A radiokémia területén fellépı alapvetı elválasztás-technikai technikai problémák Jelzett vegyületek elválasztás-technikája Elıadó: Dr. Jószai István Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Nukleáris Medicina Intézet 1
Az elıadás vázlata Elméleti áttekintés (radioaktivitás) Izotópok elıállítása Jelzett vegyületek szintézise Tisztítás és minıségellenırzés 2 2
Radioaktivitással kapcsolatos alapfogalmak Izotóp. Az ugyanannyi (Z számú) protont tartalmazó atommagok (egy kémiai elem atommagjai) különbözı (N) számú neutront tartalmazhatnak. Ezek az elem különbözı izotópjai. Jelölés: A vegyjel elé felsı indexbe írt tömegszámmal (A=Z+N). Pl. a szén (Z=6) környezetben elıforduló izotópjai: 12 C, 13 C, 14 C. Radioaktivitás. Egyes izotópok atommagjai maguktól sugárzást bocsátanak ki, közben összetételük vagy szerkezetük megváltozik. Pl. 14 C 14 N, közben egy elektron és egy antineutrínó távozik. Egy objektumból több keletkezik radioaktív bomlás történik. Sugárzás.Térben rendezetten, igen nagy sebességgel mozgó, nagyon apró részecskék összessége. 3 3
Radioaktivitás - definíció A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. Nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt. http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 4 4
Radioaktivitás - Becquerel A radioaktivitást 1896-ban Henri Becquerel francia tudós fedezte fel uránsók tanulmányozása során, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Az uránsó hatására elfeketedett fotopapír Henry Becquerel http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 5 5
Radioaktivitás Curie házaspár A jelenséget 1898-ban Marie Curie nevezte el radioaktivitásnak. Pierre és Marie Curie új, sugárzó elemek után kutatva fedezték fel, hogy a tórium is sugároz. Az uránércbıl kivontak még két erısebben sugárzó elemet, a polóniumot és a rádiumot. Nyolc tonna uránércbıl 0,1 gramm rádiumot nyertek ki. http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 6 6
Radioaktivitás Rutherford és Villard A Curie házaspár és Ernest Rutherford kísérletei a radioaktív sugárzásnak két összetevıjét mutatta ki: alfa-sugárzás, és a béta-sugárzás. 1900-ban fedezte fel Paul Ulrich Villard a gamma-sugárzást. Ernst Rutherford Paul Ulrich Villard http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 7 7
Radioaktív sugárzás (bomlás) típusai Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel: Alfa-bomlás során az atommagból egy hélium atommag (erısen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erısen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegıben 1 cm alatti. Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton, elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegıben pár tíz cm. Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az elıbbiek kísérıjelensége szokott lenni. Hatótávolsága légüres térben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) gyengítik hatékonyan. http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 8 8
Radioaktív sugárzás (bomlás) példái atomtömeg Atomszám, protonszám David Harvey: Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill, 2000. 9 9
