LOS ISOTOPOS RADIACTIVOS Y SUS APLICACIONES EN EL SECTOR INDUSTRIAL, MEDICO Y AGROALIMENTARIO M. Magdalena Gálvez Morros Prf. Titular de Química Analítica de la U.C.M.

CTIF Madrid-Sur. TºAv. de la Mancha, 2, 2ª planta.28915 Leganés

OBJETIVOS

1º- Recordar algunas ideas generales sobre la radiactividad y los isótopos radiactivos 2º-Ofrecer una visión generalizada de algunas de las muchas ventajas que la humanidad obtiene con ellos, además de la producción de energía

La radiactividad y los isótopos radiactivos existen desde que se formó nuestro mundo forman parte de la naturaleza y de la vida del hombre, y han precedido a este en su aparición sobre la tierra

Todo en nuestro mundo contiene pequeñas cantidades de isótopos radiactivos

• Músculos contienen K-40 y C-14 • Los huesos Ra-226 y K-40 • Los pulmones Rn-222

El hombre ha convivido con ellos y la radiactividad que emiten desde su aparición sobre la tierra y con mayores dosis que ahora, ya que la radiactividad natural va disminuyendo con el tiempo • Resulta paradójico que sea precisamente en el siglo XX, cuando se ha conseguido por fin, controlarla y usarla para nuestro beneficio, cuando se ha desarrollado un sentimiento colectivo de rechazo hacia la radiactividad y sus aplicaciones

LA RADIACTIVIDAD Es sinónimo de: • • • •

Cáncer. Malformaciones. Peligros desconocidos. Y es que.... LA RADIACTIVIDAD ES LA GRAN DESCONOCIDA DE LA CIENCIA

En 1896 Henri Becquerel descubre la radiactividad

De forma casual. Estaba investigando sobre el Sulfato doble de uranio y potasio

• Madame Curie consigue aislar el primer isótopo radiactivo natural

• EL RADIO • El POLONIO

M. CURIE no sintetiza nada nuevo, el uranio radiactivo y la radiactividad que emitía estaba ahí Y puesto que, sin que podamos evitarlo forma parte de nuestro mundo, Es importante conocerla y aprovecharla

LA RADIACTIVIDAD NATURAL se originó hace 5.000 millones de años cuando tuvo lugar con el big-bang el origen de nuestro mundo. Se formaron entonces los elementos químicos y sus isótopos, unos con configuración estable y otros inestable.

El que un átomo sea estable ó no depende exclusivamente de La relación Neutrones/Protones de su núcleo Para átomos pequeños, carbono por ej.:

Neutrones/Protones =1

Existen en la naturaleza 3 C ( nº atómico= 6) con diferente nº másico 12 C 6

13 C 6

14 C 6

C-12

C-13

C-14

ESTABLE

INESTABLES

•Para elementos con mas pesados, con mas protones esta relación deberá ser mayor que 1 Cuanto más se aleje, por exceso ó por defecto el número de neutrones del núcleo, de esta relación ideal, tanto más intensa será la tensión interna del átomo

RESULTARÁ ASÍ UN ISOTOPO INESTABLE O RADIACTIVO

Los isótopos inestables, para tratar para disminuir su tensión interna y recuperar la forma estable provocan una liberación de energía en forma de radiaciones,

Las radiaciones que emiten los átomos inestables pueden ser del tipo α β γ α (+) Núcleos con 2 protones y 2 neutrones β (-)

Electrones

γ Energía electromagnética

DIAGRAMA SECUENCIAL DE LA DESINTEGRACIÓN DE UN RADIONUCLEIDO Radionucleido

Radiaciones α, β , γ , n Energía

átomo más pequeño

0 tiempo

∞

tiempo Nucleido hijo

desintegración

estable

A esta emisión se le llama

RADIACTIVIDAD

y a los átomos inestables que la emiten

ISÓTOPOS RADIACTIVOS RADIONUCLEIDOS

La radiactividad emitida por una muestra radiactiva desaparecerá cuando todos sus átomos, por emisión de estas radiaciones, se hayan trasformado en otros estables.

El tiempo que un átomo radiactivo tarda en llegar a ser estable es diferente en cada uno, En unos como el uranio se necesitan miles de millones de años, Otros tienen una vida media de solo unas horas.

Vida media o Periodo de semidesintegración el tiempo necesario para que el nº de átomos radiactivos iniciales se reduzca a la mitad.

