ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
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 хим. элементов, к-рые легко могут быть обнаружены и определены
количественно. Высокая чувствительность и специфичность И. и. позволяют
проследить за ними в сложных процессах перемещения, распределения и превращения
веществ в сколь угодно сложных системах, в т. ч. и в живых организмах.
Метод И. и.
(наз. также методом меченых атомов) был впервые предложен Д. Хевеши и Ф.
Пакетом в 1913. Широкое использование И. и. стало возможным благодаря развитию
ядерной техники, позволившей получать изотопы в массовом масштабе.
Метод И. и.
основан на том, что хим. свойства разных изотопов одного элемента почти
одинаковы (благодаря чему поведение меченых атомов в изучаемых процессах
практически не отличается от поведения др. атомов того же элемента), и
на лёгкости обнаружения изотопов, особенно радиоактивных. При использовании
метода необходим учёт возможных реакций изотопного обмена, приводящих к
перераспределению меченых атомов (следовательно, к потере соединением метки),
а иногда и учёт 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. и. с применением стабильных изотопов. Преимущество
радиоактивных изотопов - возможность их получения практически для всех
элементов периодич. системы, высокая чувствительность, специфичность и
точность определения, простота и доступность измерительной аппаратуры.
Поэтому большинство исследований, использующих метод И. и., выполнено с
радиоактивными изотопами.
Такие элементы,
как водород, углерод, сера, хлор, свинец, имеют удобные для использования
как стабильные - 2H, 13C, 34S, 35Cl,
37Cl,
204Pb,
так и радиоактивные изотопы - 3H,
11C,
14C,
35S<, 36Cl,
212Pb. В качестве изотопов
азота и кислорода чаще всего применяются стабильные
15N и 18O
и др. Стабильные И. и. получают обогащением природных изотопных смесей
путём многократного повторения операции разделения (перегонка, диффузия,
термодиффузия, изотопный обмен, электролиз; см. Изотопов разделение), а
также на масс-спектромет-рич. установках и при ядерных реакциях.
Для элементов,
существующих в природе в виде одного изотопа (Be, F, Na, Al, P, I), в качестве
меченых атомов используют только искусств, радиоактивные изотопы; примером
часто применяемых радиоактивных изотопов служат 3H, 14C,
32P,
33S,
45Ca, 51Cr, 59Fe,
60Co,89Sr,
95Zr, 93Nb,
110Ag,
131I и др.
Выбор радиоактивного изотопа определяется его ядерными характеристиками
- периодом полураспада,типом и энергией излучения. Для индикации пригодны
радиоактивные изотопы, период полураспада к-рых не очень мал, что позволяет
работать в течение времени, необходимого для эксперимента, но и не очень
велик, что даёт возможность работать с весьма малыми количествами индикатора.
Осн. методом
анализа стабильных изотопов служит масс-спектрометрия (чувствительность
10-4 % изотопа при точности 0,1-1% для проб массой в доли мг).
Всё большее применение находят спектральные методы и парамагнитный резонанс.
Дейтерий, 18O и нек-рые др. изотопы определяют по изменению
показателя преломления, теплопроводности, плотности как самого элементарного
вещества, так и его соединений. Радиоактивные изотопы определяют по их
излучению при помощи счётчиков Гейгера или сцинтил-ляционных счётчиков.
Так, с помощью счётчика Гейгера можно уловить излучение 10-11
г углерода 14C, 10-16 г фосфора 32P и
иода 131I, 10-1а г углерода 11C и т. д.
Совр. жидкостные сцинтилляционные счётчики позволяют с высокой эффективностью
и точностью проводить определение изотопов с мягким бета-излучением (3H,
14C,
35S
и др.). Введение в практику этого метода изотопного анализа повышает его
производительность и позволяет работать с незначит. активностями, приближающимися
к активности космич. 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 хим. синтезом используются
реакции изотопного обмена и биол. синтез. В большинстве случаев изотопная
метка занимает определённое положение в молекуле; напр., пропионовую кислоту
можно пометить по углероду тремя способами:
Имеются
три осн. направления использования И. и. Методом И. и. изучают характер
распределения веществ и пути их перемещения. И. и. вводят в ту или иную
систему и через определённые промежутки времени устанавливают наличие И.
