Un trazador radiactivo , radiotrazador o marcador radiactivo es un derivado sintético de un compuesto natural en el que uno o más átomos han sido reemplazados por un radionúclido (un átomo radiactivo). En virtud de su desintegración radiactiva , se puede utilizar para explorar el mecanismo de reacciones químicas rastreando el camino que sigue el radioisótopo desde los reactivos hasta los productos. El radiomarcaje o radiotrazado es, por tanto, la forma radiactiva del marcaje isotópico . En contextos biológicos, los experimentos que utilizan trazadores de radioisótopos a veces se denominan experimentos de alimentación con radioisótopos .
Los radioisótopos de hidrógeno , carbono , fósforo , azufre y yodo se han utilizado ampliamente para rastrear el camino de las reacciones bioquímicas . También se puede utilizar un trazador radiactivo para rastrear la distribución de una sustancia dentro de un sistema natural como una célula o tejido , [1] o como un trazador de flujo para rastrear el flujo de fluido . Los trazadores radiactivos también se utilizan para determinar la ubicación de las fracturas creadas por fracturación hidráulica en la producción de gas natural. [2] Los trazadores radiactivos forman la base de una variedad de sistemas de imágenes, como exploraciones PET , exploraciones SPECT y exploraciones con tecnecio . La datación por radiocarbono utiliza el isótopo natural carbono-14 como etiqueta isotópica .
Los isótopos de un elemento químico se diferencian sólo en el número másico. Por ejemplo, los isótopos del hidrógeno se pueden escribir como 1 H , 2 H y 3 H , con el número másico en superíndice a la izquierda. Cuando el núcleo atómico de un isótopo es inestable, los compuestos que contienen este isótopo son radiactivos . El tritio es un ejemplo de isótopo radiactivo.
El principio detrás del uso de trazadores radiactivos es que un átomo de un compuesto químico es reemplazado por otro átomo del mismo elemento químico. El átomo sustituido, sin embargo, es un isótopo radiactivo. Este proceso a menudo se denomina etiquetado radiactivo. El poder de la técnica se debe al hecho de que la desintegración radiactiva es mucho más energética que las reacciones químicas. Por lo tanto, el isótopo radiactivo puede estar presente en bajas concentraciones y su presencia puede detectarse mediante detectores de radiación sensibles como los contadores Geiger y los contadores de centelleo . George de Hevesy ganó el Premio Nobel de Química en 1943 "por su trabajo sobre el uso de isótopos como trazadores en el estudio de procesos químicos".
Hay dos formas principales en las que se utilizan los trazadores radiactivos.
Los radioisótopos comúnmente utilizados tienen vidas medias cortas y, por lo tanto, no se encuentran en la naturaleza en grandes cantidades. Se producen por reacciones nucleares . Uno de los procesos más importantes es la absorción de un neutrón por un núcleo atómico, en la que el número másico del elemento en cuestión aumenta en 1 por cada neutrón absorbido. Por ejemplo,
En este caso la masa atómica aumenta, pero el elemento no cambia. En otros casos, el núcleo producto es inestable y se desintegra, emitiendo normalmente protones, electrones ( partícula beta ) o partículas alfa . Cuando un núcleo pierde un protón, el número atómico disminuye en 1. Por ejemplo,
La irradiación de neutrones se realiza en un reactor nuclear . El otro método principal utilizado para sintetizar radioisótopos es el bombardeo de protones. Los protones se aceleran a alta energía ya sea en un ciclotrón o en un acelerador lineal . [3]
El tritio (hidrógeno-3) se produce mediante irradiación de neutrones de 6 Li :
El tritio tiene una vida media. 4500 ± 8 días (aproximadamente 12,32 años) [4] y se desintegra por desintegración beta . Los electrones producidos tienen una energía media de 5,7 keV. Debido a que los electrones emitidos tienen una energía relativamente baja, la eficiencia de detección mediante conteo de centelleo es bastante baja. Sin embargo, los átomos de hidrógeno están presentes en todos los compuestos orgánicos, por lo que el tritio se utiliza frecuentemente como trazador en estudios bioquímicos .