Muchos de los isótopos radiactivos que se formaron en el Big-Bang, han ido decayendo en su radiactividad y han llegado ya con forma estable a nuestros días

Pero aquellos como el Uranio-238 con una vida media superior a la edad de la tierra (4.500 millones de años) se mantienen aún radiactivos

Estos isótopos al desintegrarse y transformarse en otros más pequeños causan la RADIACTIVIDAD NATURAL U -238 = 4.47 . 109 años U-235= 7.1 . 108 años Th-232 = 232 . 108 años

Estos radionucleidos primordiales son los cabezas de las series radiactivas y hasta 1934 todos los isótopos que se utilizaban eran miembros de estas series

• Ra-226 con el que se inició el tratamiento de tumores cancerosos, (Radioterapia) Radón-222 único nucleido gaseoso de la serie

Plomo-206 estable

Unidades de medida La radiactividad puede medirse :

En función de la actividad emitida por la sustancia radiactiva emisora (Nº de núcleos inestables que se trasforma por sg.)

Curio, Becquerelio

En función de la dosis absorbida por el foco receptor.

Grays

La primera unidad que se adoptó de

ACTIVIDAD EMITIDA

Curio = La radiactividad emitida por un gramo de Radio en un segundo.

(S.I) Becquerelio = La radiactividad emitida por un átomo. que produzca una desintegración por segundo.

1Curio = 37 .109 Becquerelios

UNIDADES DE DOSIS ABSORBIDA Cuando la radiación llega a un objeto ó un ser vivo, este, absorberá solo una parte, que dependerá de: - - La distancia que le separe de la fuente radiactiva -- Del tiempo de exposición a la radiación --

La densidad y el espesor

A la energía absorbida por unidad de masa se le llama Dosis de irradiación y se medirá en unidades de Energía 1 Gray

= 1 julio/K

Anteriormente se usaba el RAD (Radiation Absorbed Dose) 1 Gray = 100 RAD

Si la radiación afecta al hombre la dosis de radiación absorbida se mide en SIEVERTS, en esta unidad se tiene en cuenta no solo la energía recibida sino también si la radiación es de tipo α β ó ganma y el tipo de células a las que afecta

1 Gray = 1 Sievert . Q ; Q= 1, Si la radiación es de tipo χ Q= 20, Si la radiación es de tipo α

1 Sv = 100 REM

Actividad de la radiación emitida

Dosis de radiación absorbida

Gray Becquerelio MBq,G Bq

Sievert, mSv

Una carretilla de tierra contiene 1.000 Bq

REM

RAD

F. naturales ..............3-5 mSv/año...................90 % F. medicas....................0,4 mSv/año...................8 % Otras fuentes................0,1 mSv/año........menos 1%

DOSIS MÁXIMAS ADMITIDAS POR LA LEGISLACIÓN • Personal profesional: 30 mSv /año 0,6 mSv / semana 0,015 mSv / hora • Público en general : 3 mSv /año 0,06 mSv / semana 0,0015 mSv / hora

DOSIS LETAL MEDIA ( radiación gamma )γ • Personas .......................... ( 4.000 mSv) • Para insectos ................... 100Gy • Microorganismos... .......( 7-10 KGy))

LA RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL: FORMAS DE PRODUCIRLA

La radiactividad natural proviene de los isótopos radioactivos naturales • Si podemos crear un isótopo radiactivo seremos capaces de producir radiación artificial

Hasta la primera mitad del siglo XX se utilizaron los isótopos radiactivos naturales

En la segunda mitad del siglo XX EL hombre fué capaz de fabricar isótopos radiactivos artificiales para usarlos a su conveniencia

• 1934- El matrimonio Joliot- Curie observa

que al interceptar un haz de rayos α de una fuente de Po-210, con una hoja de Al esta se volvía radiactiva y decaía con un periodo de 3,25 minutos (Nobel en 1935)

• 1935- Enrico Fermi

descubre como fabricar los primeros Isótopos Radiactivos artificiales bombardeando átomos estables con neutrones. (Nobel en 1938)

Para trasformar un átomo estable en un I. R habrá que modificar la relación n/ p de su núcleo. (ciclotrón)

Veamos, por ejemplo, como se fabrica el Co-60 El isótopo más empleado como fuente de radiaciones