и.
Б различных
частях системы. Наиболее наглядные картины распределения получаются без
разрушения образца при помощи радиоавтограмм (см. Авторадиография).
Др. направление
использования И. и.- количественный анализ. Один из самых простых и распространённых
вариантов метода И. и.- метод изотопного разбавления, при к-ром к анализируемому
веществу добавляют дозированное количество И. 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
к-рых др. методами невозможны. Широкими возможностями отличается примыкающий
к методу И. и. активационпый анализ, где меткой служит изотоп другого элемента,
образованный из данного в результате ядерной реакция. Особенно большое
значение этот метод имеет при определении микроэлементов в металлах, сплавах,
минералах, тканях, при быстром контроле технология, процессов. Количеств,
анализ природных изотопов, входящих в естественные радиоактивные ряды урана
и тория, а также количественное определение изотопа 14C в умерших
организмах позволяют определять возраст горных пород и археология, находок.
Третьим направлением
использования И. и. является выяснение механизма различных процессов и
изучение строения хим. соединений. Введение изотопной метки в определённое
положение молекулы устраняет хим. неразличимость атомов, допуская возможность
однозначного выяснения механизма тех или иных реакций, для к-рых обычные
хим. методы описывают только начальное и конечное состояния.
Все указанные
направления применения И. и. широко представлены в различных областях химии,
биологии, медицины, техники, с. х-ва и т. д. Ниже приводятся отд. примеры
их использования.
Лит.: Радиоактивные
изотопы в химических исследованиях, Л.- JM., 1965; Pогинский С. 3., Теоретические
основы изотопных методов изучения химических реакций, M., 1956; Ядернофизические
методы анализа веществ, M., 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. и. применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биол.
проблем, изучение которых др. методами затруднено или невозможно. Существенное
для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование
И. и. не нарушает целостности организма и его осн. жизненных отправлений.
С применением И. и. связаны MH. крупные достижения совр. биологии, определившие
расцвет биол. наук во 2-й пол. 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных
изотопов водорода (2H и 3H), углерода (13C
н 14C), азота (15N), кислорода (18O),
фосфора (32P), серы (35S), железа (59Fe),
иода (131I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и
взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых к-т,
углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также хим. механизмы
их превращений в живой клетке (рис. 1-3). Применение И. и. привело к пересмотру
прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих
усвоение растениями неорганич. веществ - карбонатов, нитратов, фосфатов
и др.
С помощью И.
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 отд. особей внутри данной популяции,
миграции микробов, а также отд. соединений внутри организма. Вводя в организмы
с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции
мн. 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. и. решён ряд теоретич. и прикладных проблем: выяснены
пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также
роль различных хим. элементов, в т. ч. микроэлементов, в жизни растений
(рис. 4). Показано, в частности, что углерод 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 т. ч. скорость включения
железа в гемоглобин, фосфора - в нервную н мышечные ткани, кальция - в
кости).
Важная группа
Рис. 4. Схема
Метод И. и.
Важное значение
Лит.: Камеи
И. и. в медицине.
И. и. в сельском
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
работ охватывает исследования механизмов хим. реакций в организме. Так,
во мн. случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися
молекулами, проследить за "судьбой" отд. атомов и хим. групп в процессах
обмена веществ<, а также выяснить последовательность и скорость этих
превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении совр.
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 кислорода, выделяемого
в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а
не двуокись углерода. С др. стороны, применение 14CO
Использование "меченой" пищи привело к новому представлению о скоростях
всасывания и распространения пищевых веществ, об их "судьбе" в организме
и помогло проследить за влиянием внутр. и внеш. факторов (голодание, асфиксия,
переутомление и т. д.) на обмен веществ. Метод И. 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 разделённых
мембранами сред.
