3.4.2. Способы получения радионуклидов

Одним из главных достоинств применения радионуклидов в медицине является возможность получения результирующего сигнала большой амплитуды при относительно малой массе вводимого радионуклида. Введение незначительных доз меченого препарата позволяет проводить неинвазивные исследования организма без возникновения вредных фармакологического и токсического эффектов. Ядерная медицина использует данную возможность для исследования различных физиологических процессов в организме с помощью разных радиоизотопных соединений — РФП.

Существуют четыре способа образования радионуклидов:

1) нейтронный захват (известный также как активация нейтронов);

2) деление ядра;

3) бомбардировка атома заряженными частицами и

4) использование радионуклидного генератора.

Каждый из упомянутых методов позволяет получать необходимое количество изотопов для ядерной медицины.

Нейтронный захват — это поглощение нейтрона ядром атома и образова-ние нового радионуклида в соответствии со следующими ядерными реакциями:

(3.3)

(3.4)

Чтобы получить радиоактивные элементы при нейтронном захвате, нейтроны должны иметь среднюю энергию от 0,03 до 100 эВ. Эти «тепловые» (находящиеся в термодинамическом равновесии с веществом) нейтроны являются наиболее подходящими для взаимодействия с ядрами атомов и поглощения в них. Самым эффективным средством получения радиоизотопов является использование ядерного реактора. В нём для получения радиоактивного препарата мишень из определенного элемента помещается в пучок тепловых нейтронов. Число образующихся в результате реакции атомов изотопа N_ зависит от плотности потока падающих частиц  (см^-2·с^-1), числа доступных для взаимодействия ядер мишени (п_t) и сечения (вероятности) реакции σ, измеряемой в барнах¹:

(3.5)

Здесь λ — постоянная радиоактивного распада, определяемая как величина, обратно пропорциональная периоду полураспада данного изотопа.

Полученный в соответствии с реакцией (3.3) или (3.4) радионуклид пред-ставляет собой изотоп материала мишени, т. е. оба ядра имеют одинаковое чис-ло протонов. Радионуклиды, полученные в реакции (n, γ), неотделимы от мате-риала мишени и, таким образом, отношение числа радиоактивных атомов к чис-лу стабильных атомов, т. е. удельная активность, относительно мало. Отделе-ние полученного радионуклида от других радионуклидов мишени производится известными физическими или химическими методами. Радионуклиды, обра-зующиеся в результате поглощения нейтронов, представлены в табл. 3.1 [39].

Таблица 3.1. Радионуклиды, образующиеся при поглощении нейтронов

Изотоп	Энергия γ-излучения, кэВ	Период полураспада	Сечение поглощения, барн
51Cr	320	27,7 сут	17
59Fe	1099	44,5 сут	1,1
99Mo	740	66,02 ч	0,13
131I*	364	8,05 сут	0,2
*Получается по схеме

Ядерное деление — это процесс, в результате которого тяжелые ядра (²³⁵U, ²³⁹Pu, ²³⁷U, ²³²Th), облучаемые тепловыми нейтронами, поглощают их и становятся нестабильными, что приводит к их делению на два легких (приблизительно с одинаковыми атомными массами) ядра в соответствии, например, со следующей ядерной реакцией:

(3.6)

Отсюда мы видим, что в данной реакции образуются дополнительно четыре нейтрона, которые в свою очередь могут поглотиться другими тяжелыми ядра-ми, и процесс деления может продолжаться до истощения ядерного горючего.

К недостаткам данного способа относятся следующие моменты. Получаемые при делении тяжелых ядер нуклиды должны подвергаться тщательной очистке для выделения конкретного радионуклида из смеси продуктов деления. Процесс деления имеет высокую удельную активность из-за отсутствия материала мишени (нерадиоактивного изотопа того же элемента). Однако продукты деления обычно обогащены нейтронами и испытывают β^–-распад с излучением -частиц, физическое действие которых противопоказано при медицинской визуализации, хотя и представляет интерес для целей терапии. В табл. 3.2 представлены нуклиды, получаемые в процессе ядерного деления, которые применяются в ядерной медицине [39].