Radioaktív sugárzás (bomlás) Magsugárzás. Atommag radioaktív bomlásában keletkezett sugárzás. Különbözik az atomhéj sugárzásaitól (fény-, hő-, röntgen-), és a kevéssé ismert eredetű kozmikus sugárzástól. Ionizáló sugárzás. Képes az útjába eső atomokból elektronokat kilökni (ionizálni). Ehhez nagy energia szükséges. A magsugárzások ionizálók (vannak más ilyenek is: röntgen, kozmikus). Radioaktivitás fajtája α-bomlás (Z kettővel, A néggyel csökken.) Kilépő részecske (sugárzás) 1 4 He atommag (α-sugárzás) β-bomlás a) 1 elektron + 1 antineutrínó (β -sugárzás) (Z eggyel nő vagy csökken, b) 1 pozitron + 1 neutrínó (β + -sugárzás) A nem változik.) c) 1 neutrínó ( ) γ-bomlás (Z és A nem változik, belső szerkezeti energia csökken.) 1 γ-kvantum (γ-sugárzás) Maghasadás 2 hasadvány-mag + néhány neutron ( ) (A mag két nagy részre hasad) 10 10
Radioaktív sugárzás (bomlás) módjai http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 11 11
Aktivitás Egy adott radioaktív forrás aktivitása megmondja, hogy hány bomlás történik másodpercenként. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg. Régebbi mértékegység a Ci (Curie), 1 Ci egy gramm rádium aktivitásának felel meg (3,7 10 10 Bq). A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Egy forrásban a bomlások száma tehát aranyos a radioaktív magok számával, amit a következőképp írhatunk fel: A radioaktív magok száma exponenciálisan csökken. A λ a bomlásállandó: megadja, hogy mekkora valószínűséggel bomlik el egy atommag egy másodperc alatt. Többet használjak viszont a t 1/2 felezési időt: ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele. A bomlásállandóból a következőképp lehet kifejezni: David Harvey: Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill, 2000. 12 12
Bomlási sorok A radioaktív bomlás során egy kémiai elembıl (anyaelembıl) egy új elem (leányelem) jön létre. Elıfordulhat, hogy ez utóbbi is radioaktív, így újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg egy stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során a tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás esetében), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás esetében). Ezért négy bomlási sor létezik attól függıen, hogy a tömegszám négyes osztású maradéka 0, 1, 2 vagy 3. Ebbıl a négy bomlási sorból csak az a 3 maradt meg, amelyeknél a leghosszabb felezési idejő izotóp felezési ideje nagyságrendileg összemérhetı a Föld életkorával (U-238, U-235 és a Th-232). A negyedik (neptúnium) anyaelemének bomlási ideje kétmillió év, így ez ma már csak mesterséges eredetbıl található meg a Földön. 238 U-család, (zárójelben a felezési idık): 238 U (4,46810 9 év), 234 Th (24,1 nap), 234 Pa (6,70 óra), 234 U (245 500 év), 230 Th (75 380 év), 226 Ra (1602 év), 222 Rn (3,8235 nap), 218 Po (3,10 perc), 214 Pb (26,8 perc) és 218 At (1,5 s), 214 Bi (19,9 perc) illetve 218 Rn (35 ms), 214 Po (164,3 µs) és 210 Tl (1,30 perc), 210 Pb (22,3 év), 210 Bi (5,013 nap), 210 Po (138,376 nap) és 206 Tl (4,199 perc), 206 Pb (stabil). 235 U-család, (zárójelben a felezési idık): 235 U (7,0410 8 év), 231 Th (25,52 óra), 231 Pa (32 760 év), 227 Ac (21,772 év), 227 Th (18,68 nap), 223 Fr (22,00 perc), 223 Ra (11,43 nap), 219 Rn (3,96 s), 215 Po (1,781 ms), 211 Pb (36,1 perc) és 215 At (0,1 ms), 211 Bi (2,14 perc), 207 Tl (4,77 perc) és 211 Po (516 ms), 207 Pb (stabil) 232 Th-család, (zárójelben a felezési idık): 232 Th (1,40510 10 év, 228 Ra (5,75 év), 228 Ac (6,25 óra), 228 Th (1,9116 év), 224 Ra (3,6319 nap), 220 Rn (55,6 s), 216 Po (0,145 s), 212 Pb (10,64 óra), 212 Bi (60,55 perc), 212 Po (299 ns) és 208 Tl (3,053 perc), 208 Pb (stabil) 237 Np-család, (zárójelben a felezési idık): 237 Np (2,1410 6 év), 233 U (1,59210 5 év), 229 Th (7,3410 4 év), 225 Ra (14,9 nap), 225 Ac (10,0 nap), 221 Fr (4,8 perc), 217 At (32 ms), 213 Bi (46,5 perc), 209 Tl (2,2 perc), 209 Pb (3,25 óra), 209 Bi (1,910 19 év), 205 Tl (stabil) http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 13 13
