21.5: Usos de radioisótopos

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Objetivos de

Listar aplicações comuns de isótopos radioativos

Os isótopos radioativos têm as mesmas propriedades químicas dos isótopos estáveis do mesmo elemento, mas emitem radiação, que pode ser detectada. Se substituirmos um (ou mais) átomos por radioisótopos em um composto, poderemos rastreá-los monitorando suas emissões radioativas. Esse tipo de composto é chamado de traçador radioativo (ou rótulo radioativo). Os radioisótopos são usados para seguir os caminhos das reações bioquímicas ou para determinar como uma substância é distribuída dentro de um organismo. Os traçadores radioativos também são usados em muitas aplicações médicas, incluindo diagnóstico e tratamento. Eles são usados para medir o desgaste do motor, analisar a formação geológica em torno de poços de petróleo e muito mais.

Os radioisótopos revolucionaram a prática médica, onde são usados extensivamente. Mais de 10 milhões de procedimentos de medicina nuclear e mais de 100 milhões de testes de medicina nuclear são realizados anualmente nos Estados Unidos. Quatro exemplos típicos de traçadores radioativos usados na medicina são tecnécio-99\(\ce{(^{99}_{43}Tc)}\), tálio-201\(\ce{(^{201}_{81}Tl)}\), iodo-131\(\ce{(^{131}_{53}I)}\) e sódio-24\(\ce{(^{24}_{11}Na)}\). Tecidos danificados no coração, fígado e pulmões absorvem preferencialmente certos compostos de tecnécio-99. Depois de injetado, a localização do composto de tecnécio e, portanto, do tecido danificado, pode ser determinada pela detecção dos raios γ emitidos pelo isótopo Tc-99. O tálio-201 (Figura\(\PageIndex{1}\)) se concentra no tecido cardíaco saudável, então os dois isótopos, Tc-99 e Tl-201, são usados juntos para estudar o tecido cardíaco. O iodo-131 concentra-se na glândula tireoidea, no fígado e em algumas partes do cérebro. Portanto, pode ser usado para monitorar o bócio e tratar doenças da tireoide, como a doença de Grave, bem como tumores hepáticos e cerebrais. Soluções salinas contendo compostos de sódio-24 são injetadas na corrente sanguínea para ajudar a localizar obstruções no fluxo sanguíneo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Administrar tálio-201 a um paciente e, posteriormente, realizar um teste de estresse oferece aos profissionais médicos a oportunidade de analisar visualmente a função cardíaca e o fluxo sanguíneo. (crédito: modificação do trabalho de “Blue0ctane” /Wikimedia Commons)

Os radioisótopos usados na medicina geralmente têm meia-vida curta - por exemplo, o onipresente TC-99m tem meia-vida de 6,01 horas. Isso torna o TC-99m essencialmente impossível de armazenar e proibitivamente caro de transportar, por isso, ele é feito no local. Hospitais e outras instalações médicas usam o Mo-99 (que é extraído principalmente dos produtos de fissão U-235) para gerar o Tc-99. Mo-99 sofre decaimento β com meia-vida de 66 horas, e o Tc-99 é então extraído quimicamente (Figura\(\PageIndex{2}\)). O nuclídeo original Mo-99 faz parte de um íon molibdato,\(\ce{MoO4^2-}\); quando decai, forma o íon pertecnetato,\(\ce{TcO4-}\). Esses dois íons solúveis em água são separados por cromatografia em coluna, com o íon molibdato de maior carga adsorvendo na alumina na coluna, e o íon pertecnetato de carga mais baixa passando pela coluna na solução. Alguns microgramas de Mo-99 podem produzir Tc-99 suficiente para realizar até 10.000 testes.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) O primeiro gerador TC-99m (por volta de 1958) é usado para separar o Tc-99 do Mo-99. O \(\ce{MoO4^2-}\)é retido pela matriz na coluna, enquanto o *\(\ce{TcO4-}\)*passa e é coletado. (b) O Tc-99 foi usado nesta tomografia do pescoço de um paciente com doença de Grave. A varredura mostra a localização de altas concentrações de Tc-99. (crédito a: modificação do trabalho pelo Departamento de Energia; crédito b: modificação do trabalho pelo “MBq” /Wikimedia Commons)

Os radioisótopos também podem ser usados, normalmente em doses mais altas do que como traçador, como tratamento. A radioterapia é o uso de radiação de alta energia para danificar o DNA das células cancerosas, o que as mata ou impede que se dividam (Figura\(\PageIndex{3}\)). Um paciente com câncer pode receber radioterapia de feixe externo fornecida por uma máquina fora do corpo ou radioterapia interna (braquiterapia) de uma substância radioativa que foi introduzida no corpo. Observe que a quimioterapia é semelhante à radioterapia interna, pois o tratamento do câncer é injetado no corpo, mas difere porque a quimioterapia usa substâncias químicas em vez de substâncias radioativas para matar as células cancerosas.