опыта по изучению поглощения радиоактивных изотопов раздельно корнями и
плодами арахиса: 1 - среда для корней; 2 - среда для плодов.
нашёл применение в исследовании процессов, решающую роль в к-рых играет
передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, ,инициация
и рецепция раздражения и др.). Эффективность метода И. и. в работах этого
рода обусловлена тем, что исследования проводятся на целостных, интактных
организмах, сохраняющих неповреждённой всю сложную систему нервных и гуморальных
связей. Наконец, группа работ включает исследования статических характеристик
биол. структур, начиная с молекулярного уровня (белки, нуклеиновые к-ты)
и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, хромосомы и др. органел-лы).
Напр., исследования относительной устойчивости белков и нуклеиновых к-т
в 1H
способствовали выяснению природы сил, стабилизирующих структуру биополимеров,
в частности роли водородных связей в биол. системах.
при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа,
а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения. Преимущество
стабильных изотопов (2H, 18O, 15N 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
(59Fe, 131I и др.) позволила в живом организме измерить
скорость кроветока, определить кол-во крови и время её полного кругооборота,
исследовать работу желез внутр. секреции.
M., Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., M., 1948; Xевеши
Г., Радиоактивные индикаторы, их применение в биохимии, нормальной физиологии
и патологической физиологии человека и животных, пер. с англ., M-, 1950;
Метод меченых атомов в биологии, M., 1955; Рогинский С. 3., Шноль С. Э.,
Изотопы в биохимии, M., 1963; В анг Ч., Уиллис Д., Радиоиндикаторный метод
в биологии, пер. с англ.. JM., 1969; Радиоактивные изотопы во внешней среде
и организме, M., 1970. Я. H. Верховская.
С помощью И. и. были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний;
их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики мн. заболеваний
(см. Радиоизотопная диагностика).И., и. вводят в организм в крайне малых
количествах, не способных вызвать к.-л. па-тологич. сдвиги. Различные элементы
неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и
И. и. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют радиометрич.
приборами, скенированием, авторадиографией и др. Так, состояние большого
и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока,
изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих
24Na,
131I,
99мТс; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного
мозга применяют 99mTc, 133Xe; макроагрегаты альбумина
человеческой сыворотки с 131I используют для диагностики различных
воспалительных процессов в лёгких, их опухолей и при различных заболеваниях
щитовидной железы. Концентрационную и выделительную функции печени изучают
при помощи краски бен-гал-роз с 131I,
198Au; функцию
почек - при ренографии с 13Ч-гиппураном и скен-нированием после
введения неогидрина, меченого 203Hg или 89мТс. Изображение
кишечника, желудка получают, используя
99mTc, селезёнки - применяя
эритроциты с 99mTc или
51Cr; с помощью
75Se
диагностируют заболевания поджелудочной железы. Диагностич. применение
имеют также 85Sr и 34P. А. В. Козлова.
хозяйстве (3H, 14C, 22Na, 32P,
35S,
42К,
43Ca, 60Co, 65Zn,
99Mo и др.)
широко используются для определения физич. 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 др. вопросов почвоведения
и агрохимии. Пользуются И. и. для выявления действия на растительный организм
пестицидов, в частности гербицидов, что позволяет установить концентрацию
и сроки обработки ими посевов. Применяя метод И. и., исследуют важнейшие
биол. свойства с.-х. культур (при оценке и отборе селекционного материала)
- урожайность, скороспелость, хладостойкость. В животноводстве изучают
физиол. процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов
на содержание токсич. веществ (малые дозы к-рых трудно определить хим.
методами) и микроэлементов. При помощи И. и. разрабатывают приёмы автоматизации
производств, процессов, напр, отделение корнеклубнеплодов от камней и комков
почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.