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21.5 : Utilisations des radio-isotopes

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    Objectifs d'apprentissage

    • Énumérer les applications courantes des isotopes radioactifs

    Les isotopes radioactifs ont les mêmes propriétés chimiques que les isotopes stables du même élément, mais ils émettent des radiations qui peuvent être détectées. Si nous remplaçons un (ou plusieurs) atome (s) par un ou plusieurs radio-isotopes dans un composé, nous pouvons les suivre en surveillant leurs émissions radioactives. Ce type de composé est appelé traceur radioactif (ou marqueur radioactif). Les radio-isotopes sont utilisés pour suivre les voies des réactions biochimiques ou pour déterminer comment une substance est distribuée au sein d'un organisme. Les traceurs radioactifs sont également utilisés dans de nombreuses applications médicales, notamment pour le diagnostic et le traitement. Ils sont utilisés pour mesurer l'usure des moteurs, analyser la formation géologique autour des puits de pétrole et bien plus encore.

    Les radio-isotopes ont révolutionné la pratique médicale, où ils sont largement utilisés. Plus de 10 millions de procédures de médecine nucléaire et plus de 100 millions de tests de médecine nucléaire sont effectués chaque année aux États-Unis. Quatre exemples typiques de traceurs radioactifs utilisés en médecine sont le technétium 99\(\ce{(^{99}_{43}Tc)}\), le thallium 201\(\ce{(^{201}_{81}Tl)}\), l'iode 131\(\ce{(^{131}_{53}I)}\) et le sodium 24\(\ce{(^{24}_{11}Na)}\). Les tissus endommagés du cœur, du foie et des poumons absorbent de préférence certains composés du technétium-99. Après son injection, l'emplacement du composé de technétium, et donc du tissu endommagé, peut être déterminé en détectant les rayons γ émis par l'isotope Tc-99. Le thallium-201 (Figure\(\PageIndex{1}\)) se concentre dans le tissu cardiaque sain, de sorte que les deux isotopes, Tc-99 et Tl-201, sont utilisés ensemble pour étudier le tissu cardiaque. L'iode 131 se concentre dans la glande thyroïde, le foie et certaines parties du cerveau. Il peut donc être utilisé pour surveiller le goitre et traiter les affections thyroïdiennes, telles que la maladie de Grave, ainsi que les tumeurs du foie et du cerveau. Des solutions salines contenant des composés de sodium 24 sont injectées dans la circulation sanguine pour aider à localiser les obstacles à la circulation sanguine.

    Figure\(\PageIndex{1}\) : L'administration de thallium-201 à un patient et la réalisation ultérieure d'un test de stress offrent aux professionnels de la santé la possibilité d'analyser visuellement la fonction cardiaque et le débit sanguin. (crédit : modification de l'œuvre par « Blue0ctane » /Wikimedia Commons)
    Un professionnel de la santé aide un homme âgé aux seins nus sur un tapis roulant équipé de capteurs et de fils électriques connectés à son torse.

    Les radio-isotopes utilisés en médecine ont généralement une demi-vie courte. Par exemple, le Tc-99m omniprésent a une demi-vie de 6,01 heures. Cela rend le TC-99m pratiquement impossible à stocker et d'un coût prohibitif à transporter. Il est donc fabriqué sur place. Les hôpitaux et autres établissements médicaux utilisent du Mo-99 (qui est principalement extrait des produits de fission U-235) pour générer du Tc-99. Le Mo-99 subit une désintégration β avec une demi-vie de 66 heures, et le Tc-99 est ensuite extrait chimiquement (Figure\(\PageIndex{2}\)). Le nucléide parent Mo-99 fait partie d'un ion molybdate\(\ce{MoO4^2-}\) ; lorsqu'il se désintègre, il forme l'ion pertechnétate\(\ce{TcO4-}\). Ces deux ions hydrosolubles sont séparés par chromatographie sur colonne, l'ion molybdate de charge la plus élevée s'adsorbant sur l'alumine de la colonne et l'ion pertechnétate de faible charge traversant la colonne dans la solution. Quelques microgrammes de Mo-99 peuvent produire suffisamment de Tc-99 pour effectuer jusqu'à 10 000 tests.