A 232 Th bomlási sora 232 Th 14 14
Radioaktív atommagok elıfordulása elsıdleges természetes radionuklidok (1) olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta felezési idejük nagyon hosszú 26 ilyen mag ismert. Például: 238 U ( T=4,4710 9 év ), 40 K ( T=1,2810 9 év ), 87 Rb ( T=4,810 10 év ) másodlagos természetes radionuklidok (2) Olyan magok, amelyek (1) bomlása révén keletkeznek Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg 38 ilyen mag ismert. Például: 226 Ra (T=1600 év), 234 Th (T=24,1 nap) Indukált természetes radionuklidok (3) állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására 10 ilyen mag ismert. Például: 3 H (T=12,3 év), 14 C (T=5730 év) mesterséges radionuklidok (4) emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevıen jelen 2000 ilyen mag ismert 60 Co, 137 Cs, 24 Na http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás 15 15
Mesterséges radioaktív izotópok elıállítása Maghasadással Atomreaktorokban, valamint atom- és hidrogénbombák felrobbantásával a 235 U és a 239 Pu hasadásából. A 239 Pu is mesterséges eredető, atomreaktorban keletkezik 238 U-ból. A radioaktív hasadási termékek a technológiai folyamat káros velejárói (kb. 300 izotóp). Részecske-besugárzás által elıidézett magreakciókkal Atomreaktor mőködésekor, és atomfegyver felrobbanásakor sok neutron keletkezik. Ezek magreakciókat idéznek elı a közeli atommagokon, radioaktív izotópokat termelve (nem szándékos). Részecskegyorsítókban felgyorsított részecskékkel, vagy reaktorokban keletkezett neutronokkal idéznek elı szándékosan magreakciókat izotóptermelés céljából. 16 16
Mesterséges radioaktív izotópok elıállítása 1896 Becquerel Természetes radioaktivitás 1930 Lawrence Ciklotron 1934 F.Joliot-Curie Mesterséges radioizotópok és Irene Curie 1942 Fermi Nukleáris reaktor Reaktorban termelt izotópok Izotóp generátor 17 17
Mesterséges radioaktív izotópok elıállítása ciklotronnal A ciklotron olyan részecskegyorsító, amelyben töltött részecskék (például protonok, ionok) mágneses tér hatására spirális pályán haladnak belülrıl kifelé. Minden egyes körbefordulás során a váltóáram elektromos tere kétszer gyorsít a részecskén, egyre nagyobb sugarú körpályára juttatva azt. A ciklotron elvét Gaál Sándor magyar fizikus alkotta meg, 1929-es leírása azonban szerencsétlen véletlen folytán publikálatlan maradt és ezért a magyar (és a román) szakirodalmon kívül a világban helytelenül Ernest Lawrence-nek tulajdonítják az elsıséget. Magát az elsı ciklotront Lawrence és hallgatója Stanley Livingston fejlesztették ki 1930 és 1932 között. Egy elektromágnes pólusai között lapos kerek vákuumkamra található. A vákuumkamrában található két D alakú rész (dék) két üreges fémbıl van, amelyen belül a töltött részecskék mozognak. Az ionforrásból jön ki a részecske, amely a mágneses tér miatt körpályán mozog. Olyan frekvenciával változtatják az elektromos teret a két D között, hogy a részecskét mindig gyorsítsa, amikor áthalad rajta. Végül egy megfelelı töltéső lemez segítségével a részecskét kihúzzák a gyorsítóból további felhasználásra. max. végenergia: 20 MeV (proton) 40 MeV (deuteron), nyalábáram: 500 µa, max átmérő / mágnes tömeg: 2m / 300 t 18 18
