CIKLOTRONS; PET DIAGNOSTIKA; JONU PAĀTRINĀTĀJU

IZMANTOŠANA BIOLOĢIJĀ

I. Muižnieks, 2010. gada septembris

1. Atskats atoma uzbūves pamatos: kas ir izotopi?

2. Ciklotrona darbības principi un Nacionālais ciklotrona centrs Salaspilī

3. PET izotopu iegūšana un izmantošana medicīnā

4. Citi ciklotronā iegūstamie izotopi

5. Jonu starojuma izmantošanas iespējas zinātnē

5.1. PIXE un mikroPIXE

5.2. radioizotopu datēšana

5.3. protonu litogrāfija

5.4. neitronu staru iegūšana

Atomu veidojošās elementārdaļiņas

Daļiņa Relatīvais lādiņš

Relatīvā masa

Protons +1 1 Neitrons 0 1 Elektrons -1 1/1840

Protoni + neitroni = atoma kodols, pozitīvs elektriskais lādiņš.Elektroni veido atoma apvalku, negatīvs elektriskais lādiņš.

Atoma skaitlis – protonu vai elektronu skaits atomāAtoma masas skaitlis – protonu un neitronu kopskaits atoma kodolā

http://biology.wright.edu/faculty/krane/112/lectures/96/lec2.html#hy

IzotopiViena un tā paša elementa atomu masas varianti

Nestabilo izotopu kodoli spontāni sabrūk, izstarojot enerģiju (radioaktivitāte).Dabā sastopamie radioktīvie izotopi sabrūk, izstarojot elektronus (-), starus vai alfa (2p2n, He atoma kodols) daļiņas

Elements

Izoto

ps

Pro

tonu

sk

aits

Nei

tronu

sk

aits

Mas

as

skai

tlis

Sas

topa

- m

ība

dab

ā

Puss

abru

k-

šanas

per

iods

Ogleklis 116C

6 5 11 nav 20,4 min 12

6C 6 6 12 98,9% Stabils 13

6C 6 7 13 1,1x10-2 Stabils 14

6C 6 8 14 1,2x10-12 5730 g.

Pussabrukšanas periods ir laiks, kurā sabrūk tieši puse no vielā esošo radioaktīvo izotopu kodolu sākotnējā skaita. Nuklīdu pussabrukšanas periodu diapazons ir no sekundes miljonajām daļām līdz miljoniem gadu.

Oglekļa atoma diametrs ir 0.154 nanometri (1 nm = 10-9 m). Atomu kodolu izmēra dimensija ir 10-14 m (10 femtometri; 1 fm = 10-15 m)

Elektronu orbitāles

Mazs, blīvs kodols, kurā koncentrēta gandrīz visa atoma masa

Attēlojot vienkāršotā

veidā

ATOMA UZBŪVES SHĒMA

Ja atoma diametrs būtu 1 m, tā kodola diametrs būtu 0,1 mm.Lai iegūtu izotopus, t.i. mainītu atoma kodola sastāvu, protoniem jābūt ar pietiekami lielu enerģiju, lai pārvarētu vienādas polaritātes lādiņu atgrūšanās spēkus kodolā, neitroniem jāveido pietiekami intensīva plūsma, lai veidotos mijiedarbība ar mērķa kodolu.

Ciklotrons ir protonu vai citu lādētu daļiņu (jonu), paātrinātājs kurā izmanto spēcīga pastāvīga magnētiskā lauka, un vairāku simtu kHz frekvences maiņstrāvas lauka mijiedarbību.

Apstarošanas kanāla izvads

D-formas elektrodi ar dzesēšanas šķidruma caurulēm no Livermoras (ASV) laboratorijā būvētā ciklotrona

Ciklotrona uzbūves shēma

Attēli no E.Lorensa ciklotrona patenta:1.att. Daļiņas kustība D-formas elektrodos.2.att. Magnētiskā lauka spēka līnijas D-elektrodu šķērsgriezumā.3.att. Jonu avota novietojums starp D-elektrodiem.

Pēc paātrināšanas daļiņas tiek izvadītas no ciklotrona pa vienu vai vairākiem apstarošanas kanāliem, lai izmantotu dažādiem medicīnas, zinātnes, rūpniecības un izotopu iegūšanas mērķiem. Katram starojuma izmantošanas veidam nepieciešams īpašs papildu aprīkojums.

Bioloģijas institūts

Fizikas institūtsNeorganiskās ķīmijas institūtsAtomreaktorsSilava

Zinātniskās institūcijas Salaspilī

AtomreaktorsZinātniskās institūcijas Salaspilī

Protonu paātrinātājs – CIKLOTRONS (2011 -)

LATVIJAS NACIONĀLAIS CIKLOTRONA CENTRS

SalaspilsATOMREAKTORS

(1961-1998)

Latvijas un Starptautiskās atomenerģijas aģentūras (SAEA) kopīgā projekta LAT/4/007 “Establishment of a Multiporpose National Cyclotron Facility” ietvaros Salaspils atomreaktora vietā paredzēts izbūvēt ciklotronu, lai to izmantotu gan medicīnā, gan zinātniskajam darbam (Ar LR MK 2006.g. 31.augusta rīkojumu apstiprinātā “Nacionālā daudzfunkcionālā ciklotrona centra izveidošanas koncepcija (2006.-2010.gads)”.

