Химия позитронных источников

Фтор (F). Фтор — элемент основной подгруппы VII группы, атомный номер 9, радиус атома 71 пм, атомная масса 18,998 403 г/моль, электронная конфигурация: ls²2s²2p⁵. В соединениях проявляет только степень окисления -1, это самый электроотрицательный из всех элементов — 3,98 по шкале Полинга. При нормальных условиях фтор представляет собой светло-оранжевый газ, в малых концентрациях запах напоминает одновременно озон и хлор, очень агрессивен и ядовит. Молекула вещества двухатомна (формула F₂).

В природе значимые скопления фтора содержатся в основном в минерале флюорите (CaF₂), содержащем по массе 51,2% Са и 48,8% F. Содержание фтора в земной коре — 650 г/т. Нахождением в почве фтор обязан вулканическим газам, за счет того, что в их состав обычно входит большое количество фтороводорода.

Фтор взаимодействует со всеми элементами кроме гелия, неона и аргона. Контакт фтора с водородом приводит к воспламенению и взрыву даже при очень низких температурах (до -252°С). Вода и платина горят в атмосфере фтора. Кислород в электрическом разряде способен образовывать фторид кислорода OF₂ и диоксидифторид 0₂F₂. С большинством неметаллов фтор реагирует с взрывом. Некоторые металлы (Fe, Си, Al, Ni, Mg, Zn) при взаимодействии с фтором покрываются защитной пленкой фторида, и реакция прекращается. Фтор энергично реагирует с органическими веществами.

В организме человека фтор преимущественно содержится в костях, в основном в эмали зубов в составе фторапатита Ca₂F (P0₄)₃.

Наиболее широко в ЯМ применяется препарат [¹⁸Р]ФДГ, представляющий собой молекулу фтордезоксиглюкозы, в которую искусственно встроена радиоактивная метка (фтор-18), которая позволяет визуализировать молекулу ФДГ. Так как глюкоза — основной энергетический источник в организме, то с помощью препарата [¹⁸Р]ФДГ можно визуализировать онкологические, неврологические и онкологические процессы в организме. Однако этот препарат не является универсальным, при диагностике некоторых онкологических и неврологических заболеваний более высокую специфичность имеют другие препараты, меченые ¹⁸F. В частности, такие препараты используются для оценки транспорта аминокислот, пролиферации онкологических клеток, гипоксии клеток.

Углерод ©. Углерод — элемент основной подгруппы IV группы, атомный номер 6, радиус атома 91 пм, атомная масса 12,011 г/моль, электронная конфигурация: ls²2s²2p². В соединениях проявляет степени окисления -4, +2, +4, электроотрицательность — 2,55 по шкале Полинга. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — ¹²С (98,93%) и ¹³С (1,07%) и одного радиоактивного изотопа ¹⁴С ((3-излучатель, Т_½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры.

Содержание углерода в земной коре 0,1% по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97%), бурые угли (64—80%), каменные угли (76—95%), горючие сланцы (56—78%), нефть (82—87%), горючих природных газов (до 99% метана), торфа (53—56%), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода С0₂, в воздухе 0,046% С0₂ по массе, в водах рек, морей и океанов примерно в 60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (порядка 18%).

В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21% (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Углерод малоактивен, на холоду реагирует только с F₂, образуя CF₄. При нагревании реагирует со многими неметаллами и сложными веществами, проявляя восстановительные свойства. Слабые окислительные свойства проявляются в реакциях с металлами, водородом.

Для ЯМ представляет интерес изотоп углерода ^ПС. Отличительной особенностью его химии является создание синтонов — предшественников синтеза РФП, представляющих собой структурную единицу молекулы, которая может быть введена в химический синтез известными приемами (например, ^пС-С0₂, ^пС-СО или ^ПС-СН₄). Из-за короткого времени жизни ^ПС используются только быстрые реакции с участием углерода, такие как реакции с использованием литийорганических соединений, реактивов Гриньяра, алюмогидрида лития, цианида и другие.