Таблица 3.2. Радионуклиды, возникающие в процессе ядерного деления

Изотоп	Энергия γ-квантов, кэВ	Период полураспада	Эффективность деления, %
99Mo	740	66,02 ч	6,1
131I	364	8,05 дня	2,9
133Xe	81	5,27 дня	6,5
137Cs	662	30 лет	5,9

Бомбардировка заряженными частицами — это процесс получения радионуклидов посредством взаимодействия заряженных частиц (Н^±, D⁺, ³Не²⁺, ⁴Не²⁺) с ядрами стабильных атомов. Частицы должны обладать достаточной кинетической энергией для преодоления сил электростатического отталкивания положительно заряженного ядра. Для этой цели применяют различные типы ускорителей заряженных частиц (УЗЧ). Примерами типичных реакций, протекающих при бомбардировке мишени, являются следующие:

(3.7)

(3.8)

Для получения необходимых медицине радионуклидов обычно используют частицы с энергией от 1 до 100 МэВ на один нуклон. Одним из главных достоинств метода получения изотопов путем бомбардировки заряженными частицами (в большинстве случаев) является то, что атомный номер такого изотопа отличается от атомного номера материала мишени. Это теоретически позволяет получать радионуклиды с очень высокой удельной активностью и минимальной примесью посторонних радионуклидов. Однако получаемые на практике значения активности и чистоты определяются изотопной и нуклидной чистотой материала мишени, сечением соответствующей ядерной реакции и сечением любой вторичной реакции.

Ядерные реакции с участием заряженных частиц позволяют получать преимущественно радионуклиды с дефицитом нейтронов, и поэтому распад сопровождается β⁺-излучением или захватом электронов. Образующиеся таким образом радиоизотопы благодаря отсутствию собственного излучения особенно полезны для клинической визуализации. В табл. 3.3 представлены характеристики радионуклидов, получаемых с помощью ускорителей и нашедших применение в ядерной медицине [39].

Таблица 3.3. Радионуклиды, образующиеся с помощью ускорителей

Изотоп	Основная энергия γ-излучения, кэВ	Период полураспада	Реакция
11C	511 (β+)	20,4 мин
13N	511 (β+)	9,96 мин
15O	511 (β+)	2,07 мин
18F	511 (β+)	109,7 мин
67Ga	93	78,3 ч
	184
	300
111In	171	67,9 ч
	245
123I	159	13 ч
201Tl	68 – 80,3	73 ч

Радиоактивный распад может сопровождаться образованием либо стабильного, либо радиоактивного нуклида. В любом случае вновь образованный нуклид в зависимости от типа распада может иметь тот же самый или другой атомный номер. Радиоактивный распад, сопровождающийся образованием «дочернего» радиоактивного продукта с иным атомным номером Z, позволяет простым химическим способом разделить дочерний и исходный продукты. Если дочерний радионуклид имеет необходимые для медицинской визуализации характеристики, а у исходного радионуклида достаточно большой период полураспада, чтобы его можно было использовать для получения, обработки и транспортировки, то разделение изотопов может проводиться непосредственно у потребителя и стать удобным источником короткоживущих радионуклидов медицинского назначения. Этот источник получения радионуклидов называют радионуклидным генератором.

Таким образом, радионуклидный генератор — это устройство для оперативного приготовления короткоживущего радионуклида путем химического отделения дочернего изотопа от исходного. Такое разделение можно выполнить с помощью методов хроматографии, дистилляции или фазового разделения. В настоящее время первый из методов изучен в наибольшей степени и используется в большинстве генераторов. Характеристики используемых радионуклидов приведены в табл. 3.4 [39].

Таблица 3.4. Радионуклиды, получаемых с помощью радионуклидных генераторов

Исход-ный изотоп Р	Период полураспада исходного изотопа	Тип распада * P→D	Дочерний изотоп D	Тип распада * D	Период полураспада D	Энергия γ-квантов от D, кэВ
99Mo	2,7 сут	β-	99Tcm	ИП	6 ч	140
82Sr	25 сут	ЗЭ	82Pb	ЗЭ, β+	1,3 мин	777, 511
68Ge	280 сут	β+	68Ga	ЗЭ, β+	68 мин	511
52Fe	8,2 ч	β+	52Mnm	ЗЭ, ИП, β+	21 мин	511
81Pb	4,7 ч	ЗЭ	81Krm	ИП	13 с	190
62Zn	9,1 ч	β+	62Cu	ЗЭ, β+	9,8 мин	511
178W	21,5 сут	ЗЭ	178Ta	ЗЭ	9,5 мин	93
*ИП — изомерный переход, ЗЭ — захват электрона