방사성 추적자

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1. 개요

방사성 추적자는 화학 반응 연구, 생체 내 영상화 등 다양한 분야에서 활용되는 물질이다. 방사성 동위원소를 사용하여 화합물 내 원자를 방사성 동위원소로 대체하는 방식으로 작동하며, 방사성 붕괴를 감지하여 추적한다. 게오르크 드 헤베시는 이 기술 개발에 기여하여 노벨 화학상을 수상했다. 방사성 추적자는 핵반응을 통해 생성되며, 수소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 인, 황, 테크네튬, 아이오딘 등 다양한 동위원소가 사용된다. 이들은 의학, 생물학, 공학 등 여러 분야에서 신진대사 연구, 의료 영상, 수압 파쇄 등에 활용된다.

2. 방법론

동위 원소는 화학 원소의 질량수만 다르다. 예를 들어, 수소의 동위 원소는 ¹H, ²H, ³H와 같이 질량수를 왼쪽에 위첨자로 표기한다. 동위 원소의 원자핵이 불안정하면 이 동위 원소를 포함하는 화합물은 방사성을 띤다. 삼중 수소는 방사성 동위 원소의 한 예이다.

방사성 추적자는 화합물 내의 특정 원자를 같은 화학 원소의 다른 원자, 즉 방사성 동위 원소로 대체하는 원리를 이용한다. 이 과정을 방사성 표지라고 부른다. 방사성 붕괴는 화학 반응보다 훨씬 더 큰 에너지를 방출하기 때문에, 방사성 동위 원소는 낮은 농도에서도 가이거 계수기나 섬광 계수기와 같은 민감한 방사선 검출기로 쉽게 검출할 수 있다. 죄르지 데 헤베시는 이러한 동위 원소를 추적자로 활용하여 화학 반응을 연구한 공로로 1943년 노벨 화학상을 수상했다.

방사성 추적자는 주로 두 가지 방법으로 활용된다.

# 표지된 화학 화합물이 화학 반응을 거치면 생성물 중 하나 이상에 방사성 표지가 포함된다. 이 방사성 표지의 변화를 분석하면 화학 반응 메커니즘을 자세히 파악할 수 있다.

# 방사성 화합물을 생물체에 투여하면, 화합물 및 반응 생성물이 생체 내에 어떻게 분포하는지 영상을 통해 확인할 수 있다.

2. 1. 화학 반응 추적

동위 원소는 화학 원소의 질량수만 다르다. 예를 들어, 수소의 동위 원소는 ¹H, ²H, ³H로 표기할 수 있으며, 질량수는 원소 기호의 왼쪽에 위첨자로 표시된다. 동위 원소의 원자핵이 불안정한 경우, 그 동위 원소를 포함하는 화합물은 방사성 물질이 된다. 예를 들어, 삼중 수소는 방사성 동위 원소 중 하나이다.

방사성 추적자의 사용 뒤에 있는 원리는 화합물 내의 원자가 동일한 화학 원소의 다른 원자로 대체된다는 것이다. 그러나 대체 원자는 방사성 동위 원소이다. 이 과정은 종종 방사성 표지(radioactive labeling|방사성 표지^영어)라고 불린다. 이 기술의 힘은 방사성 붕괴가 화학 반응보다 훨씬 에너지가 높다는 사실에 기인한다. 따라서 방사성 동위 원소는 낮은 농도로 존재할 수 있으며, 그 존재는 가이거 계수기나 섬광 계수기와 같은 민감한 방사선 검출기로 감지할 수 있다. 게오르크 드 헤베시는 "화학 반응 연구에서의 추적자로서의 동위 원소의 응용 연구"로 1943년 노벨 화학상을 수상했다.

방사성 추적자가 사용되는 두 가지 주요 방법은 다음과 같다.

