متتبع مشع

المُتتبّع الإشعاعي ، أو المُشعّ المُشعّ، هو مُشتقّ اصطناعيّ لمركب طبيعيّ، حيث استُبدلت ذرة واحدة أو أكثر فيه بنظير مُشعّ (ذرة مُشعّة). وبفضل تحلّله الإشعاعيّ ، يُمكن استخدامه لدراسة آلية التفاعلات الكيميائية من خلال تتبّع مسار النظير المُشعّ من المُتفاعلات إلى النواتج. وبالتالي، يُعدّ الوسم الإشعاعيّ أو التتبّع الإشعاعيّ الشكل الإشعاعيّ للوسم النظائريّ . في السياقات البيولوجية، تُسمّى التجارب التي تستخدم المُتتبّعات النظائرية المُشعّة أحيانًا بتجارب التغذية بالنظائر المُشعّة .

استُخدمت النظائر المشعة للهيدروجين والكربون والفوسفور والكبريت واليود على نطاق واسع لتتبع مسار التفاعلات الكيميائية الحيوية. كما يُمكن استخدام المُتتبِّع المشع لتتبع توزيع مادة ما داخل نظام طبيعي، مثل الخلية أو النسيج، [ 1 ] أو كمُتتبِّع لتدفق السوائل . ^{وتُستخدم المُتتبِّعات المشعة} أيضًا لتحديد موقع الشقوق الناتجة عن التكسير الهيدروليكي في إنتاج الغاز الطبيعي. ^{[ 2 ]} تُشكِّل المُتتبِّعات المشعة أساسًا للعديد من أنظمة التصوير، مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET ) والتصوير المقطعي المحوسب بإصدار فوتون واحد (SPECT) والتصوير بالتكنيتيوم . ويستخدم التأريخ بالكربون المشع نظير الكربون-14 الموجود طبيعيًا كعلامة نظيرية .

في علوم المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية، يُلاحظ سوء استخدام بعض المصطلحات العلمية المتعارف عليها. ولذلك، شُكِّلَ "فريق عمل دولي معني بالتسمية في كيمياء المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية والمجالات ذات الصلة" عام ٢٠١٥ من قِبَل جمعية علوم المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية. وكان هدفهم توضيح المصطلحات ووضع نظام تسمية موحد من خلال توافق عالمي، بما يضمن الاتساق والدقة في هذا المجال. ^{[ ٣ ]}

تختلف نظائر العنصر الكيميائي فقط في العدد الكتلي. على سبيل المثال، يمكن كتابة نظائر الهيدروجين على النحو التالي: ¹H، ²H، و³H ، ^حيث يُكتب ^العدد الكتلي كرمز ^علوي على اليسار. عندما تكون نواة ذرة النظير غير مستقرة، تكون المركبات التي تحتوي على هذا النظير مشعة . التريتيوم مثال على نظير مشع.

يقوم مبدأ استخدام المتتبعات المشعة على استبدال ذرة في مركب كيميائي بذرة أخرى من نفس العنصر الكيميائي. إلا أن الذرة البديلة تكون نظيرًا مشعًا. تُعرف هذه العملية غالبًا باسم الوسم الإشعاعي. وتكمن قوة هذه التقنية في أن التحلل الإشعاعي أكثر طاقة بكثير من التفاعلات الكيميائية. لذا، يمكن أن يوجد النظير المشع بتركيز منخفض، ويمكن الكشف عنه بواسطة أجهزة كشف إشعاعية حساسة مثل عدادات جايجر وعدادات الوميض . وقد فاز جورج دي هيفيسي بجائزة نوبل في الكيمياء عام 1943 "لأبحاثه حول استخدام النظائر كمتتبعات في دراسة العمليات الكيميائية".

هناك طريقتان رئيسيتان لاستخدام المواد المشعة المتتبعة

1. عندما يخضع مركب كيميائي موسوم لتفاعلات كيميائية، فإن واحداً أو أكثر من النواتج سيحتوي على الوسم الإشعاعي. يوفر تحليل ما يحدث للنظير المشع معلومات تفصيلية عن آلية التفاعل الكيميائي.
2. يتم إدخال مركب مشع إلى كائن حي، ويوفر النظير المشع وسيلة لإنشاء صورة توضح الطريقة التي يتم بها توزيع هذا المركب ونواتج تفاعله حول الكائن الحي.

