Большая Советская Энциклопедия (ИЗ) - БСЭ БСЭ

Изотопные индикаторы

Изото'пные индика'торы, 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 химических элементов, которые 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 том числе и в живых организмах.

  Метод И. и. (называется также методом меченых атомов) был впервые предложен Д. Хевеши и Ф. Панетом 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 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 И. и. 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 И. и., выполнено с радиоактивными изотопами.

  Такие элементы, как водород, углерод, сера, хлор, свинец, имеют удобные для использования как стабильные — 2 H, 13 C, 34 S, 35 Cl, 37 Cl, 204 РЬ, так и радиоактивные изотопы — 3 H, 11 C, 14 C, 35 S, 36 C1, 212 РЬ. В качестве изотопов азота и кислорода чаще всего применяются стабильные 15 N и 18 O и другие. 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-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 3 H, 14 C, 32 P, 35 S, 45 Ca, 51 Cr, 59 Fe, 60 Co, 89 Sr,95 Nb, 110 Ag, 131 I 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, 18 O 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 14 C, 10-16 г фосфора 32 Р и иода 131 I, 10-19 г углерода 11 C и т. д. Современные жидкостные сцинтилляционные счётчики позволяют с высокой эффективностью и точностью проводить определение изотопов с мягким бета-излучением (3 H, 14 C, 35 S 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: 14 CH3 CH2 COOH, СН3 14 СН2 СООН, СН3 СН2 14 СООН.

  Имеются три основных 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. в различных частях системы. Наиболее наглядные картины распределения получаются без разрушения образца при помощи радиоавтограмм (см. Авторадиография ).

  Другое направление использования И. и. — количественный анализ. Один из самых простых и распространённых вариантов метода И. и. — метод изотопного разбавления, при котором 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 которых другими методами невозможны. Широкими возможностями отличается примыкающий к методу И. и. 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 14 C в умерших организмах позволяют определять возраст горных пород и археологических находок.

  Третьим направлением использования И. и. 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 И. и. 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 И. и. 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 И. и. не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением И. и. связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во  2-й половине 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода (2 H и 3 H), углерода (13 C и 14 C), азота (15 N), кислорода (18 O), фосфора (32 P), серы (35 S), железа (59 Fe), йода (131 I) 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 И. и. привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза , а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ — карбонатов, нитратов, фосфатов и др.