Mesterséges radioaktív izotópok elıállítása ciklotronnal 18 18 F 19 19
Mesterséges radioaktív izotópok elıállítása reaktroban 99m Tc A technéciumot nem közvetlenül állítják elı például, hanem a 235 U urán reaktorban történı hasításával 99 Mo molibdénhez jutnak, ami 99m Tc technéciummá bomlik: 235 U(n,f) 99 Zr 99 Nb 99 Mo 99m Tc A 99-es tömegszámú molibdén fizikai felezési ideje 66 óra, míg a gamma-sugárzó 99- es metastabilis technéciumé 6 óra. Ezt a fizikai adottságot kihasználva a molibdént alumínium-oxid oszlopon megkötik, és ebben a formában szállítják a kórházakba (Mo/ Tc-generátor), ahol naponta végzik a technécium elválasztását, oszlopról történı eluálását (mosással végrehajtott izolálását). Ahhoz, hogy a készítménybe semmiképpen se jusson 10-2 %-nál nagyobb molibdénaktivitás, az elválasztásnak rendkívül nagy hatásfokúnak kell lennie. Ez úgy érhetı el, hogy az uránhasadványból kinyert molibdát-oldathoz sav adagolásával ph~3 értéket állítanak be. Ekkor a molibdát anionból oligomerek képzıdnek, melyek lényegesen erısebben kötıdnek az alumium-oxid oszloptöltethez: 7 99 MoO 4 2 + 8 H + = 99 Mo7O 24 6 + 4 H 2 O A molibdén béta-bomlásából folyamatosan keletkezı technéciumot pertechnetátanion formájában, fiziológiás sóoldattal naponta végrehajtott elúcióban választják el: 99 Mo 7 O 24 6 [ 99 Mo 6 99m TcO 24 6 ] 99m TcO 4 Környei Mikecz Radiokémia a gyógyítás szolgálatában, Magyar tudomány, 2012/2 20 20
Mesterséges radioaktív izotópok felhasználási területei Energiatermelés nukleáris erőművek, atomreaktorok Sugárforrások mezőgazdaság (sugártartósítás), ipar (anyagvizsgálatok Ir-192, sterilezés Co-60) gyógyászat (röntgen felvétel) Jelzett vegyületek Gyógyászat (nukleáris medicina, radiológia), tudomány (pl. reakciómechanizmusok felderítése) 21 21
Mesterséges radioaktív izotópok felhasználási területei - Egészségügy ORSZÁGOS ATOMENERGIA HIVATAL: HAZAI NEM ENERGETIKAI CÉLÚ ALKALMAZÁSOK 22 22
Mesterséges radioaktív izotópok felhasználási területei - Egészségügy ORSZÁGOS ATOMENERGIA HIVATAL: HAZAI NEM ENERGETIKAI CÉLÚ ALKALMAZÁSOK 23 23
Mesterséges radioaktív izotópok elıállítása Magyarországon ORSZÁGOS ATOMENERGIA HIVATAL: HAZAI NEM ENERGETIKAI CÉLÚ ALKALMAZÁSOK 24 24
Radioaktív nyomjelzés Izotópos nyomjelzés: valamely molekula egy vagy több atomját lecserélik az adott elem meghatározott tulajdonságú izotópjára. Az izotóp helye és szerepe a kémiai biológiai folyamatokban nyomon követhető: IR, NMR, MS/orvosbiológiában MRI, PET, SPECT, gamma kamera stb. 25 25
Hevessy György a radioaktív nyomjelzés atyja Hevesy György az atomtudomány legnagyobbjai közé tartozik. A radioaktív izotópos nyomjelzés módszerének feltalálásáért kémiai Nobel-díjjal tüntették ki 1943-ban. Budapesten született 1885. augusztus 1-jén. A budapesti Piarista Gimnáziumban tanult. Egyetemi tanulmányait a budapesti, berlini és freiburgi egyetemeken végezte. Pályafutását a zürichi egyetem tanársegédeként kezdte, Richard Lorenz mellett, majd a karlsruhei mőegyetemen Haber, Manchesterben Rutherford és Londonban Moseley mellett dolgozott. Ezután a budapesti egyetemen mőködött magántanárként. 1920-ban a koppenhágai egyetemre ment, ahol Niels Bohr intézetében dolgozott. 1926-ban a freiburgi egyetem kémia professzorának hívták meg. A nácizmus elıl megint Koppenhágába, majd annak német megszállása után Svédországba költözött és a stockholmi egyetemen dolgozott. 1966. július 5-én halt meg kedvenc városában, Freiburgban. A családja kívánságára 2001. április 19-én szülıvárosában, Budapesten ünnepélyes keretek között helyezték hamvait örök nyugalomra. http://hu.wikipedia.org/wiki/hevesy_györgy 26 26
