Глава 2. Применение изотопов в химии и биологии.

Изотопы применяются в медицине, для исследовательских целей, в промышленности, а также в других сферах науки и техники. С разным изотопным составом изменяются свойства воды. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия. Водород имеет два стабильных изотопа — протий (Н) — 1H и дейтерий (D) — 2H. У кислорода три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O. Молекула 1H216O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1H216O следует считать классической или лёгкой водой. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха, но имеет больше плюсов. Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на 1H216O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Таким образом, параметры лёгкой воды, в первую очередь, её «лёгкость» и изотопный состав поддаются измерению с помощью таких методов, как масс-спектрометрия, гравиметрия, лазерная абсорбционная спектроскопия. В качестве универсальной среды, в которой идут все биологические реакции, лёгкая вода увеличивает скорость этих реакций по сравнению с водой природного изотопного состава. Этот эффект известен под названием кинетический изотопный эффект растворителя.

Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран. По данным Г. Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994—2001 гг. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию. Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями , из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма.

Радионуклидная или радиоизотопная диагностика, радиоизотопное исследование – применяются в медицине. Радионуклидная диагностика (синоним радиоизотопная диагностика) - лучевое исследование, основанное на использовании соединений, меченных радионуклидами. В качестве таких соединений применяют разрешенные для введения человеку с диагностической и лечебной целями радиофармацевтические препараты (РФП) — химические соединения, в молекуле которых содержится определенный радионуклид. Наиболее часто используют короткоживущий радионуклид технеция. Измерение радиоактивности биологических проб (крови, мочи, цереброспинальной жидкости, фекалий) производят для определения функционального состояния систем пищеварения, кроветворения, мочевыделения и др. С этой целью больному различными способами (в вену, внутрь) вводят радиофармацевтический препарат, который благодаря метаболическим превращениям или путем механического переноса может оказаться в той или иной биологической среде. Затем с помощью радиометра определяют активность стандартного количества биологического материала. Таким методом, например, исследуют всасываемость в кишечнике меченых радиоактивных жиров. Все медицинские исследования, связанные с использованием радионуклидов, проводят в специальных лабораториях радиоиммунной диагностики.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. В научных исследованиях требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой воды D2O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза. В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.

В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.

В сельском хозяйстве изотопы применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и для определения эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и других веществ.

Изотопные технологии находят широкое применение в медицине. Так в США, согласно статистическим данным, проводится более 36 тысяч медицинских процедур в день и около 100 миллионов лабораторных тестов с использованием изотопов. Наиболее распространены процедуры, связанные с компьютерной томографией. Изотоп углерода C13, обогащенный до 99% (природное содержание около 1%), активно используется в так называемом «диагностическом контроле дыхания». Суть теста очень проста. Обогащенный изотоп вводится в пищу пациента и после участия в процессе обмена веществ в различных органах тела выделяется в виде выдыхаемого пациентом углекислого газа СО2, который собирается и анализируется с помощью спектрометра. Различие в скоростях процессов, связанных с выделением различных количеств углекислого газа, помеченных изотопом С13, позволяют судить о состоянии различных органов пациента. В США число пациентов, которые будут проходить этот тест, оценивается в 5 млн. человек в год. Сейчас для производства высоко обогащенного изотопа С13 в промышленных масштабах используются лазерные методы разделения.