БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ
Навигация:

Библиотека DJVU
Photogallery

БСЭ

Статистика:


Изотопные индикаторы

Значение слова "Изотопные индикаторы" в Большой Советской Энциклопедии


Изотопные индикаторы, вещества, имеющие отличный от природного изотопный состав и благодаря этому используемые в качестве метки при изучении самых разнообразных процессов. Роль изотопной
Рис. 1. Отложение радиоактивных изотопов стронция и фосфора в костях: 89Sr откладывается преимущественно в самой кости, 32P — в костном мозге.
метки выполняют стабильные или радиоактивные изотопы химических элементов, которые легко могут быть обнаружены и определены количественно. Высокая чувствительность и специфичность Изотопные индикаторы 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 Изотопные индикаторы (называется также методом меченых атомов) был впервые предложен Д. Хевеши и Ф. Панетом в 1913. Широкое использование Изотопные индикаторы стало возможным благодаря развитию ядерной техники, позволившей получать изотопы в массовом масштабе.

  Метод Изотопные индикаторы основан на том, что химические свойства разных изотопов одного элемента почти одинаковы (благодаря чему поведение меченых атомов в изучаемых процессах практически не отличается от поведения других 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 Изотопные индикаторы 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 Изотопные индикаторы, выполнено с радиоактивными изотопами.

  Такие элементы, как водород углерод сера, хлор свинец имеют удобные для использования как стабильные — 2H, 13C, 34S, 35Cl, 37Cl, 204РЬ, так и радиоактивные изотопы — 3H, 11C, 14C, 35S, 36C1, 212РЬ. В качестве изотопов азота и кислорода чаще всего применяются стабильные 15N и 18O и другие. Стабильные Изотопные индикаторы получают обогащением природных изотопных смесей путём 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 (Be, F, Na, Al, P, I), в качестве меченых атомов используют только искусственные радиоактивные изотопы; примером часто применяемых радиоактивных изотопов служат 3H, 14C, 32P, 35S, 45Ca, 51Cr, 59Fe, 60Co, 89Sr,95Nb, 110Ag, 131I 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 даёт 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). Всё большее применение находят спектральные методы и парамагнитный резонанс. Дейтерий, 18O 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 счётчиков Гейгера или сцинтилляционных счётчиков. Так, с помощью счетчика Гейгера можно уловить излучение 10-11 г углерода 14C, 10-16 г фосфора 32Р и иода 131I, 10-19 г углерода 11C и т. д. Современные 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 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 химическим синтезом используются реакции изотопного обмена и биологический синтез. В большинстве случаев изотопная метка занимает определённое положение в молекуле; например, пропионовую кислоту можно пометить по углероду тремя способами: 14CH3CH2COOH, СН314СН2СООН, СН3СН214СООН.

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

  Другое направление использования Изотопные индикаторы — количественный анализ. Один из самых простых и распространённых вариантов метода Изотопные индикаторы — метод изотопного разбавления, при котором к анализируемому веществу добавляют дозированное количество Изотопные индикаторы 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 Изотопные индикаторы 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 урана и тория, а также количественное определение изотопа 14C в умерших организмах позволяют определять возраст горных пород и археологических находок.

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

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

 

  Лит.: Радиоактивные изотопы в химических исследованиях, Л. — М., 1965; Рогинский С. З., Теоретические основы изотопных методов изучения химических 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 Изотопные индикаторы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование Изотопные индикаторы не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением Изотопные индикаторы связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во  2-й половине 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода (2H и 3H), углерода (13C и 14C), азота (15N), кислорода (18O), фосфора (32P), серы (35S), железа (59Fe), йода (131I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке (рис. 1 — 3). Применение Изотопные индикаторы привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ — карбонатов, нитратов, фосфатов и др.

  С помощью Изотопные индикаторы 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 путём 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 Изотопные индикаторы решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе 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 том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора — в нервную и мышечные ткани, кальция — в кости).

  Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за «судьбой» отдельных атомов и химических 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 кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а не двуокись углерода С другой стороны, применение 14CO2 позволило выяснить пути превращений двуокиси углерода 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 Изотопные индикаторы 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.

  Метод Изотопные индикаторы нашёл применение в исследовании процессов, решающую роль в которых играет передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, инициация и рецепция раздражения и др.) Эффективность метода Изотопные индикаторы 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 (белки, нуклеиновые кислоты) и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, хромосомы и др. органеллы). Например, исследования относительной устойчивости белков и нуклеиновых кислот в 1H2O, 2H2O и в H218O 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 (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 количество крови и время её полного кругооборота, исследовать работу желёз 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 атомов 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.

 

  Изотопные индикаторы 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 Изотопные индикаторы 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 24Na, 131I, 99MTc; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют 99MTc, 133Xe; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с 131I используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы. Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с 131I, 198Au; функцию почек — при ренографии c 131I-гиппураном и скенированием после введения неогидрина, меченого 203Hg или 99MTc. Изображение кишечника, желудка получают, используя 99MTc, селезёнки — применяя эритроциты с 99MTc или 51Сr; с помощью 75Se диагностируют заболевания поджелудочной железы. Диагностическое применение имеют также 85Sr и 85P.

  А. В. Козлова.

 

  Изотопные индикаторы в сельском хозяйстве (3H, 14C, 22Na, 32P, 35S, 42K, 45Ca, 60Co, 65Zn, 99Mo 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 Изотопные индикаторы для выявления действия на растительный организм пестицидов, в частности гербицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод Изотопные индикаторы, 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 химическими методами) и микроэлементов. При помощи Изотопные индикаторы разрабатывают приёмы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеклубнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.

Рис. 1. Отложение радиоактивных изотопов стронция и фосфора в костях: 8<sub>9</sub>Sr откладывается преимущественно в самой кости, 3<sub>2</sub>P — в костном мозге.
Рис. 1. Отложение радиоактивных изотопов Рис. 1. Отложение радиоактивных изотопов стронция и фосфора в костях: 8<sub>9</sub>Sr откладывается преимущественно в самой кости, 3<sub>2</sub>P — в костном мозге.
Рис. 1. Отложение радиоактивных изотопов стронция и фосфора в костях: 89> откладывается преимущественно в самой кости, 32> — в костном мозге


Рис. 4. Схема опыта по изучению поглощения радиоактивных изотопов раздельно корнями и плодами арахиса: 1 — среда для корней; 2 — среда для плодов.
Рис. 4. Схема опыта по изучению поглощения радиоактивных изотопов раздельно корнями и плодами арахиса: 1 — среда для корней; 2 — среда для плодов


Рис. 3. Избирательное накопление радиоизотопа серы (3<sub>5</sub>S) в хрящевой ткани 20-дневного зародыша крысы: А — окрашенный срез; Б — радиоавтограф.
Рис. 3. Избирательное накопление радиоизотопа серы (35S) в хрящевой ткани 20-дневного зародыша крысы: А — окрашенный срез; Б — радиоавтограф


Рис. 2. Распределение радиоизотопа фосфора (3<sub>2</sub>P) на поперечном срезе сахарной свёклы при нанесении изотопа на один из листьев растения.
Рис. 2. Распределение радиоизотопа фосфора (32>Рис. 2. Распределение радиоизотопа фосфора (3<sub>2</sub>P) на поперечном срезе сахарной свёклы при нанесении изотопа на один из листьев растения.
Рис. 2. Распределение радиоизотопа фосфора (32P) на поперечном срезе сахарной свёклы при нанесении изотопа на один из листьев растения


В Большой Советской Энциклопедии рядом со словом "Изотопные индикаторы"

Буква "И" | В начало | Буквосочетание "ИЗ" | Изотопные методы


Статья про слово "Изотопные индикаторы" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 4844 раз


Интересное