Hevessy György a radioaktív nyomjelzés atyja Hozzájárult az izotópok fogalmának tisztázásához, úttörıje volt az izotópok alkalmazásának a biológiai, metallurgiai és botanikai kutatásában. Felfedezte, hogy a szamárium radioaktív alfa-sugarakat bocsát ki magából. Az analitikai kémia számára feltalálta a röntgenfluoreszcenciás (1932), az izotóphígításos (1931) és a neutronaktivációs (1934) analitikai módszereket. Felfedezte a periódusos rendszer egyik utolsó ismeretlen elemét, a hafniumot (1923). A radioaktív izotópok alkalmazásával vizsgálta a növények és állatok anyagcsere-folyamatait. A módszer lényege, hogy apró mennyiségben hozzákeverik a radioaktív izotópot a vele kémiailag azonosan viselkedı elemhez, amely bármely szervezetbe juttatva sugárzással jelzi a megtett útvonalat. A mai orvostudomány rengeteget köszönhet Hevesynek. Az általa kidolgozott módszereket mind a mai napig rutineljárásként alkalmazzák a klinikákon, így ıt tekinthetjük a nukleáris orvostudomány (nukleáris medicina) megalapozójának. http://hu.wikipedia.org/wiki/hevesy_györgy 27 27
Izotópos nyomjelzés http://en.wikipedia.org/wiki/isotopic_labeling 28 28
Izotópos nyomjelzés http://en.wikipedia.org/wiki/isotopic_labeling 29 29
Izotópos nyomjelzés Stable isotope labeling involves the use of non-radioactive isotopes that can act as a tracers used to model several chemical and biochemical systems. The chosen isotope can act as a label on that compound that can be identified through nuclear magnetic resonance(nmr) and mass spectrometry(ms). Some of the most common stable isotopes are 2H, 13C, and 15N, which can further be produced into NMR solvents, amino acids, nucleic acids, lipids, common metabolites and cell growth media. The compounds produced using stable isotopes are either specified by the percentage of labeled isotopes (i.e. 30% uniformly labeled 13C glucose contains a mixture that is 30% labeled with 13 carbon isotope and 70% naturally labeled carbon) or by the specifically labeled carbon positions on the compound (i.e. 1-13C glucose which is labeled at the first carbon position of glucose). http://en.wikipedia.org/wiki/isotopic_labeling 30 30
Radioizotópos nyomjelzés http://en.wikipedia.org/wiki/isotopic_labeling 31 31
Leggyakrabban használt izotópok nyomjelzésre http://www.radiolabeling.org 32 32
Jelzési eljárások célja Purpose of Radiolabeling Isotopic labeling is used to monitor the fate of a molecule or a fragment thereof through the use of detection methods that specifically distinguish the isotope used against a natural abundance background. There are many applications for the specific labeling of molecules with radioactive or stable isotopes. The technique can be used to prepare substrates for the study of reaction mechanism, in either an artificial or a biological medium. It can also be used to trace the movement of a molecule, or its degradation or metabolic product, in vivo, in vitro, or in the environment. In the medical field, a variety of imaging techniques have been developed that rely on materials labeled with radioactive isotopes. The use of radiolabeled compounds is also of critical importance in the drug development process for use as radioligands in lead discovery, as metabolic tracers in development, and in phase IV clinical studies. 3) They play a similar role in the compound development process for crop protection chemicals, being used in metabolic investigations and environmental fate studies. http://www.radiolabeling.org 33 33