РФП на основе ^ПС применяются при исследовании сердца для оценки его метаболического состояния. Также ^ПС используется в психиатрии, визуализируя опиатные рецепторы головного мозга и для исследования нейрохимического влияния различных веществ на допаминэргическую систему. Применяются ^пС-меченые РФП и для качественной оценки потребления аминокислоты и синтеза белка, являясь таким образом индикатором жизнеспособности опухоли.

Азот (N). Азот — элемент основной подгруппы V группы, атомный номер 7, радиус атома 92 пм, атомная масса 14,674 г/моль, электронная конфигурация: ls²2s²2p³. В соединениях проявляет степени окисления от -3 до +5, электроотрицательность — 3,04 по шкале Полинга. При нормальных условиях азот представляет собой достаточно инертный двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха (формула N₂), из которого на три четверти состоит земная атмосфера.

Общее содержание азота в земной коре 10~² % по массе. Наибольшая часть азота находится в свободном состоянии в атмосфере, в связанном состоянии азот встречается в воздухе, в водах рек, морей и океанов. В земной коре он образует три основных типа минералов, содержащих ионы CN-, N0₃^_ и NH⁺₄.

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18% по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле — около 2,5% (четвертое место после водорода, углерода и кислорода).

При обычных условиях азот — химически малоактивное вещество из-за прочной ковалентной связи. В обычных условиях реагирует только с литием, образуя нитрид Li₃N. С повышением температуры активность молекулярного азота увеличивается, при этом он может быть может быть и окислителем (с водородом, металлами), и восстановителем (с кислородом, фтором). При нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора азот взаимодействует с водородом, образуя аммиак NH₃. С кислородом азот соединяется только в электрической дуге с образованием оксида азота N0. В электрическом разряде возможна и реакция с фтором.

Количество РФП, меченых ¹³N, значительно меньше, чем основанных на ¹⁸F и ^ПС. Широко известен такой РФП как аммиак ¹³NH₃ (или хлорид аммония ¹³NH₄C1). Он является удобным трейсером для оценки скорости перфузии миокарда.

Кислород (О). Кислород — элемент основной подгруппы VI группы, атомный номер 8, радиус атома 66 пм, атомная масса 15,9994 г/моль, электронная конфигурация: ls²2s²2p⁴. В соединениях проявляет степени окисления от -2 до + 2, электроотрицательность — 3,44 по шкале Полинга. При нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов (формула 0₂).

Кислород — наиболее распространенный элемент на Земле. В атмосфере содержится 23,10% по массе (20,95% по объему) свободного кислорода, в гидросфере и литосфере — соответственно 85,82 и 47% по массе связанного кислорода. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8% по массе. Известно более 1400 минералов, в составе которых имеется кислород. Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В организме человека его содержится около 65%.

Кислород отличается высокой химической активностью, образуя соединения со всеми элементами, кроме Не, Ne и Аг. Атом кислорода в химических соединениях обычно приобретает электроны и имеет отрицательный эффективный заряд. Соединения, в которых электроны оттягиваются от атома кислорода, крайне редки (например, OF₂). Таким образом, в реакциях со всеми простыми веществами, кроме F₂, кислород является окислителем. С простыми веществами, кроме Аи, Pt, Хе и Кг, кислород реагирует непосредственно при обычных условиях или при нагревании, а также в присутствии катализаторов. Реакции с галогенами проходят под действием электрического разряда или УФ излучения. Молекула 0₂ присоединяется как слабый лиганд к некоторым комплексам Fe, Со, Мп, Си. Среди таких соединений большое значение имеет гемоглобин, который осуществляет перенос кислорода в организме теплокровных. Кислород окисляет большинство органических соединений. С водородом он реагирует с образованием воды и выделением большого количества тепла (286 кДж на моль Н₂).

В ЯМ используют изотоп кислорода ¹⁵0. Он применяется исключительно для исследования гематодинамических параметров: объемной скорости кровотока, объема крови в органах, скорости потребления кислорода. Часто исследования с использованием ¹⁵0 осуществляют в дополнение к исследованиям с помощью РФП, меченых^пС и ¹⁸F.

Дополнительный материал по производству и свойствам радионкулидов читатель может найти в учебных пособиях [9, 10].