Cobalto-59 estable

27 protones (+) 32 neutrones 59 nº nº másico

Cobalto-60 radiactivo 27 protones (+) 33 neutrones 60 nº nº másico

Las radiaciones que emiten los átomos inestables pueden ser del tipo α β γ

α (+) β (-)

γ

Electrones

Reactor nuclear Candu, de la empresa Nordion donde se trasforma el Co-59 en Co-60

Se puede crear radiactividad sintetizando isótopos radiactivos que al desintegrarse emitirán radiaciones radiactivas

Las radiaciones que emiten los átomos inestables pueden ser del tipo α β γ

α (+) β (-)

γ

Electrones

Como una de las emisiones radiactivas son electrones acelerados, si somos capaces de acelerar electrones Produciremos radiactividad ACELERADORES DE ELECTRONES

SEMINARIO SOBRE OTRAS APLICACIONES NUCLEARES

USOS AGROALIMENTARIOS

β−

Corriente eléctrica

Electrones

Cinta trasportadora del alimento

El peligro de utilizar la radiactividad depende de la dosis que puede recibir el hombre por su utilización ESTA DOSIS ES CONTROLABLE

La radiactividad ha demostrado ser útil para muchas aplicaciones • • • • •

Medicina Conservar y esterilizar alimentos Usos industriales Datación de fósiles Medioambientales, etc

Pero habrá que manejarla con seguridad

Y si podemos controlarla ...¿POR QUÉ NO VAMOS A

UTILIZARLA PARA NUESTRO BENEFICIO?

Organismo independiente de la administración del Estado, que tiene como fin primordial velar por la seguridad nuclear y la protección radiológica

Real Decreto 1836/ 99

Tasa de dosis en microSvh

25 estaciones automáticas de la red del CSN

INSTALACIONES RADIACTIVAS ESPAÑOLAS SEGÚN CATEGORÍA Y FINALIDAD Se clasifican en 1ª, 2ª y 3ª categorías, según la cantidad decreciente de sustancias radiactivas FINALIDAD Comercialización y fabricación Investigación y Enseñanza Industria Medicina Total

CATEGORÍA 2ª 3ª 44 17 64 92 536 185 225 118 869 412

Existen también unas 19.000 instalaciones de radiodiagnóstico

Subtotal 61 156 721 343 1.281

APLICACIONES MÉDICAS DE LA RADIACTIVIDAD

APLICACIONES CON FINES DE DIAGNÓSTICO

MEDICINA NUCLEAR APLICACIONES CON FINES TERAPEUTICOS

QUIMIOTERAPIA RADIOTERAPIA

MEDICINA NUCLEAR Se llama así a la especialidad médica que usa los isótopos radiactivos con fines de diagnóstico.

• Iª Administración al paciente de una pequeña cantidad de un isótopo radiactivo que tenga especial afinidad por el tejido a estudiar ( RADIOFARMACOS) • 2ª Detección de la emisión gamma procedente del tejido en que se ha fijado el radio fármaco con una gammacamara

PRINCIPALES RADIOFÁRMACOS EMPLEADOS EN LA DIAGNOSIS DE DIFERENTES ORGANOS DEL CUERPO HUMANO

Tc-99, In -111, I-123, I-131

Las radiaciones emitidas por el fármaco se recogen en una gammacámara

El detector se sitúa sobre el órgano a explorar. la señal se trasforma en impulsos eléctricos modulados y procesados por un ordenador lo que permite la representación espacial del órgano ( gammagrafía)

Existen cámaras que permiten la obtención de cortes del órgano estudiado, visualizados según las tres direcciones espaciales • Los equipos PET (Tomografia de emisión de positrones ) emplean radionucleidos que que emiten positrones en vez de fotones lo que permite imágenes de calidad superior

LA GAMMAGRAFÍA TIROIDEA es la representación en una imagen de la forma y de la función de la glándula tiroides que se consigue después de la administración de I-131

• . La escala de color representa el funcionamiento de cada una de las zonas de la glándula correspondiendo los colores cálidos a las áreas más funcionales. • Mediante este estudio puede comprobarse el aumento del tamaño del tiroides (bocio) y/o visualizar la existencia de algún nódulo (bulto) en su interior.

Imagen de una glándula tiroides normal

Gammagrafia de glándula tiroidea

Ganmagrafia pulmonar que muestra tras la inyección del trazador la asimetría de actividad entre ambos pulmones

Gammagrafía Renal • Mediante esta exploración estudiamos el funcionamiento del sistema renal obteniendo información individualizada de cada uno de los riñones.

