RADIOAKTIVE ISOTOPE. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls lautet: dn - = N (1) dt

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1 51 RADIOAKTIVE ISOTOPE Isotope sind Nuclide (=Kernarten) gleicher Ordnungszahl aber verschiedener Massenzahl, z.b. 12 C, 13 C, 14 C. Wenn ein Kern zuviele Neutronen enthält, ist er im allgemeinen unstabil, d.h. er zerfällt unter Bildung eines andern, stabilen Nuclids und unter Abgabe von Strahlung (Radioaktivität). Die hauptsächlichsten Strahlenarten sind Heliumkerne (= α-strahlen), Elektronen (=ß -Strahlen) und elektromagnetische Quanten (= γ-strahlen). Alle drei Strahlenarten sind ionisierend, d.h. sie können beim Durchgang durch Materie Ionisationen hervorrufen. Radioaktivität kann durch diese Eigenschaft nachgewiesen werden. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls lautet: dn - = N (1) dt wobei N = Gesamtzahl der unstabilen Kerne, k = Zerfallskonstante, -dn/dt = Zerfallsgeschwindigkeit = Anzahl Zerfallsakte pro Zeiteinheit = Abnahme von N pro Zeiteinheit. Die integrierte Form des Zerfallsgesetzes ist: N = N o e -k(t-to) (2) wobei N o bzw. N = Gesamtzahl der zur Zeit t o bzw. t noch nicht zerfallenen Kerne. Das Zeitintervall, in dem N auf genau die Hälfte von N o gesunken ist, wird als Halbwertszeit, t 1/2, bezeichnet. Sie ist umgekehrt proportional zur Zerfallskonstante: 0.69 t 1/2 = (3) k Die Halbwertszeit, bzw. Zerfallskonstante, ist demnach unabhängig von der Menge des vorhandenen radioaktiven Materials (Reaktion 1. Ordnung). Sie ist charakteristisch für eine bestimmte Kernart. Neben dem Zerfallstyp (Strahlungsart) und der Zerfallszeit (Halbwertszeit) ist jedes radioaktive Iso-op durch die bei der Umwandlung freiwerdende Zerfallsenergie gekennzeichnet. Man versteht darunter die Energie der emittierten Strahlung. Sie wird angegeben in Megaelektronenvolt (MeV). Diese Energie hat nichts zu tun mit der Aktivitätsangabe eines radioaktiven Präparates! Sie ist aber ausschlaggebend für das Ionisationsvermögen der Strahlung. Zusammen mit dem Strahlungstyp und der Natur des Mediums bestimmt sie die maximale Reichweite der Strahlung.

2 52 In Biochemie und Medizin gebräuchliche Radioisotope: Isotop Strahlungs- Halbwerts- mittlere Energie max. Reichart zeit (MeV) weite in H 2 O (mm) 3 H β Jahre C β Jahre P β Tage S β - 87 Tage Fe β - /γ 45 Tage #1.30 ca I γ 60 Tage ca. 2 Bestimmung der Radioaktivität Die für die Isotopenanwendung in der Biochemie wichtigste Messgrösse ist die Anzahl radioaktiver (= unstabiler) Atome (N) in einer Probe. Nach Gleichung (1) ist sie proportional zur Anzahl von Zerfallsakten pro Zeiteinheit (= Radioaktivität) und lässt sich durch deren Messung quantitativ erfassen. Messmethodik Die am häufigsten benützten Isotope sind β-strahler von geringer Reichweite (s. Tabelle). Ihre Radioaktivität wird im Flüssigkeits-Szintillationszähler gemessen. Bei diesem Verfahren wird die zu messende radioaktive Probe in einem Lösungsmittel gelöst, das eine fluoreszierende Substanz (= Szintillator) enthält, die durch die Strahlung zur Fluoreszenz angeregt wird. Der entstehende Lichtblitz wird durch einen Photonenvervielfacher in einen elektrischen Stromstoss umgewandelt und in einer Zähleinrichtung als Impuls ("count") registriert. Die Impulsfrequenz wird in "counts per minute" (= cpm) angegeben. "Background" Auch ohne radioaktive Probe werden in einem Messgerät Impulse registriert. Diese stammen von Verunreinigungen des Zählgerätes und seiner Umgebung mit radioaktivem Material, von kosmischer Strahlung und von elektronischem Rauschen des Apparates. Solche Impulse werden "background counts" genannt. Sie variieren je nach Versuchsbedingung und nach Instrument. Es ist daher nötig, die "background counts" bei jeder Messung radioaktiver Proben separat zu bestimmen und sie von

