21.5: Usos de los Radioisótopos

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Objetivos de aprendizaje

Enumerar aplicaciones comunes de isótopos radiactivos

Los isótopos radiactivos tienen las mismas propiedades químicas que los isótopos estables del mismo elemento, pero emiten radiación, la cual puede ser detectada. Si reemplazamos uno (o más) átomo (s) por radioisótopo (s) en un compuesto, podemos rastrearlos monitoreando sus emisiones radiactivas. Este tipo de compuesto se llama trazador radiactivo (o marcador radiactivo). Los radioisótopos se utilizan para seguir los caminos de las reacciones bioquímicas o para determinar cómo se distribuye una sustancia dentro de un organismo. Los trazadores radiactivos también se utilizan en muchas aplicaciones médicas, incluyendo tanto el diagnóstico como el tratamiento. Se utilizan para medir el desgaste del motor, analizar la formación geológica alrededor de los pozos petroleros y mucho más.

Los radioisótopos han revolucionado la práctica médica, donde se utilizan ampliamente. Más de 10 millones de procedimientos de medicina nuclear y más de 100 millones de pruebas de medicina nuclear se realizan anualmente en Estados Unidos. Cuatro ejemplos típicos de trazadores radiactivos utilizados en medicina son tecnecio-99\(\ce{(^{99}_{43}Tc)}\), talio-201\(\ce{(^{201}_{81}Tl)}\), yodo-131\(\ce{(^{131}_{53}I)}\) y sodio-24\(\ce{(^{24}_{11}Na)}\). Los tejidos dañados en el corazón, el hígado y los pulmones absorben preferentemente ciertos compuestos del tecnecio-99. Después de inyectarlo, se puede determinar la ubicación del compuesto de tecnecio, y por lo tanto del tejido dañado, detectando los rayos γ emitidos por el isótopo Tc-99. El talio-201 (Figura\(\PageIndex{1}\)) se concentra en el tejido cardíaco sano, por lo que los dos isótopos, Tc-99 y Tl-201, se utilizan juntos para estudiar el tejido cardíaco. El yodo-131 se concentra en la glándula tiroides, el hígado y algunas partes del cerebro. Por lo tanto, se puede utilizar para monitorear el bocio y tratar afecciones tiroideas, como la enfermedad de Grave, así como tumores hepáticos y cerebrales. Las soluciones salinas que contienen compuestos de sodio-24 se inyectan en el torrente sanguíneo para ayudar a localizar obstrucciones al flujo sanguíneo.

Figura\(\PageIndex{1}\): La administración de talio-201 a un paciente y posteriormente la realización de una prueba de esfuerzo ofrecen a los profesionales médicos la oportunidad de analizar visualmente la función cardíaca y el flujo sanguíneo. (crédito: modificación de obra por “Blue0ctane” /Wikimedia Commons)

Los radioisótopos utilizados en medicina suelen tener semividas cortas, por ejemplo, el omnipresente Tc-99m tiene una vida media de 6.01 horas. Esto hace que el Tc-99m sea esencialmente imposible de almacenar y prohibitivamente costoso de transportar, por lo que se hace in situ en su lugar. Los hospitales y otras instalaciones médicas utilizan Mo-99 (que se extrae principalmente de productos de fisión U-235) para generar Tc-99. Mo-99 sufre decaimiento β con una vida media de 66 horas, y luego se extrae químicamente el Tc-99 (Figura\(\PageIndex{2}\)). El nucleido parental Mo-99 es parte de un ion molibdato,\(\ce{MoO4^2-}\); cuando se descompone, forma el ion pertecnetato,\(\ce{TcO4-}\). Estos dos iones solubles en agua se separan por cromatografía en columna, con el ion molibdato de mayor carga adsorbiéndose sobre la alúmina en la columna, y el ion pertecnetato de menor carga pasando a través de la columna en la solución. Unos microgramos de Mo-99 pueden producir suficiente Tc-99 para realizar hasta 10,000 pruebas.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) El primer generador Tc-99m (circa 1958) se utiliza para separar Tc-99 de Mo-99. El \(\ce{MoO4^2-}\)es retenido por la matriz en la columna, mientras que el *\(\ce{TcO4-}\)*pasa a través y se recoge. (b) Se utilizó Tc-99 en esta gammagrafía del cuello de una paciente con enfermedad de Grave. El escaneo muestra la ubicación de altas concentraciones de Tc-99. (crédito a: modificación de obra por parte del Departamento de Energía; crédito b: modificación de obra por “MBq” /Wikimedia Commons)

También se pueden usar radioisótopos, típicamente en dosis más altas que como trazador, como tratamiento. La radioterapia es el uso de radiación de alta energía para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o evita que se dividan (Figura\(\PageIndex{3}\)). Un paciente con cáncer puede recibir radioterapia de haz externo entregada por una máquina fuera del cuerpo, o radioterapia interna (braquiterapia) de una sustancia radiactiva que se ha introducido en el cuerpo. Tenga en cuenta que la quimioterapia es similar a la radioterapia interna en que el tratamiento del cáncer se inyecta en el cuerpo, pero difiere en que la quimioterapia utiliza sustancias químicas en lugar de radiactivas para matar las células cancerosas.