Figura\(\PageIndex{3}\): O desenho animado em (a) mostra uma máquina de cobalto-60 usada no tratamento do câncer. O diagrama em (b) mostra como o pórtico da máquina Co-60 oscila através de um arco, focando a radiação na região alvo (tumor) e minimizando a quantidade de radiação que passa pelas regiões próximas.

O cobalto-60 é um radioisótopo sintético produzido pela ativação de nêutrons do Co-59, que então sofre decaimento β para formar o Ni-60, junto com a emissão de radiação γ. O processo geral é:

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

O esquema geral de decaimento para isso é mostrado graficamente na Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): O Co-60 sofre uma série de decaimentos radioativos. As emissões γ são usadas para radioterapia.

Os radioisótopos são usados de diversas maneiras para estudar os mecanismos das reações químicas em plantas e animais. Isso inclui a rotulagem de fertilizantes em estudos de absorção de nutrientes pelas plantas e o crescimento das culturas, investigações dos processos digestivos e de produção de leite em vacas e estudos sobre o crescimento e metabolismo de animais e plantas.

Por exemplo, o radioisótopo C-14 foi usado para elucidar os detalhes de como a fotossíntese ocorre. A reação geral é:

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

mas o processo é muito mais complexo, passando por uma série de etapas nas quais vários compostos orgânicos são produzidos. Em estudos da via dessa reação, as plantas foram expostas ao CO ₂ contendo uma alta concentração de\(\ce{^{14}_6C}\). Em intervalos regulares, as plantas foram analisadas para determinar quais compostos orgânicos continham carbono-14 e quanto de cada composto estava presente. A partir da sequência temporal em que os compostos apareceram e da quantidade de cada presente em determinados intervalos de tempo, os cientistas aprenderam mais sobre o caminho da reação.

As aplicações comerciais de materiais radioativos são igualmente diversas (Figura\(\PageIndex{5}\)). Eles incluem a determinação da espessura de filmes e chapas finas de metal, explorando o poder de penetração de vários tipos de radiação. Falhas nos metais usados para fins estruturais podem ser detectadas usando raios gama de alta energia do cobalto-60 de uma forma semelhante à forma como os raios X são usados para examinar o corpo humano. Em uma forma de controle de pragas, as moscas são controladas esterilizando moscas machos com radiação γ para que as fêmeas que se reproduzem com elas não produzam filhotes. Muitos alimentos são preservados por radiação que mata microorganismos que fazem com que os alimentos se estraguem.

Figura\(\PageIndex{5}\): Os usos comerciais comuns da radiação incluem (a) exame de raio-X da bagagem em um aeroporto e (b) preservação de alimentos. (crédito a: modificação do trabalho pelo Departamento da Marinha; crédito b: modificação do trabalho pelo Departamento de Agricultura dos EUA)

O Americium-241, um emissor α com meia-vida de 458 anos, é usado em pequenas quantidades em detectores de fumaça do tipo ionização (Figura\(\PageIndex{6}\)). As emissões α do Am-241 ionizam o ar entre duas placas de eletrodo na câmara ionizante. Uma bateria fornece um potencial que causa o movimento dos íons, criando assim uma pequena corrente elétrica. Quando a fumaça entra na câmara, o movimento dos íons é impedido, reduzindo a condutividade do ar. Isso causa uma queda acentuada na corrente, acionando um alarme.

Figura\(\PageIndex{6}\): Dentro de um detector de fumaça, o Am-241 emite partículas α que ionizam o ar, criando uma pequena corrente elétrica. Durante um incêndio, partículas de fumaça impedem o fluxo de íons, reduzindo a corrente e acionando um alarme. (crédito a: modificação do trabalho de “Muffet” /Wikimedia Commons)

Resumo

Compostos conhecidos como traçadores radioativos podem ser usados para acompanhar reações, rastrear a distribuição de uma substância, diagnosticar e tratar condições médicas e muito mais. Outras substâncias radioativas são úteis para controlar pragas, visualizar estruturas, fornecer avisos de incêndio e para muitas outras aplicações. Centenas de milhões de testes e procedimentos de medicina nuclear, usando uma grande variedade de radioisótopos com meia-vida relativamente curta, são realizados todos os anos nos EUA. A maioria desses radioisótopos tem meia-vida relativamente curta; alguns são curtos o suficiente para que o radioisótopo deva ser fabricado no local em instalações médicas. A radioterapia usa radiação de alta energia para matar células cancerosas, danificando seu DNA. A radiação usada para esse tratamento pode ser fornecida externa ou internamente.

Glossário

quimioterapia: semelhante à radioterapia interna, mas substâncias químicas em vez de radioativas são introduzidas no corpo para matar as células cancerosas

radioterapia de feixe externo: radiação fornecida por uma máquina fora do corpo

radioterapia interna: (também, braquiterapia) radiação de uma substância radioativa introduzida no corpo para matar células cancerosas

terapia de radiação: uso de radiação de alta energia para danificar o DNA das células cancerosas, o que as mata ou impede que se dividam

traçador radioativo: (também, rótulo radioativo) radioisótopo usado para rastrear ou seguir uma substância monitorando suas emissões radioativas