32 MeV četru kanālu ciklotrona shēma (plānots Salaspiī):

kanālos tiek novirzīti dažādas enerģijas joni noteiktu sintēzes vai analīzes uzdevumu izpildei,piem.: viens kanāls ar gala aparatūru PET izotopu sintēzei; viens kanāls ar gala aparatūru citu (piem., SPECT) izotopu sintēzei; viens kanāls protonu mikrolitogrāfijai; viens kanāls PIXE analīzei

Reakcija: 18O (p,n) 18F

PET (Pozitronu Emisijas Tomogrāfijas) izotopu sintēze ciklotronā

Pozitrons vai anti-elektrons ir elektrona antivielas pāris. Pozitrona lādiņš ir +1e, tā masa ir vienāda ar elektrona masu. Kad pozitrons saduras ar elektronu, notiek anihilācija un veidojas divu fotonu pāris, kas tiek izstaroti apm. 180o leņķī viens pret otru.

Fluora -18 radioaktīvās sabrukšanas galvenie dati

Starojums % sabrukšanas gadījumu enerģija (keV)

β+ 97% E β+ max. 640 E β+ aver. 250 Gamma (pozitrona anihilācijas 193,46 511,0 rezultāts) Pussabrukšanas periods 109,77 min Migrācija audos 2,2 mm

Citi PET izotopi

Ogleklis 11; [14N(p,α)11C] pussabrukšanas periods: 20.38 min.; veidojas

100% β+, max. starojuma enerģija: 960 keV

Skābeklis 15; [15N(p,n)15O] pussabrukšanas periods: 2.04 min.; veidojas

100% β+, max. starojuma enerģija: 1740 keV

PET izotopu priekšrocības diagnostikā

Ar PET izotopiem iespējams iezīmēt metabolismā aktīvi izmantojamus savienojumus, piem. glikozi, serotonīnu, hormonus un tml.

PET izotopi veido viegli detektējamu starojumu, kas atļauj lokalizēt orgānu un audu rajonus ar mainītu metabolisma aktivitāti

PET izotopi ātri sadalās, neatstājot nevēlamus blakusiedarbības efektus organismā

Vienas 18-FDG dozas cena atkarībā no ražošanas apjomiem un piegādes:150 USD - 400 EUR

18-F FDG izmantošana klīnikā1. Onkoloģijas pirmsoperācijas identificēšana un raksturojums (stadijas noteikšana):

plaušu, krūts, zarnu, galvas/kakla, aizkuņģa dziedzera ļaundabīgie audzēji, melanomas.

2. Recidīvu atklāšana: limfomas, galvas/kakla, vairogdziedzera ļaundabīgie audzēji.3. Recidīvu diferencēšana, pēcoperācijas stāvokļa raksturošana: zarnu un smadzeņu

ļaundabīgie audzēji.4. Terapeitiskās atbildes novērtējums : galvas/kakla, smadzeņu, krūts, sarkomas.5. Biopsijas vietu identificēšana: galvas/kakla, smadzeņu audzēji.6. Grūti ārstējamas lēkmes, smadzeņu metaboliskā aktivitāte.7. Miokarda stāvoklis.

Nepieciešamie priekšnosacījumi:1. 18-FDG dozu pieejamība;2. veselības apdrošināšanas sistēmas atbalsts;3. aparatūras nodrošinājums: CT/PET

PET diagnostikas izšķirtspēju ievērojami palielina tās izmantošana kopā ar datortomogrāfiju (CT, rentgenstari)

PET/CT kamera64 detektoru sistēma ~ 1,5 - 2,3 M USD, gadā iespējams apkalpot līdz 2000 - 4000

pacientu. Kopējais PET analīžu skaits Eiropā 2010. g. ~ 2 miljoni.

Pilnas diagnostikās procedūras izmaksas: 600 – 1000 EUR

Ciklotrona / PET diagnostikas centra minimālais iekārtojums:(1) pacientu pieņemšanas telpas; (2) darbinieku ģērbtuves; (3) ciklotrons; (4) sintēzes laboratorija; (5) kvalitātes kontrole un dozēšana; (6) pacientu īslaicīgas uzturēšanās un procedūru telpas; (7) PET/CT kamera.