Figura\(\PageIndex{3}\): La caricatura en (a) muestra una máquina de cobalto-60 utilizada en el tratamiento del cáncer. El diagrama en (b) muestra cómo el pórtico de la máquina Co-60 se balancea a través de un arco, enfocando la radiación en la región objetivo (tumor) y minimizando la cantidad de radiación que pasa a través de regiones cercanas.

El cobalto-60 es un radioisótopo sintético producido por la activación de neutrones de Co-59, que luego sufre una desintegración β para formar Ni-60, junto con la emisión de radiación γ. El proceso general es:

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

El esquema de decaimiento general para esto se muestra gráficamente en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): Co-60 sufre una serie de desintegraciones radiactivas. Las emisiones γ se utilizan para la radioterapia.

Los radioisótopos se utilizan de diversas maneras para estudiar los mecanismos de las reacciones químicas en plantas y animales. Estos incluyen el etiquetado de fertilizantes en estudios de absorción de nutrientes por plantas y crecimiento de cultivos, investigaciones de procesos digestivos y productores de leche en vacas, y estudios sobre el crecimiento y metabolismo de animales y plantas.

Por ejemplo, se utilizó el radioisótopo C-14 para dilucidar los detalles de cómo ocurre la fotosíntesis. La reacción general es:

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

pero el proceso es mucho más complejo, procediendo a través de una serie de etapas en las que se producen diversos compuestos orgánicos. En estudios de la vía de esta reacción, las plantas se expusieron a CO ₂ conteniendo una alta concentración de\(\ce{^{14}_6C}\). A intervalos regulares, se analizaron las plantas para determinar qué compuestos orgánicos contenían carbono-14 y qué cantidad de cada compuesto estaba presente. A partir de la secuencia de tiempo en la que aparecieron los compuestos y la cantidad de cada presente en intervalos de tiempo dados, los científicos aprendieron más sobre la vía de la reacción.

Las aplicaciones comerciales de materiales radiactivos son igualmente diversas (Figura\(\PageIndex{5}\)). Incluyen determinar el espesor de películas y láminas metálicas delgadas mediante la explotación del poder de penetración de diversos tipos de radiación. Los defectos en los metales utilizados con fines estructurales se pueden detectar utilizando rayos gamma de alta energía del cobalto-60 de una manera similar a la forma en que se utilizan los rayos X para examinar el cuerpo humano. En una forma de control de plagas, las moscas son controladas esterilizando moscas macho con radiación γ para que las hembras que se reproducen con ellas no produzcan descendencia. Muchos alimentos se conservan por radiación que mata los microorganismos que hacen que los alimentos se echen a perder.

Figura\(\PageIndex{5}\): Los usos comerciales comunes de la radiación incluyen (a) examen de rayos X del equipaje en un aeropuerto y (b) conservación de alimentos. (crédito a: modificación de obra por parte del Departamento de Marina; crédito b: modificación de obra por parte del Departamento de Agricultura de Estados Unidos)

Americio-241, un emisor α con una vida media de 458 años, se utiliza en pequeñas cantidades en los detectores de humo de tipo ionización (Figura\(\PageIndex{6}\)). Las emisiones α de Am-241 ionizan el aire entre dos placas de electrodo en la cámara ionizante. Una batería suministra un potencial que provoca el movimiento de los iones, creando así una pequeña corriente eléctrica. Cuando el humo ingresa a la cámara, se impide el movimiento de los iones, reduciendo la conductividad del aire. Esto provoca una marcada caída en la corriente, activando una alarma.

Figura\(\PageIndex{6}\): Dentro de un detector de humo, Am-241 emite partículas α que ionizan el aire, creando una pequeña corriente eléctrica. Durante un incendio, las partículas de humo impiden el flujo de iones, reduciendo la corriente y activando una alarma. (crédito a: modificación de obra por “Muffet” /Wikimedia Commons)

Resumen

Los compuestos conocidos como trazadores radiactivos pueden usarse para seguir reacciones, rastrear la distribución de una sustancia, diagnosticar y tratar afecciones médicas, y mucho más. Otras sustancias radiactivas son útiles para controlar plagas, visualizar estructuras, proporcionar advertencias de incendio y para muchas otras aplicaciones. Cientos de millones de pruebas y procedimientos de medicina nuclear, utilizando una amplia variedad de radioisótopos con vidas medias relativamente cortas, se realizan cada año en Estados Unidos. La mayoría de estos radioisótopos tienen vidas medias relativamente cortas; algunos son lo suficientemente cortos como para que el radioisótopo se haga in situ en instalaciones médicas. La radioterapia utiliza radiación de alta energía para matar las células cancerosas al dañar su ADN. La radiación utilizada para este tratamiento puede ser entregada externa o internamente.

Glosario

quimioterapia: similar a la radioterapia interna, pero se introducen sustancias químicas en lugar de radiactivas en el cuerpo para matar las células cancerosas

radioterapia de haz externo: radiación entregada por una máquina fuera del cuerpo

radioterapia interna: (también, braquiterapia) radiación de una sustancia radiactiva introducida en el cuerpo para matar las células cancerosas

radioterapia: uso de radiación de alta energía para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o evita que se dividan

trazador radiactivo: (también, etiqueta radiactiva) radioisótopo utilizado para rastrear o seguir una sustancia mediante el monitoreo de sus emisiones radiactivas