Nómenklatúra Nomenclature of Radiolabels The standard way to indicate a labeled compound is to prefix the name of the compound with the isotope designation in square brackets. For example, deuterium oxide (D 2 O) would be [ 2 H]H 2 O by this convention. The trivial labels D for deuterium and T for tritium are still used quite commonly, though. In many cases, the yield for the step in which the radiolabel is introduced is described in terms of the radiochemical yield (RY): The yield of a radiochemical separation expressed as a fraction of the activity originally present [IUPAC]. Essentially, this means that the radiolabeling agent is the limiting reagent in the reaction. Some preparations of radiolabeling agents or final radiolabeled compounds are characterized as no carrier added (NCA or n.c.a.); this means a preparation of a radioactive isotope which is essentially free from stable isotopes of the element in question [IUPAC]. Some researchers present a radiochemical yield that is qualified by the expression c.f.d., which means corrected for decay. This means that the expected decay over the synthesis cycle is factored into the yield to give a more optimistic representation. Compounds labeled with non-radioactive isotopes are referred to as SIL (stable isotopelabeled) compounds. http://www.radiolabeling.org 34 34
Deuterálás/Tríciálás NIS = N-iodosuccinimide D 2 gázpalack T 2 UT3 termikus bomlásának terméke [ 3 H 3 ](S)-mephenytoin http://www.radiolabeling.org 35 35
Szén izotópok( 11 11 C, 13 C, 14 C) L-[metil- 11 C]metionin http://www.radiolabeling.org 36 36
Szén izotópok( 11 11 C, 13 C, 14 C) Suzuki-csatolás http://www.radiolabeling.org 37 37
13 N, 32 P dibenzyl-[ 32 P]phosphonate http://www.radiolabeling.org 38 38
15 O, 33-36 36 S [ 15 O]O 2 és [ 15 O]H 2 O inhalációs vizsgálatok során használják [ 15 O]Butanol PET Centrum, Debrecen http://www.radiolabeling.org [ 34 S]dibenzothiophene 39 39
18 F, 123 I, 125 I, 131 I [ 18 F]FDG Közép-Kelet Európában elsıként gyártották Debrecenben 1994-tıl PET Centrum, Debreceni Egyetem [ 18 F]fluoro-L-DOPA http://www.radiolabeling.org 40 40
A radiokémia jellegzetességei A szerves, szervetlen, analitikai, fizikai kémiai ismeretanyagra épül, ugyanakkor a radioaktivitásból fakadóan több jellegzetessége van: Radioaktív sugárzás: sugárvédelem Kis anyagmennyiség: Például: aktivitás 1uCi, Atomtömeg=100, t 1/2 = 3 nap 41 41
A radiokémia jellegzetességei Az U(IV) és U(VI) közötti izotópcsere 2 óra alatt lezajlik 10 2 M tartományban. 10 10 M tartományban ez az érték 400 nap. A radioaktív anyag adszorpciója a reakcióedények falán. Egy üvegeszköz ioncserélő kapacitása 10 10 mol/cm 2 a kemoszorpcióra alkalmas helyeken felül. 100ml űrtartalmú üvegedény ~10 8 mol mennyiséget adszorbeálhat, ami a 10-6 M tartományban nagy jelentőséggel bír. Erős oxidáló- és redukálószerek keletkeznek. 239 Pu 100Bq/mL (10 7 mol/l) teljes redukálása 1 év alatt bekövetkezik. 42 42