    Figure\(\PageIndex{2}\) : (a) Le premier générateur Tc-99m (vers 1958) est utilisé pour séparer le Tc-99 du Mo-99. Le \(\ce{MoO4^2-}\)est retenu par la matrice dans la colonne, tandis que le \(\ce{TcO4-}\)traverse et est collecté. (b) Le Tc-99 a été utilisé pour cette scintigraphie du cou d'un patient atteint de la maladie de Grave. Le scan montre l'emplacement des fortes concentrations de Tc-99. (crédit a : modification du travail par le ministère de l'Énergie ; crédit b : modification du travail par « MBq » /Wikimedia Commons)
    La première image montre une main qui verse un liquide provenant d'un cylindre de mesure dans une colonne maintenue par une pince. Sous la colonne se trouve un tube de verre. La deuxième image montre des points rouges sur fond sombre dispersés un peu partout avec quatre points de régions fortement concentrées.

    Les radio-isotopes peuvent également être utilisés, généralement à des doses plus élevées que comme traceur, comme traitement. La radiothérapie consiste à utiliser des rayonnements à haute énergie pour endommager l'ADN des cellules cancéreuses, ce qui les tue ou les empêche de se diviser (Figure\(\PageIndex{3}\)). Un patient atteint d'un cancer peut recevoir une radiothérapie externe administrée par un appareil à l'extérieur du corps, ou une radiothérapie interne (brachythérapie) à partir d'une substance radioactive introduite dans le corps. Il convient de noter que la chimiothérapie est similaire à la radiothérapie interne en ce sens que le traitement anticancéreux est injecté dans le corps, mais diffère en ce sens que la chimiothérapie utilise des substances chimiques plutôt que radioactives pour tuer les cellules cancéreuses.

    Figure\(\PageIndex{3}\) : Le dessin animé en (a) montre une machine au cobalt 60 utilisée dans le traitement du cancer. Le schéma en (b) montre comment le portique de la machine Co-60 oscille sur un arc, focalisant le rayonnement sur la région ciblée (tumeur) et minimisant la quantité de rayonnement qui traverse les régions voisines.
    R. Une femme s'allonge alors qu'elle entre dans une machine médicale en forme de dôme. B. Une observation plus approfondie de la tête de la femme montre que les rayons gamma émis par le cobalt radioactif attaquent la cible sur la tête de la femme.

    Le cobalt-60 est un radio-isotope synthétique produit par l'activation neutronique du Co-59, qui subit ensuite une désintégration β pour former du Ni-60, en même temps que l'émission de rayonnement γ. Le processus global est le suivant :

    \[\ce{^{59}_{27}Co + ^1_0n⟶ ^{60}_{27}Co⟶ ^{60}_{28}Ni + ^0_{−1}β + 2^0_0γ} \nonumber \]

    Le schéma de désintégration global pour cela est illustré graphiquement sur la figure\(\PageIndex{4}\).

    Figure\(\PageIndex{4}\) : Le Co-60 subit une série de désintégrations radioactives. Les émissions γ sont utilisées pour la radiothérapie.

    Les radio-isotopes sont utilisés de diverses manières pour étudier les mécanismes des réactions chimiques chez les plantes et les animaux. Il s'agit notamment de l'étiquetage des engrais dans le cadre d'études sur l'absorption des nutriments par les plantes et la croissance des cultures, d'études sur les processus digestifs et de production de lait chez les vaches et d'études sur la croissance et le métabolisme des animaux et des plantes

    Par exemple, le radio-isotope C-14 a été utilisé pour élucider les détails de la photosynthèse. La réaction globale est la suivante :

    \[\ce{6CO2}(g)+\ce{6H2O}(l)⟶\ce{C6H12O6}(s)+\ce{6O2}(g), \nonumber \]

    mais le processus est beaucoup plus complexe et comporte une série d'étapes au cours desquelles divers composés organiques sont produits. Lors d'études sur la voie de cette réaction, les plantes ont été exposées à du CO 2 contenant une forte concentration de\(\ce{^{14}_6C}\). À intervalles réguliers, les plantes ont été analysées pour déterminer quels composés organiques contenaient du carbone 14 et quelle quantité de chaque composé était présente. À partir de la séquence temporelle dans laquelle les composés sont apparus et de la quantité de chacun d'entre eux présents à des intervalles de temps donnés, les scientifiques en ont appris davantage sur la voie de la réaction.