APLICACIONES EN APARATO DIGESTIVO

GAMMAGRAFÍA HEPATICA De gran utilidad en el diagnóstico de cirrosis y tumores hepáticos Desaparición progresiva de una lesión hepática benigna tras tratamiento

Gammagrafía Ósea (Rastreo Óseo). • El rastreo óseo es una exploración del esqueleto que permite detectar pequeñas alteraciones funcionales antes de que éstas se puedan ver con una radiografía. • A = Visión anterior. P = Visión posterior.

APLICACIONES EN APARATO CARDIO-VASCULAR

Los estudios isotópicos permiten analizar el funcionamiento cardiaco por medio de radiofarmacos y detectar la cardiopatía isquemica (disminución del riego en el músculo cardiaco) por estenosis arterial

El SPECT cardiaco es un estudio que se realiza para valorar el flujo sanguíneo del miocardio. Si la exploración se efectúa en reposo, permite detectar zonas musculares muertas (infarto de miocardio). Si la exploración se efectúa tras estímulos físicos o farmacológicos permite detectar zonas musculares que reciben poca sangre (isquemia coronaria).

Renograma Isotópico

Gammagrafía de un adenoma suprarrenal causante de hipertensión arterial secundaria:

APLICACIONES EN SISTEMA NERVIOSO Parkinson

Diagnostico de muerte cerebral

Epilepsia En Reposo

En crisis

Tomografía de emisión de positrones (PET) de cuerpo completo en un paciente

nódulo pulmonar solitario, así como dos depósitos mediastínicos no conocidos previamente. Las captaciones cerebral y cardíaca, y la eliminación renal y vesical son fisiológicas:

La ventaja de la utilización de isótopos radiactivos artificiales es que podemos elegir aquellos con el periodo de vida media adecuado al tiempo de utilización para que una vez decaído el isótopo

no queden residuos radiactivos

se elegirán en este caso isótopos de vida corta para que una vez acabado el análisis no quede radiactividad en el paciente 18 O 8

+

agua pesada

1

1H

18 F 9

V. Media 110 minutos

El F-18 se sintetiza en el Centro de Tomografía de emisión de emisión de positrones de la UCM se utiliza incorporado a la F-deoxiglucosa para el diagnóstico de tumores cancerígenos, alzheimer ó infartos de miocardio

•

Se preparan Radiofármacos listos para su uso – Obtenidos de generadores – Kits reactivos – Sintesis inmediata

Los generadores tienen por objeto producir Tc-99 (vida media 6h) a partir de Mo-99 ( vida media 66h) . El Mo-99 se fija en una columna de alumina a traves de la cual se hace pasar una solución salina que arrastra el Tc-99 producido que se recoge en un vial

QUIMIOTERAPIA Aplicaciones terapéuticas de la medicina nuclear

• Se basa en el hecho descubierto por Bergonie y Tibondeau de que la radiación ataca preferentemente al ADN de las células con mayor capacidad de de reproducción y menor diferenciación funcional

• Se ingresa al paciente durante los días que dura el tratamiento en una unidad radioprotegida, con el tratamiento de residuos controlado por una legislación estricta • Al paciente se le suministra un radiofármaco no encapsulado en forma líquida ( via oral ó intravenosa) que se fije de forma selectiva en el órgano donde está el tumor • Tras los días de tratamiento al paciente se le dá de alta cuando se comprueba que ha eliminado la radiación y puede convivir con su familia y el resto de la población

Situación en España • Existen 140 centros con unidades de Medicina Nuclear, el 60% públicos y el 40% privados con mas de 250 gammacamaras. • La tercera parte de estos centros se han creado en los últimos 12 años, mientras que los demás son anteriores a 1986. • 45 centros públicos y 12 privados son Centros Universitarios. 21 centros PET en España

• Nº de gammacámaras 5 millón de habitantes (recomendación de la U E es de 10 por millón). • Procedimientos realizados anualmente mas de 900.000 exploraciones y tratamientos • El consumo de radiofármacos en España en el 2000 se situó en torno a los 2.000 millones de pesetas Estados Unidos, consume el 47% del mercado mundial, el consumo de radiofármacos 531 millones de dólares en 1996, y el terapeútico se estima en unos 48 millones.