SPECT (Single Photon Emission Computer Tomography) izotopi

99Tc T1/2 = 6h, =140 keV111In T1/2 = 67h, =172, 245 keV123I T1/2 = 13h, =159 keV201Tl T1/2 = 73h, =167 keV, rentgenstari 70 keVPriekšrocības, salīdzinājumā ar PET:lētāki, ilgāk uzglabājami, lielāks iezīmējamo metabolītu klāsts;apm. 3 x lētāka skenēšanas iekārta;ilgāka lietošanas pieredze.Trūkumi, salīdzinājumā ar PET:mazāka precizitāte, vairāk kļūdaini pozitīvu signālu;ilgāks skenēšanas laiks (vairākas stundas)

Ciklotrona starojuma izmantošana bioloģijā un citās zinātnes nozarēs

ATOMA ELEKTRONU APVALKA UZBŪVE

Elektroni ap atoma kodolu izvietoti noteiktos enerģijas līmeņos, kurus apzīmē ar burtiem: K; L; M, utt.

Vienu enerģijas līmeni veido viens vai vairāki apakšlīmeņi, kurus apzīmē ar burtiem: s; p; d, utt.

Katru enerģijas apakšlīmeni aizpilda raksturīgas un noteikta skaita formas elektronu orbitāles (čaulas).

PIXE – Proton-Induced X-ray Emission(protonu inducēta rentgenstaru emisija)

Fizikālais princips Lādēta daļiņa, mijiedarbojoties ar jebkādu materiālu,

zaudē enerģiju, atdodot to apkārt esošo atomu elektroniem. Atomu iekšējo, lielākoties K un L līmeņu, elektroni saņem pietiekami daudz enerģijas, lai pārvietotos uz ārējIiem līmeņiem,veidojot nestabilu elektronu sakārtojumu atomā.

Atjaunojot stabilu stāvokli, elektroni no ārējiem līmeņiem atgriežas zemākā enerģētiskā līmenī un atbrīvo enerģiju rentgenstarojuma veidā. Rentgenstaru enerģija ir atšķirīga katram elementam un to var izmantot elementu identificēšanai. Savukārt, mērot atbilstošo rentgenstaru spektra līniju intensitāti iespējams noteikt gandrīz visu elementu koncentrāciju paraugā līdz apm. 0,00001% (1ppm vai pat 0,1 ppm) koncentrācijai.

Elementu sadalījums PIXEanalīzē

Mākslas priekšmeta elementu sastāva PIXE analīze

Konfokālā mikro PIXE ģeometriskā shēma

Dažas PIXE izmantošanas priekšrocības1. Iespējams analizēt visus elementus, kam atoma skaitlis > 14 (Si). Bioloģiskos objektos

vienlaikus iespējams noteikts apm. 15 elementu koncentrāciju. 2. Metode ir ātra, parauga apstarošanas laiks parasti nepārsniedz 10 min., kas dod iespēju

analizēt daudz paraugus un ievākt pietiekami daudz datu nopietnai statistiskai analīzei.3. Metode ir jutīga: iespējams mērīt 1,0 – 0,1 ppm koncentrācijas4. Jonu stara telpiskā izšķirtspēja ir 1 mm (mikroPIXE – 10 m), iespiešanās dziļums cietā

paraugā: apm. 0,1 mm (mikroPIXE – 20 m). šīs īpašības dod iespēju noteikt elementu sadalījuma profilu uz parauga virsmas rajonā, piem., koka gadskārtās vai minerālu slāņos.

5. Metode ir precīza, parasti kļūda variē 1 – 10% robežās, atkarībā no pētāmā elementa vai parauga sastāva.

6. Analīzei pietiek ar dažiem miligramiem parauga, kas nav iepriekš jāapstrādā7. Metode ir nedestruktīva, jonu stars neizraisa paliekošas izmaiņas vairumā materiālu un

paraugi pēc analīzes nav izmainījušies. Iespējams analizēt unikālus, arī kultūrvēsturiski nozīmīgus objektus.

Accelerator mass spectrometry

Protonu stara litogrāfija: jaunas iespējas liela blīvuma detektoru/sensoru/biočipu veidošanai

1 000 000 : 1 mēroga Stounhedžas modelis,

izveidots PMMA ar protonu litogrāfijas metodi

Apstrādājot ar ciklotronā iegūto jonu staru cietus vai šķidrus metālu mērķus var iegūt atskaldīto neitronu starojumu

Neitronu starojuma izmantošana paver jaunas perspektīvas bioloģijas, medicīnas, materiālzinātnes, enerģētikas u.c. pētījumos

Viens no lielākiem ES zinātniskās infrastruktūras attīstības projektiem: European Spalliation Source Lundā, Zviedrijā (apm. divi miljardi EUR) ; tā efektīvai izmantošanai nepieciešama sinerģija ar mazāk jaudīgiem, piloteksperimentiem un apmācībai paredzētiem neitronu starojuma avotiem.

2009.05.28 "Latvijas un Zviedrijas saprašanās memorands par Starptautisku platformu Eiropas infrastruktūru neitronu atskaldīšanai"

Uzbūvēsim paši savu ciklotronu ?