El 11 C se desintegra por emisión de positrones con una vida media de ca. 20 minutos. El 11 C es uno de los isótopos que se utilizan a menudo en la tomografía por emisión de positrones . [3]
El 14 C se desintegra por desintegración beta , con una vida media de 5730 años. Se produce continuamente en la atmósfera superior de la Tierra, por lo que se produce a nivel de trazas en el medio ambiente. Sin embargo, no es práctico utilizar 14 C naturalpara estudios de trazadores. En cambio, se produce mediante irradiación de neutrones del isótopo 13 C que se encuentra naturalmente en el carbono en aproximadamente un nivel del 1,1%. El 14 C se ha utilizado ampliamente para rastrear el progreso de las moléculas orgánicas a través de vías metabólicas. [5]
El 13 N se desintegra por emisión de positrones con una vida media de 9,97 min. Se produce por la reacción nuclear.
El 13 N se utiliza en tomografía por emisión de positrones (PET scan).
El 15 O se desintegra por emisión de positrones con una vida media de 122 segundos. Se utiliza en tomografía por emisión de positrones.
El 18 F se desintegra predominantemente por emisión β, con una vida media de 109,8 min. Se fabrica mediante bombardeo de protones de 18 O en un ciclotrón o acelerador lineal de partículas . Es un isótopo importante en la industria radiofarmacéutica . Por ejemplo, se utiliza para fabricar fluorodesoxiglucosa (FDG) marcada para su aplicación en exploraciones PET. [3]
El 32 P se produce mediante bombardeo de neutrones del 32 S.
Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 14,29 días. Se utiliza comúnmente para estudiar la fosforilación de proteínas por quinasas en bioquímica.
El 33 P se produce con un rendimiento relativamente bajo mediante bombardeo de neutronesdel 31 P. También es un emisor beta, con una vida media de 25,4 días. Aunque son más caros que el 32 P , los electrones emitidos son menos energéticos, lo que permite una mejor resolución, por ejemplo, en la secuenciación del ADN.
Ambos isótopos son útiles para marcar nucleótidos y otras especies que contienen un grupo fosfato .
El 35 S se produce mediante bombardeo de neutrones con 35 Cl.
Se desintegra por desintegración beta con una vida media de 87,51 días. Se utiliza para marcar los aminoácidos que contienen azufre, metionina y cisteína . Cuando un átomo de azufre reemplaza a un átomo de oxígeno en un grupo fosfato de un nucleótido , se produce un tiofosfato , por lo que también se puede utilizar 35 S para rastrear un grupo fosfato.
El 99m Tc es un radioisótopo muy versátil y el trazador de radioisótopos más utilizado en medicina. Es fácil de producir en unde tecnecio-99m , por desintegración del 99 Mo.
El isótopo de molibdeno tiene una vida media de aproximadamente 66 horas (2,75 días), por lo que el generador tiene una vida útil de unas dos semanas. La mayoría de los generadores comerciales de 99m Tc utilizan cromatografía en columna , en la que 99 Mo en forma de molibdato, MoO 4 2−, se adsorbe sobre alúmina ácida (Al 2 O 3 ). Cuando el 99 Mo se desintegra, se forma pertecnetato TcO 4 − , que debido a su carga única está menos unido a la alúmina. Al pasar la solución salina normal a través de la columna de 99 Mo inmovilizado se eluye el 99m Tc soluble, lo que da como resultado una solución salina que contiene el 99m Tc como la sal sódica disuelta del pertecnetato. El pertecnetato se trata con un agente reductor como Sn 2+ y un ligando . Diferentes ligandos forman complejos de coordinación que le dan al tecnecio una mayor afinidad por sitios particulares del cuerpo humano.
El 99m Tc desintegra por emisión gamma, con una vida media: 6,01 horas. La corta vida media garantiza que la concentración corporal del radioisótopo caiga efectivamente a cero en unos pocos días.
El 123 I se produce mediante la irradiación de protones del 124 Xe . El isótopo de cesio producido es inestable y se desintegra a 123 I. El isótopo generalmente se suministra como yoduro e hipoyodato en una solución diluida de hidróxido de sodio, con alta pureza isotópica. [6] 123 I también se ha producido en los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge mediante bombardeo de protones de 123 Te . [7]
El 123 I se desintegra por captura de electrones con una vida media de 13,22 horas. El rayo gamma emitido de 159 keV se utiliza en la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT). También se emite un rayo gamma de 127 keV.