RADIOTERAPIA • Especialidad médica que utiliza la Administración de radiaciones ionizantes para la destrucción de tejidos malignos o tumores

TELETERAPIA Tele= lejos

BRAQUITERAPIA Braqui=próximo • Es la modalidad de la radioterapia que utiliza fuentes radiactivas selladas que se colocan en contacto con el tumor o dentro de el

TELETERAPIA Bomba de cobalto Fuente de Co-60 en una carcasa blindada

Aceleradores lineales • Equipos que producen radiación beta ( electrones acelerados Son comprobados con múltiples dispositivos de seguridad

BRAQUITERAPIA • Agujas, alambres, semillas de • Sr- 90, Co -69 Cs-137 • Superficial • Endocavitaria • intersticial

• En el tratamiento de los tumores malignos la radioterapia puede utilizarse sola o asociada a la cirugía y la quimioterapia

• Una vez decidido el tratamiento se planifica el tipo de irradiación, calculo de la dosis total de irradiación y posible fraccionamiento de esta que pueden con intervalos de descanso que pueden favorecer la eliminación de células muertas y permitir la reparación de tejidos circundantes que hayan podido afectarse

•ESTUDIOS “IN VITRO” RADIOINMUNOANALISIS Tecnica analitica de competición antigeno anticuerpo que se realiza marcando el antigeno con I-125 Determinaciones de hormonas,marcadores tumorales Enfermedades infecciosas. (Análisis de anticuerpos específicos) •

El Radiodiagnóstico Método diagnóstico que consiste en obtener imágenes del cuerpo humano por medio de un tubo de Rayos X • Consiste en un filamento incandescente ( ánodo ) que produce electrones que son acelerados en el vacío y se les hace chocar con un anticátodo originándose una radiación electromagnética que se absorbe de forma diferente según la densidad de la zona que atraviesa

OTRAS APLICACIONES FUERA DE LA MEDDICINA

CONTROLANDO SUS RIESGOS La Radiactividad está reportando innumerables beneficios a la humanidad en diferentes campos industriales • • • • • •

La Industria Agroalimentaria. La Esterilización de materiales La reticulación de los plásticos La Industria de soldadura Detección de fugas Datación y conservación de fósiles y obras de arte

Inspección de soldaduras ( Gammagrafia) • Permite obtener una imagen fotográfica de la estructura interna de un objeto, sin afectar su integridad. • Se emplea en el control de calidad para evitar soldaduras imperfectas, grietas internas, etc. .

En los grandes proyectos tecnológicos como centrales eléctricas refinerías, gasoductos se documenta el control de calidad con miles de ganmagrfias con el fin de evitar soldaduras imperfectas grietas etc.

Detección de fugas • Se introduce por las tuberías una solución con un isótopo radiactivo de periodo corto. • Técnicos especializados localizan la fuga con detectores. • Se limpian las tuberías pasando agua de tal forma que no quede nada de radiactividad cuando lleguen los operarios a reparar la tubería

Detectores de humos • Aparatos con una carga de isótopo muy pequeña, que no afecta a la radiactividad ambiental. ( Americio-241 ) y un detector. • Cuando en la habitación se produce humo, este se interpone entre la fuente u el detector y salta la alarma.

Datación de fósiles El C-14 es un isótopo radiactivo que se está produciendo continuamente por los rayos cósmicos y va desapareciendo con una vida media de 5.730 años. A lo largo de millones de años el carbono natural y el carbono radiactivo en nuestra atmósfera han llegado a un equilibrio en el

CO2 del aire la relación

C-12 estable / C-14 rad. es constante y conocida Esta misma relación se encuentra presente en todos los seres vivos

Los plantas vivas captan tanto el C estable como el C-14 radiactivo en forma de CO2, en esa misma relación. • Cuando el tejido muere no se capta más C pero el C-14 del fósil irá disminuyendo con un periodo de 5.750 años mientras que el C12 permanece constante alterándose la relación

Por tanto cuanto más tiempo lleve muerto el fósil, mayor será la disminución del C-14 Y mayor la relación

C-12 estable / C-14 rad.

Supongamos que el contenido de carbono de cualquier fósil es la décima parte de la relación normal. • Esto querrá decir que el C-14 ha decaído la decima parte , como el periodo de semidesintegración es de (5.750 años). • Luego esa muestra orgánica dejo de vivir hace 575 años

Supuesta tabla redonda del Rey Arturo que ha sido datada del siglo XIII con el C-14

DATACIÓN DE OBJETOS CARBONOSOS

Autentificación de obras de arte