3 53 den "counts" der Proben abzuziehen. Der resultierende korrigierte Wert ist somit: cpm Probe, korr. = cpm Probe - cpm background Zählstatistik Der Zerfall eines unstabilen Kerns ist ein statistisches Ereignis. Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten eines Zerfalls ist durch das Poissonsche Verteilungsgesetz gegeben. Nach diesem Gesetz entspricht die Standardabweichung oder Streuung eines Einzelmesswertes m seiner Quadratwurzel (= %m). Ergibt eine Einzelmessung m Impulse, so liegt der wahre Wert mit 68 % Wahrscheinlichkeit im Bereich m ±%m. Die Standardabweichung, ausgedrückt in Prozenten des Messwertes, ist 100 %m/m oder 100/%m. Bei Messungen von Proben mit 100 bzw. 10'000 Impulsen ergeben sich so Streubreiten von 10 % und 1 %. Die prozentuale Streuung nimmt also mit steigender Anzahl der gemessenen "counts" ab. Sie ist unabhängig von der Zeit, während welcher gemessen wird. Bei wenig aktiven Proben kann sie durch Verlängerung der Zähldauer herabgesetzt werden. Einheiten der Radioaktivität Für viele Anwendungen reicht es, die in einer Probe vorhandene Aktivitätsmenge als gemessene und für "background" korrigierte Impulse pro min (cpm) anzugeben. Das absolute Mass für die Radioaktivität einer Probe ist die Zahl der Zerfallsakte pro Zeiteinheit (dpm = decays per minute). Diese Zerfallsgeschwindigkeit (dpm) ist immer grösser als die gemessene Impulsfrequenz (cpm). Das prozentuale Verhältnis der beiden, 100 x cpm Probe, korr. /dpm, wird als Zählausbeute bezeichnet. Ihre Grösse ist durch verschiedene Variablen bedingt, wie die Geometrie des Messapparates und die Fluoreszenzausbeute des Szintillators. Die Zählausbeute kann erniedrigt werden durch die Desaktivierung angeregter Zustände (chemisches Quenching z.b. durch Carbonylverbindungen wie Ketone und Carbonsäuren) oder durch Absorption des Fluoreszenzlichts durch die Probe selbst (Farbquenching). Die Herabsetzung der Zählausbeute einer Messeinrichtung kann mit Hilfe von Standardproben bestimmt werden, für welche die Menge des radioaktiven Isotops genau bekannt ist. Die fundamentale Einheit für die Menge eines radioaktiven Isotops ist das Becquerel: 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde (1 dps). Die ältere, noch gebräuchlichere Einheit ist das Curie: 1 Ci = 3.67 x Bq. Gebräuchlicher sind die Einheiten Kilobecquerel (kbq) und Megabecquerel (MBq), respektive Millicurie (mci) und Mikrocurie (µci). Spezifische Radioaktivität Für die meisten quantitativen Anwendungen von Isotopen in der Biochemie muss die spezifische Radioaktivität bekannt sein. Man versteht darunter die in der Gewichtseinheit (g) oder in einem Mol einer reinen Substanz enthaltene Aktivitätsmenge. Die spezifische Radioaktivität pro g-atom eines reinen radioaktiven Isotops lässt sich nach Gleichung (1) aus der Halbwertszeit und der Avogadroschen Zahl ableiten. Für 3 H und 14 C ergeben sich so Werte von 1.07 x Bq/g-Atom bzw. 2.3 x Bq/g-Atom. Gewöhnlich werden radioaktive Isotope nicht in reiner Form, sondern in Mischung mit einem hohen berschuss stabiler Isotope des gleichen Elements verwendet. Zur Ermittlung der spezifischen Radioaktivität solcher Proben muss die Radioaktivität und die chemisch messbare Gesamtmenge von

4 radioaktiver und nicht-radioaktiver Substanz bestimmt werden. Kenntnis der spezifischen Radioaktivität gestattet dann die Umrechnung von gemessenen Radioaktivitätsmengen in Gramm oder Mol der markierten Substanz. Bei kurzlebigen Isotopen müssen Korrekturen gemacht werden für die Aenderung der spezifischen Radioaktivität während des Experiments. 54 Wirkung radioaktiver Strahlung auf lebendes Gewebe - Radiodosimetrie Alle Strahlungsarten von radioaktiven Isotopen können lebendes Gewebe schädigen. Massgebend für die schädigende Wirkung ist das Ionisationsvermögen der radioaktiven Strahlung bzw. die im Gewebe absorbierte Strahlungsenergiemenge. Die quantitative Messung ionisierender Strahlung wird als Radiodosimetrie bezeichnet. Die auf tote oder lebende Materie übertragene Energie wird Energiedosis genannt und in Joule pro kg Materie angegeben. Die Einheit der Energiedosis ist das Gray (Gy), wobei 1 Gy = 1 J/kg. Die immer noch gebräuchliche ältere Einheit ist das rad (rd); 1 rd = 0.01 Gy = 0.01 J/kg. Noch älter ist die Einheit Röntgen (r), die streng genommen nur für Ionisierung durch γ- oder Röntgenstrahlen gilt und materialunabhängig ist. Ein r ist diejenige Menge an γ- oder Röntgenstrahlung, die in Luft zur Absorption von 8.3 x 10-6 J/g führt, was etwa 2 x 10 9 Ionenpaare pro cm 3 Luft erzeugt. In Luft und Körpergewebe ist 1 r. 1 Gy. Die Energiedosis (Gy) ist unabhängig von der Art der Strahlung und sagt deshalb vorerst nichts aus über deren schädigende Wirkung. Vielmehr ist es so, dass verschiedene radioaktive Strahlung bei gleicher Energiedosis verschieden stark schädigt. Beispielsweise ist die Übertragung von 1 Gy als α-strahlung (z.b. 219 Radon) viel stärker schädigend als 1 Gy als β-strahlung (z.b. 14 C). Als Mass für die biologische Wirkung von radioaktiver Strahlung gilt die Äquivalentdosis. Ihre Einheit ist das Sievert (Sv). Die Äquivalentdosis berechnet man aus der Energiedosis gemäss: Äquivalentdosis = Energiedosis x Qualitätsfaktor Für β- und γ-strahlen ist der Qualitätsfaktor 1, für α-strahlen bis 20. Bei 14 C oder 3 H, beides relativ schwache β-strahler, gilt also Energiedosis = Äquivalentdosis, resp. 1 Gy = 1 Sv. Die ältere Einheit der Äquivalentdosis ist das rem (Röntgen equivalent for man); 1 rem = 0.01 Sv. Die Äquivalentdosis pro Zeit (Äquivalenzdosisleistung) kann man aus der Radioaktivitätsmenge (Bq) abschätzen. Die Abschätzung ist verschieden für äussere und innere Bestrahlung. Äussere Bestrahlung: Äquivalentdosisleistung = Radioaktivitätsmenge x Dosiskonstante (Abstand) 2 Bei äusserer Bestrahlung nimmt demnach die Gefährdung mit dem Quadrat des Abstands zwischen der Strahlungsquelle und dem bestrahlten Objekt ab. Die Dosiskonstante ist abhängig vom Radioisotop. Die Bestrahlung mit einer Menge von 10 7 Bq 32 P (10 MBq, 0.27 mci) in einem Abstand

