21.6: Usos de radioisótopos

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• 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 radioimunoensaios (RIA), por exemplo, dependem de radioisótopos para detectar a presença e/ou concentração de certos antígenos. Desenvolvida por Rosalyn Sussman Yalow e Solomon Berson na década de 1950, a técnica é conhecida pela extrema sensibilidade, o que significa que ela pode detectar e medir quantidades muito pequenas de uma substância. Antes de sua descoberta, a maioria das detecções similares dependia de quantidades grandes o suficiente para produzir resultados visíveis. A RIA revolucionou e expandiu campos inteiros de estudo, principalmente a endocrinologia, e é comumente usada na detecção de narcóticos, exames de bancos de sangue, rastreamento precoce do câncer, medição de hormônios e diagnóstico de alergias. Com base em sua contribuição significativa à medicina, Yalow recebeu o Prêmio Nobel, tornando-a a segunda mulher a receber o prêmio de medicina.

Os radioisótopos revolucionaram a prática médica (veja o Apêndice M), 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 o tecnécio-99 $({}_{43}^{99}\text{Tc})$, tálio-201 $({}_{81}^{201}\text{Tl})$, iodo-131 $({}_{53}^{131}\text{EU})$e sódio-24 $({}_{11}^{24}\text{Na})$ . 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 21.24) 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 21.24 A administração de tálio-201 a um paciente e, posteriormente, a realização de 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 21.25). O nuclídeo original Mo-99 faz parte de um íon molibdato,${\text{MoO}}_4{}^{\mathrm{2-}};$quando decai, forma o íon pertecnetato,${\text{TCo}}_4{}^{\text{−}}.$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 21.25 (a) O primeiro gerador TC-99m (por volta de 1958) é usado para separar o Tc-99 do Mo-99. O${\text{MoO}}_4{}^{\mathrm{2-}}$é retido pela matriz na coluna, enquanto o${\text{TCo}}_4{}^{\text{−}}$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 21.26). 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 21.26 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:

$${}_{27}^{59}\text{Co}+{}_0^1\text{n}⟶{}_{27}^{60}\text{Co}⟶{}_{28}^{60}\text{Ni}+{}_{\mathrm{-1}}^0\text{β}+2{}_0^0\text{γ}$$

O esquema geral de decaimento para isso é mostrado graficamente na Figura 21.27.

Figura 21.27 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:

$${\text{6CO}}_2(g)+{\text{6H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6(s)+{\text{6O}}_2(g),$$

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${}_6^{14}\text{C}$. 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 21.28). 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 21.28 Os usos comerciais comuns da radiação incluem (a) exame radiográfico 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 21.29). 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 21.29 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)