El 125 I se utiliza con frecuencia en radioinmunoensayos debido a su vida media relativamente larga (59 días) y a su capacidad para detectarse con alta sensibilidad mediante contadores gamma. [8]
129 I está presente en el medio ambiente como resultado de los ensayos de armas nucleares en la atmósfera. También se produjo en losdesastres de Chernobyl y Fukushima . 129 I se desintegra con una vida media de 15,7 millones de años, con emisiones beta y gamma de baja energía. No se utiliza como marcador, aunque su presencia en organismos vivos, incluidos los seres humanos, puede caracterizarse midiendo los rayos gamma.
Se han utilizado muchos otros isótopos en estudios radiofarmacológicos especializados. El más utilizado es el 67 Ga para exploraciones con galio . Se utiliza 67 Ga porque, al igual que el 99m Tc, es un emisor de rayos gamma y se pueden unir varios ligandos al ion Ga 3+ , formando un complejo de coordinación que puede tener afinidad selectiva por sitios particulares del cuerpo humano.
A continuación se puede encontrar una lista extensa de trazadores radiactivos utilizados en fracturación hidráulica.
En la investigación del metabolismo , el tritio y la glucosa marcada con 14 C se utilizan comúnmente en pinzas de glucosa para medir las tasas de absorción de glucosa , síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos. [9] Si bien los trazadores radiactivos a veces todavía se usan en estudios en humanos, los trazadores de isótopos estables como el 13 C se usan más comúnmente en los estudios actuales de pinzas en humanos. Los trazadores radiactivos también se utilizan para estudiar el metabolismo de las lipoproteínas en humanos y animales de experimentación. [10]
En medicina , los trazadores se aplican en una serie de pruebas, como el 99m Tc en autorradiografía y medicina nuclear , incluida la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), la tomografía por emisión de positrones (PET) y la gammagrafía . La prueba de urea en el aliento para Helicobacter pylori utiliza comúnmente una dosis de urea marcada con 14 C para detectar h. infección de pilori. Si la urea marcada fue metabolizada por h. pylori en el estómago, el aliento del paciente contendría dióxido de carbono marcado. En los últimos años, el uso de sustancias enriquecidas en el isótopo no radiactivo 13 C se ha convertido en el método preferido, evitando la exposición del paciente a la radiactividad. [11]
En la fracturación hidráulica , se inyectan isótopos trazadores radiactivos con fluido de fracturación hidráulica para determinar el perfil de inyección y la ubicación de las fracturas creadas. [2] Se utilizan trazadores con diferentes vidas medias para cada etapa de la fracturación hidráulica. En los Estados Unidos, las cantidades por inyección de radionúclido figuran en las directrices de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de los Estados Unidos. [12] Según la NRC, algunos de los trazadores más utilizados incluyen antimonio-124 , bromo-82 , yodo-125 , yodo-131 , iridio-192 y escandio-46 . [12] Una publicación de 2003 de la Agencia Internacional de Energía Atómica confirma el uso frecuente de la mayoría de los trazadores mencionados anteriormente y dice que el manganeso-56 , el sodio-24 , el tecnecio-99m , la plata-110m , el argón-41 y el xenón-133. También se utilizan ampliamente porque se identifican y miden fácilmente. [13]
etiquetado Frac Sand...Sc-46, Br-82, Ag-110m, Sb-124, Ir-192
Los emisores beta, incluidos
3
H y
14
C, podrán utilizarse cuando sea factible utilizar técnicas de muestreo para detectar la presencia del radiotrazador, o cuando los cambios en la concentración de actividad puedan utilizarse como indicadores de las propiedades de interés del sistema. Los emisores gamma, como
46
Sc,
140
La,
56
Mn,
24
Na,
124
Sb,
192
Ir,
99
Tc
m
,
131
I,
110
Ag
m
,
41
Ar y
133
Xe se utilizan ampliamente debido a la facilidad con la que pueden ser identificados y medidos. ... Para ayudar a la detección de cualquier derrame de soluciones de los emisores beta 'blandos', a veces se les añade un emisor gamma de vida media corta como el
82
Br...