5 von 1 m erzeugt eine Äquivalentdosisleistung von 9.2 x 10-5 Sv/h (0.092 msv/h = 9.2 mrem/h). Die gleiche Menge an 14 C erzeugt keinerlei Strahlenbelastung in 1 m Abstand, da bereits wenige mm Luftschicht die Energie aus dem Zerfall von 14 C vollständig absorbiert. Innere Bestrahlung (z.b. Verschlucken oder Einatmen von Radioisotopen): Äquivalentdosisleistung = inkorporierte Aktivitätsmenge 55 Der Wert DECO (Dosis equivalent for critical organ) ist eine für ein Radioisotop typische Konstante. Die DECO-Werte variieren sehr stark und dienen zur Klassifizierung der Radioisotope in Toxizitätsklassen. Die Radiotoxizität von intern aufgenommenen Isotopen hängt ausser von der Aktivitätsmenge, der Halbwertszeit und den besonderen Strahlungseigenschaften auch von der Verweildauer im Organismus ab. Aufgrund dieser Gesichtspunkte lassen sich Isotope in verschiedene Toxizitätsklassen einteilen. Einige Beispiele sind: 1. Sehr hohe Radiotoxizität: 90 Sr, 239 Pu, 235 U 2. Hohe Radiotoxizität: 131 I, 125 I 3. Mässige Radiotoxizität: 32 P, 59 Fe 4. Niedrige Radiotoxizität: 3 H, 14 C, 35 S Beispiele für innere Bestrahlung: Inkorporation von 5.5 x 10 4 Bq (1.5 µci) 32 P erzeugt eine Strahlenbelastung von etwa Sv (0.3 rem). Uranhaltiges Quellwasser (z.b. in gewissen Gebieten des Wallis) enthält etwa 37 Bq/m U. Bei ausschliesslichem Konsum dieses Wassers (1.5 l/tag) wird in einem Jahr eine Äquivalentdosis von 1.6 x 10-5 Sv (16 µsv) akkumuliert. Inkorporation des gesamten p-nitrophenyl-[ 3 H]acetats (ca. 10'000 Bq), das im Exp eingesetzt wird, würde zu einer Belastung von ca. 5 x 10-7 Sv (0.5 µsv) führen. Die jährliche Strahlenbelastung für den Durchschnitt der Bevölkerung beträgt 2-3 x 10-3 Sv (2-3 msv), davon stammen etwa die Hälfte aus künstlichen Quellen, v.a. medizinische Untersuchungen. Richtlinien zum Arbeiten mit 3 H- und 14 C-markierten Substanzen 3 H und 14 C sind schwache β-strahler. Bei den Mengen, die in biologischen Versuchen zur Anwendung kommen, besteht keinerlei Gefahr einer Strahlenschädigung von aussen. Dagegen besteht das Risiko einer inneren Kontamination durch Verschlukken von radioaktiven Lösungen, Einatmen flüchtiger Verbindungen oder Hautkontakt mit fettlöslichen Verbindungen. Zur Vermeidung solcher Zwischenfälle dürfen radioaktive Lösungen nie mit dem Mund direkt pipettiert werden, sondern nur mit Hilfe von mechanischen Pipettiervorrichtungen. Bei Kontamination der Haut muss sofort gründlich mit Wasser gewaschen werden.