A radiokémia terén fellépı alapvetı elválasztás- technikai problémák A hagyományos elválasztás-technikai megoldások jönnek szóba tekintettel a radioaktivitásból fakadó jellegzetességekre: Radiokémiai tisztaság fontosabb, mint a kémiai. Kis felezésű idejű izotópoknál fontosabb az idő tényező, mint a tisztaság, vagy a hozam. Figyelni kell a radioaktív hulladékok keletkezésére is, ami minimális melléktermék képződéssel járó eljárásokat igényel. Sok esetben elég a radionuklidos tisztaság egy meghatározott szintjét elérni, nem feltétlenül fontos nagy radionuklidos tisztaság (Gedetektorok) 43 43
A radiokémia terén fellépı alapvetı elválasztás- technikai problémák Elválasztás Minőség-ellenőrzés Radioaktív anyagok elválasztása: Csapadékképződés Oldószer extrakció Ioncsere Kromatográfia 44 44
Csapadékképzıdés Hordozókat nagyon gyakran használnak a radiokémiában. Ugyanolyan kémiai forma, leszámítva az izotóp összetételt. Izotópcserével számolni kell. Co-precipitation: LaF 3 + aktinoidák elválasztása Radioizotópok szorpciója Fe(OH) 3 felületén Laboratóriumi felhasználása ismert, ipari jelentősége kevés. Általában vizes oldatok estében használatos, megfelelő ph fontos a kolloid képződés elkerülése végett. A csapadékot szűréssel távolítják el. A radiokémiában használatos szőrıberendezés 45 45
Csapadékképzıdés A csapadékképződés esetén meleg vizes híg oldatokból indulnak ki, eközben nagy kristályok lassú képződése tapasztalható. ph kritikus kolloidok elkerülése végett A szűrletet átmossák megfelelő oldószerekkel, további tisztítás céljából, illetve a legvégső fázisban acetonnal vagy etanollal szárítás gyanánt. Az elválasztás hozamát a lemért tömegekből számolják vissza, ezért fontos, hogy a szűrlet ne kösse meg a vizet és a CO 2 -t. 46 46
Oldószer extrakció Az urán éteres vagy tributil-foszfát (TBP) extrakciója a XX. sz. elején volt használatos. Folyadék-folyadék extrakció Korona-éterek és CMPO (octyl(phenyl) N,N diisobutylcarbamoyl methylphosphine oxide) semleges extrahálószer a transzurán elemek kinyerésére savas hulladékanyagokból. Az extrakció során két nem vagy részben elegyedő fázis között oszlik meg a radioaktív anyag. A megcélzott elemek vízoldékonyságát csökkentik azáltal, hogy semleges töltésű, hidratált szférától mentes formává alakítják és komplexképzőt adnak a rendszerhez, ami növeli a szerves oldószerben való oldhatóságát. A vizes fázist preferáló M Z+ esetében a következıképpen lehet ezt elérni: MA Z képzıdése szerves A - anion segítségével A belső koordinációs szférában lévő víz kiszorítása szerves molekulákra B, aminek következtében képződik, ami ion-assszociátum formájában megy át a szerves fázisba. Fém-komplexek képződése olyan L ligandumokkal, amelyek RB+ nagy szerves kationokkal lépnek kapcsolatba ionpár komplexeket képezve. 47 47
Oldószer extrakció Az extrakciós ágensek három csoportra oszthatók: 1. Kelátképző polidentát szerves anionok: pl.: acetilacetonát, benzoilacetonát, tenoiltrifluoracetát. A komplexképző anyag először feloldódik az oldószerben, ionizálódik, megtörténik a komplexképzés és a szerves oldószerbe való átjutás. A lassú komplexképződésnek és az alacsony szerves oldószerben való oldhatóságnak miatt ipari alkalmazásuk korlátolt. A leghatékonyabb extrahálószerek: dietilhexilfoszforsav, dibutilfoszforsav. Pl.: az aktinidák hatékonyan kinyerhetők formában. Ezek a képviselők, már jól oldódnak szerves oldószerekben. 48 48