    Les applications commerciales des matières radioactives sont également diverses (Figure\(\PageIndex{5}\)). Il s'agit notamment de déterminer l'épaisseur des films et des tôles minces en exploitant le pouvoir de pénétration de différents types de rayonnements. Les défauts des métaux utilisés à des fins structurales peuvent être détectés à l'aide de rayons gamma à haute énergie émis par le cobalt 60, de la même manière que les rayons X sont utilisés pour examiner le corps humain. Dans le cadre d'une forme de lutte antiparasitaire, les mouches sont contrôlées en stérilisant les mouches mâles au rayonnement γ afin que les femelles qui se reproduisent avec elles ne produisent pas de progéniture. De nombreux aliments sont préservés par des radiations qui tuent les microorganismes responsables de leur détérioration.

    Figure\(\PageIndex{5}\) : Les utilisations commerciales courantes des rayonnements incluent (a) l'examen radiographique des bagages dans un aéroport et (b) la conservation des aliments. (crédit a : modification des travaux par le ministère de la Marine ; crédit b : modification des travaux par le ministère américain de l'Agriculture)
    R. Un homme observe un moniteur qui montre la radiographie des bagages. B. De nombreuses pommes sur des courroies de transformation.

    L'américium-241, un émetteur α dont la demi-vie est de 458 ans, est utilisé en petites quantités dans les détecteurs de fumée à ionisation (Figure\(\PageIndex{6}\)). Les émissions α de l'Am-241 ionisent l'air entre deux plaques d'électrodes dans la chambre d'ionisation. Une batterie fournit un potentiel qui provoque le mouvement des ions, créant ainsi un faible courant électrique. Lorsque de la fumée pénètre dans la chambre, le mouvement des ions est entravé, ce qui réduit la conductivité de l'air. Cela provoque une baisse marquée du courant, déclenchant une alarme.

    Figure\(\PageIndex{6}\) : À l'intérieur d'un détecteur de fumée, l'Am-241 émet des particules α qui ionisent l'air, créant ainsi un petit courant électrique. Lors d'un incendie, les particules de fumée entravent la circulation des ions, réduisant ainsi le courant et déclenchant une alarme. (crédit a : modification de l'œuvre par « Muffet » /Wikimedia Commons)
    L'intérieur d'un détecteur de fumée est représenté avec l'alarme et la chambre d'ionisation étiquetées. Sur la photo ci-contre, un schéma montre les mécanismes d'un détecteur de fumée. Les deux plaques de métaux de charge opposée du détecteur sont représentées ainsi que la source d'américium sur la partie inférieure émettant des particules alpha. Le schéma est divisé en deux parties, l'une pour montrer la présence et l'autre pour montrer l'absence de fumée.

    Résumé

    Les composés appelés traceurs radioactifs peuvent être utilisés pour suivre les réactions, suivre la distribution d'une substance, diagnostiquer et traiter des affections médicales, et bien plus encore. D'autres substances radioactives sont utiles pour lutter contre les parasites, visualiser les structures, émettre des avertissements d'incendie et pour de nombreuses autres applications. Des centaines de millions de tests et de procédures de médecine nucléaire, utilisant une grande variété de radio-isotopes ayant des demi-vies relativement courtes, sont effectués chaque année aux États-Unis. La plupart de ces radio-isotopes ont des demi-vies relativement courtes ; certaines sont suffisamment courtes pour que le radio-isotope doive être fabriqué sur place dans des installations médicales. La radiothérapie utilise des radiations à haute énergie pour tuer les cellules cancéreuses en endommageant leur ADN. Le rayonnement utilisé pour ce traitement peut être administré de manière externe ou interne.

    Lexique

    chimiothérapie
    similaire à la radiothérapie interne, mais des substances chimiques plutôt que radioactives sont introduites dans l'organisme pour tuer les cellules cancéreuses
    radiothérapie externe
    rayonnement émis par une machine à l'extérieur du corps
    radiothérapie interne
    (également, brachythérapie) rayonnement émis par une substance radioactive introduite dans l'organisme pour tuer les cellules cancéreuses
    radiothérapie
    utilisation de rayonnements à haute énergie pour endommager l'ADN des cellules cancéreuses, ce qui les tue ou les empêche de se diviser
    traceur radioactif
    (également, étiquette radioactive) radio-isotope utilisé pour suivre ou suivre une substance en surveillant ses émissions radioactives