiklar som exciterar lösningsmedelsmolekyler i vätskan. Lösningsmedlet är något aromatisk kolväte som t ex toluen. När elektronerna går tillbaka till ursprungsnivån (den molekylorbital som har lägsta energin) utsänds elektromagnetisk strålning som tas upp av en fluorescerande substans som är löst i vätskan. Också denna sänder iväg en foton, som i de flesta fall tas upp av en annan fluorescerande substans som sänder ut ljus med längre våglängd. Det ljuset tas upp av en fotoelektronmultiplikator utanför burken, som sänder iväg en elektrisk puls:
8(11)
radioaktiv substans
β
lösningsmedel
fluorescerande substans 1
hν
hν
fluorescerande substans 2 hν
register: intensitet, antal/min
signal
fotoelektronmultiplikator
Eftersom den β-strålande substansen är helt omgiven av lösningsmedel blir effektiviteten hög – all strålning detekteras. Den primära fluorescerande substansen (den primära scintillatorn) brukar vara en polyaryl som PPO = 2,5-difenyloxazol. Den sekundära scintillatorn flyttar spektrat till högre våglängder som passar fotoelektronmultiplikatorn bättre. Ett exempel är POPOP = 1,4-bis-2-(5-fenyloxazolyl)-benzol. En finess med vätskescintillationsräknaren är att intensiteten på den utgående signalen är proportionell mot energin på β-partikeln. Ju högre energi desto fler lösningsmedelsmolekyler exciteras, och sedan förstärks signalen via scintillatorerna och fotoelektronmultiplikatorn. När förekomsten av en viss intensitet plottas mot intensiteten erhålls ett βspektrum:
Spontant kan det uppstå svaga ljusblixtar i de fluorescerande ämnena. För att detta inte ska påverka sätter man en lägre gräns för signalens intensitet. Man brukar också sätta en övre gräns så att man undviker signaler som beror på kosmisk strålning som har mycket hög energi. β-Partiklarnas energi skiljer sig avsevärt mellan olika radionuklider. Tre mycket ofta använda β-strålande isotoper är 3H, 14C och 32P, och mellan dem är det ungefär en 10potens skillnad i energin: Nuklid 3 H 14 C 32 P
Emax 0,019 MeV 0,156 MeV 1,710 MeV
9(11)
Det gör att dessa isotoper har helt olika toxicitet. När man arbetar med 32P måste man vidta omfattande säkerhetsåtgärder medan det är tämligen ofarligt att arbeta med 3H. En annan effekt är att dessa isotoper går att mäta i ett och samma prov, s k dubbelisotopteknik. När dessa finns i ett och samma prov ser deras spektra ut ungefär så här:
Genom att bara registrera signaler som faller inom ett visst energiintervall kan man skilja på de olika isotoperna. Man talar om att man mäter i vissa kanaler. Visserligen har en del av β-partiklarna från kol-14 och fosfor-32 en lika låg energi som β-partiklar från tritium, men det går att kompensera med hjälp av spektrumen och lämpliga standarder. Med dubbel-isotopförsök kan man förstås studera två olika substanser samtidigt, men ännu viktigare är möjligheten att ha de olika isotoperna i en molekyl. Genom att ha kolskelettet märkt i en ”stabil” position och tritiummärka t ex det kol som håller en alkoholgrupp så kan man studera hur denna oxideras och återreduceras. Man tittar då på hur kvoten 3H/14C sjunker under metabolismen. Quenching eller släckning innebär en minskning i signalens intensitet. Eftersom man inte räknar signaler som har alltför låg intensitet kommer quenching att leda till att färre sönderfall räknas, och att signalerna blir lägre: β-spektrat förskjuts nedåt, mot vänster. Det går att korrigera för quenching på flera sätt: Intern standard Kanalkvot (channel ratio)
Extern standard
En känd mängd radioaktiv substans tillsätts till ett dubbelprov. Förväntad ökning / verklig ökning är korrektionsfaktorn. Eftersom spektrat förskjuts kan man få upplysning om graden av quenching ur kvoten mellan antalet signaler i två kanaler. Detta jämförs med standardprover med känd quenching. En radioaktiv substans utanför provet sänder in strålning in i provet och det går att bestämma hur mycket av denna strålning som registreras.
Oavsett metod att mäta radioaktivitet måste man alltid ta hänsyn till bakgrunden. Det gör man genom att mäta också ett prov där det inte finns något radioaktivt ämne men som för övrigt är så likt som möjligt. På så sätt kan man mäta hur mycket radioaktivitet som normalt finns, t ex på grund av kosmisk strålning, radon och annan kontamination. Användning av radioaktiva isotoper Det är mycket viktigt att kontrollera renheten på den radioaktiva substansen. Ofta har dessa en hög specifik aktivitet vilket gör att substansmängden är liten, och därför utsatt för oxidation mm. Dessutom kan substansen förstöras av den strålning som kommer från ”grannmolekyler”, och vid själva sönderfallet bildas nya substanser eftersom det blir nya grundämnen. Vid βsönderfall av 14C bildas t ex kväve, och det innebär förstås att det inte längre är samma 10(11)
förening. Man måste kontrollera både att det inte finns flera radioaktiva substanser, och att radioaktiviteten följer massan, liksom att massan inte får fördelas på flera substanser. En möjlighet är att analysera med TLC + autoradiografi. Diagnos med hjälp av radionuklider • Man kan undersöka hur organ arbetar, t ex genom tillförsel av 131I kan man efter ett dygn mäta radioaktiviteten i sköldkörtel och kalkylera mängden 131I som ansamlats. • Det går också att bestämma volymen i ett vätskerum, t ex kan 131I-albumin användas för bestämning av plasmavolymen. • Radioimmunologisk analys, RIA, för haltbestämning. I metoden tillsätts radioaktiv substans till provet där denna substans ska mätas. Antikroppar mot substansen tillsätts och binder både märkt och omärkt. Konkurrensen mellan dessa gör att det går att beräkna hur mycket omärkt substans som finns i provet. • Form, storlek och läge kan bestämmas med scintigrafi: Patienten tillförs radioaktiv substans som ansamlas i det intressanta organet. T ex tumör kan då lokaliseras (PET = positronemissionstomografi, SPECT = Single photon emission computed tomography). Biologiska effekter och terapeutisk användning av radionuklider I strålningsterapi utnyttjas att högenergetisk strålning skadar biologiskt material, speciellt snabbt växande. Det kan därför utnyttjas speciellt för att hämma tumörtillväxt. Några exempel: • Giftstruma kan behandlas med 131I, som specifikt tas upp i sköldkörteln. • Antikroppar märkta med radioaktiva isotoper kan riktas mot tumörcellernas receptorer. • Partikelstrålning utifrån kan riktas specifikt mot tumören. Energin som strålningen avger kallas strålningsdos och uttrycks i Gray (Gy) eller rad: 1 Gy = 100 rad = 1 J / kg Enheten röntgen R är ett mått på antalet jonisationer som elektromagnetisk strålning åstadkommer i luft. Enheten Sievert (Sv) eller rem (0,01 Sv) är ett mått på den absorberade stråldosen med hänsyn tagen till biologisk effekt på människa. rem = Röntgen equivalent man.
2006-07-04 Tomas Cronholm Isotop-komp06
11(11)