تتميز النظائر المشعة شائعة الاستخدام بفترات نصف عمر قصيرة ، ولذلك لا توجد بكميات كبيرة في الطبيعة. وتُنتج هذه النظائر عن طريق التفاعلات النووية . ومن أهم هذه العمليات امتصاص النيوترون بواسطة نواة الذرة، حيث يزداد العدد الكتلي للعنصر المعني بمقدار 1 لكل نيوترون ممتص. على سبيل المثال،

¹³ ج + ن → ¹⁴ ج

في هذه الحالة، تزداد الكتلة الذرية، لكن العنصر يبقى دون تغيير. في حالات أخرى، تكون نواة الناتج غير مستقرة وتتحلل، وعادةً ما تُصدر بروتونات أو إلكترونات ( جسيمات بيتا ) أو جسيمات ألفا . عندما تفقد النواة بروتونًا، ينخفض ​​العدد الذري بمقدار 1. على سبيل المثال،

³² S + n → ³² P + p

يُجرى التشعيع النيوتروني في مفاعل نووي . أما الطريقة الرئيسية الأخرى المستخدمة لتخليق النظائر المشعة فهي قصف البروتونات. تُسرّع البروتونات إلى طاقة عالية إما في سيكلوترون أو مسرع خطي . ^{[ 4 ]}

في أبحاث الأيض ، يُستخدم التريتيوم والجلوكوز الموسوم بالكربون ^-14 بشكل شائع في تقنية تثبيت مستوى الجلوكوز لقياس معدلات امتصاص الجلوكوز ، وتخليق الأحماض الدهنية ، وغيرها من العمليات الأيضية. ^{[ 11 ]} وبينما لا تزال المواد المشعة تُستخدم أحيانًا في الدراسات البشرية، فإن النظائر المستقرة مثل الكربون ^-13 تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في دراسات تثبيت مستوى الجلوكوز الحالية على البشر. كما تُستخدم المواد المشعة لدراسة أيض البروتينات الدهنية في البشر والحيوانات المخبرية. ^{[ 12 ]}

في الطب ، تُستخدم المواد المشعة في عدد من الفحوصات، مثل التكنيتيوم ^-99m في التصوير الإشعاعي الذاتي والطب النووي ، بما في ذلك التصوير المقطعي المحوسب بانبعاث الفوتون المفرد (SPECT) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير الومضاني . كان اختبار التنفس باليوريا للكشف عن جرثومة الملوية البوابية (Helicobacter pylori) يعتمد عادةً على جرعة من اليوريا الموسومة بالكربون ^-14 للكشف عن الإصابة بهذه الجرثومة. إذا تم استقلاب اليوريا الموسومة بواسطة جرثومة الملوية البوابية في المعدة، فإن زفير المريض سيحتوي على ثاني أكسيد الكربون الموسوم. في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام المواد المخصبة بالنظير غير المشع الكربون -13 ^هو الأسلوب المفضل، لتجنب تعريض المريض للإشعاع. ^{[ 13 ]}

في عملية التكسير الهيدروليكي ، تُحقن نظائر مشعة متتبعة مع سائل التكسير الهيدروليكي لتحديد مسار الحقن وموقع الشقوق المُحدثة. ^{[ 2 ]} تُستخدم نظائر مشعة ذات فترات نصف عمر مختلفة لكل مرحلة من مراحل التكسير الهيدروليكي. في الولايات المتحدة، تُحدد كميات النظائر المشعة لكل حقنة في إرشادات هيئة التنظيم النووي الأمريكية (NRC). ^{[ 14 ]} ووفقًا لهيئة التنظيم النووي، تشمل بعض النظائر المشعة الأكثر شيوعًا: الأنتيمون-124 ، والبروم-82 ، واليود-125 ، واليود-131 ، والإيريديوم-192 ، والسكانديوم -46 . ^{[ 14 ]} يؤكد منشور صادر عن الوكالة الدولية للطاقة الذرية عام 2003 الاستخدام المتكرر لمعظم المواد المشعة المذكورة أعلاه، ويشير إلى أن المنغنيز-56 ، والصوديوم-24 ، والتكنيتيوم-99م ، والفضة-110م ، والأرجون-41 ، والزينون-133 تُستخدم أيضاً على نطاق واسع لسهولة تحديدها وقياسها. ^{[ 15 ]}

• المركز الوطني لتطوير النظائر - موارد حكومة الولايات المتحدة للنظائر المشعة - الإنتاج والتوزيع والمعلومات
• برنامج تطوير وإنتاج النظائر لأغراض البحث والتطبيقات (IDPRA) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، والذي يرعى إنتاج النظائر وأبحاث وتطوير الإنتاج.