Oldószer extrakció Az extrakciós ágensek három csoportra oszthatók: 2. Semleges extrahálószerek: pl.: alkohol, éter, keton Uranil-nitrát extrakciója dietil-éterrel. A Manhattan-terv kapcsán alkalmazták az urán tisztítására. A leghatékonyabb semleges extrahálószer az organofoszfor vegyületek: tributilfoszfát, ami a Th, U, Np elemekkel a foszforil-oxigénen keresztül kötődik Az egyensúly jobb oldalra tolható a TBP vagy az (HNO 3 vagy Al(NO 3 ) 3 ). koncentráció növelésével A PUREX folyamat egyik alapreakciója, amit a kimerült fűtőanyagok újrahasznosítására használnak 49 49
Oldószer extrakció Az extrakciós ágensek három csoportra oszthatók: 3. Kationos extrahálószerek: pl.: aminok, különösképp a tercier és kvaterner aminok. A radioaktív kationok komplexeket képeznek az erős bázisokkal. A leghatékonyabb kationos extrahálószer: trioktilamin vagy triizooktilamin a hosszú alkillánc miatt, ami jó hatással van a szerves oldószerben való oldódásra. RB+=az amin ammónium sója, = fémkomplex. A hat- és négy vegyértékű aktinoidák hatékonyan nyerhetők ki. 50 50
Oldószer extrakció D megoszlási hányados [M] org a radioaktív fém koncentrációja szerves oldószerben [M] aq a radioaktív fém koncentrációja vízben V aq /V org a szerves/vizes fázisok térfogata 51 51
Ioncsere A legelterjedtebb szeparációs módszer a radiokémiában, mivel gyors és szelektív. Szintetikus szerves gyantákat alkalmaznak az ioncserére. Az adszorbeálódott radioaktív izotópok megfelelő oldatokkal leszoríthatók a gyantáról. A gyanták az ioncserés technikáknál jól ismert kereszthálós szerkezetű polisztirén megfelelő funkciós csoportokkal ellátva. A kationcserélők pl. Dowex 50 csoportokat tartalmaz, ahol a kationok a H + -ionokat cserélik le. Az anion cserélők esetében Dowex 1 a kvaterner amin csoportokhoz kapcsolódik a radioaktív ion, miközben a klorid-ionok az oldatba jutnak. A gyanták ioncserés kapacitása 3-5 meq/g. A radioaktív izotópok a hidratált szféra sugarának nagysága szerint eluálódnak a gyantáról. Az eluálószer komplexképzőket tartalmazhat, a fémmel alkotott komplexek oldhatósági különbségen alapulva válnak el a gyantán. Ábra: α-hidroxibutilsav komplexépző. 52 52
Radioaktív izotóppal jelzett összetett vegyületek elválasztás-technikájatechnikája 53 53
[ 18 18 F]FDGFDG szintézise FDG injekció gyártásának technológiai folyamatábrája 2006 H2 18 O Ciklotron Target (p + ;n 0 ) Hélium 18 F - H2 18 O Elúció Hélium K222 K2CO3 H2O MeCN Gyártó panel QMA oszlop ( 18 F - megkötés) Hélium H2 18 O Hélium K222 H2O MeCN 18 F - K + Hélium Hélium Vízmentes MeCN TATM Hélium Hélium 1M HCl Hélium Alumina Reakcióedény Bepárlás I. 70 C o 60 s Bepárlás II. 105 C o 160 s Szubsztitúció 85 C o 60 s Bepárlás III. 105 C o 50 s Hidrolízis 121 C o 210 s Hélium H2O MeCN Hélium H2O MeCN Tisztítás Hélium, K222, H2O, 18 F-FDG, F - AG 11 A8 oszlop,hcl, TATM, TA- 18 FDG, Alumina oszlop C18 oszlop 10%-os NaCl injekció Gyüjtőedény QC minták Diagnosztikai Termék Letöltés Steril szűrés 0,22µm Dozirozó Hígítás fiziológiás sóoldattal C-18 cartridge 54 54
[ 18 18 F]FDGFDG minıségellenırzése TATM TA-[ 18 F]FDG TA-[ 18 F]FDG [ 18 F]FDG 55 55
[ 18 F]FDG FDG gyártása során alkalmazott elválasztás technikai megoldások Gyártás: Ioncsere Bepárlás/oldószercsere Szilárd fázisú extrakció SPE Minőség-ellenőrzés: Radio-HPLC Radio-TLC GC Gamma-spektrometria 56 56