# 표지된 화학 화합물이 화학 반응을 거치면 하나 이상의 생성물에 방사성 표지가 포함된다. 방사성 동위 원소에 무슨 일이 일어나는지 분석하면 화학 반응의 메커니즘에 대한 자세한 정보를 제공한다.

# 방사성 화합물을 생물체에 도입하고 방사성 동위 원소는 그 화합물과 반응 생성물이 유기체 주위에 어떻게 분포되어 있는지 보여주는 이미지를 구성하는 수단을 제공한다.

2. 2. 생체 내 영상화

방사성 화합물을 생물체에 도입하여, 그 화합물과 반응 생성물이 유기체 주위에 어떻게 분포하는지 보여주는 이미지를 구성할 수 있다.^[1]

3. 방사성 동위원소 생성

일반적으로 사용되는 방사성 동위원소는 반감기가 짧아 자연계에 대량으로 존재하지 않으므로, 핵반응을 통해 생성한다. 핵반응에는 크게 원자핵에 의한 중성자 흡수와 양성자 충격 두 가지 방법이 있다.

중성자 흡수: 원자핵이 중성자를 흡수하면 해당 원소의 질량수가 1씩 증가한다. 예를 들어, ¹³C에 n를 흡수시키면 ¹⁴C가 생성된다. 이 경우 원자 질량은 증가하지만 원소는 변하지 않는다. 생성된 핵이 불안정하여 붕괴하면서 양성자, 전자(베타 입자) 또는 알파 입자를 방출하기도 한다. 핵이 양성자를 잃으면 원자 번호가 1 감소하는데, ³²S에 n를 흡수시켜 ³²P와 p를 생성하는 경우가 그 예시이다.

양성자 충격: 사이클로트론이나 선형 가속기에서 고에너지로 가속된 양성자를 다른 원자핵과 충돌시키는 방법이다.^[4]

3. 1. 원자로를 이용한 중성자 조사

일반적으로 사용되는 방사성 동위원소는 반감기가 짧아 자연계에 대량으로 존재하지 않는다. 이들은 핵반응을 통해 생성된다. 가장 중요한 과정 중 하나는 원자핵에 의한 중성자 흡수로, 흡수된 각 중성자마다 해당 원소의 질량수가 1씩 증가한다. 예를 들어,

: ¹³C + n → ¹⁴C

이 경우 원자 질량은 증가하지만, 원소는 변하지 않는다. 다른 경우에는 생성된 핵이 불안정하여 일반적으로 양성자, 전자(베타 입자) 또는 알파 입자를 방출하며 붕괴한다. 핵이 양성자를 잃으면 원자 번호가 1 감소한다. 예를 들어,

: ³²S + n → ³²P + p

중성자 조사는 원자로에서 수행된다. 방사성 동위원소를 합성하는 다른 주요 방법은 양성자 충격이다. 양성자는 사이클로트론 또는 선형 가속기에서 높은 에너지로 가속된다.^[4]

3. 2. 가속기를 이용한 양성자 충격

일반적으로 사용되는 방사성 동위원소는 반감기가 짧아 자연계에 대량으로 존재하지 않는다. 이들은 핵반응을 통해 생성된다. 방사성 동위원소를 합성하는 주요 방법 중 하나는 양성자 충격이다. 양성자는 사이클로트론이나 선형 가속기에서 고에너지로 가속된다.^[4]

4. 주요 추적자 동위원소

동위원소	반감기	붕괴 방식	생성 방법	사용 분야	비고
³H	4500±8일 (약 12.32년)^[16]	베타 붕괴	⁶Li + n → ⁴He + ³H	생화학 연구	전자의 평균 에너지: 5.7 keV
¹¹C	약 20분	양전자 방출		양전자 방출 단층 촬영법(PET 스캔)^[17]
¹⁴C	5730년	베타 붕괴	¹³C 중성자 조사	유기 분자 대사 경로 추적^[18]
¹³N	9.97분	양전자 방출	¹H + ¹⁶O → ¹³N + ⁴He	양전자 방출 단층 촬영법(PET 스캔)
¹⁵O	122초	양전자 방출		양전자 방출 단층 촬영법(PET 스캔)
¹⁸F	109.8분	주로 베타 붕괴	¹⁸O 양성자 충격 (사이클로트론 또는 선형 입자 가속기)	플루오로데옥시글루코스 (FDG) 제조 등^[17]
³²P	14.29일	베타 붕괴	³²S + n → ³²P + p	키나아제에 의한 단백질 인산화 연구
³³P	25.4일	베타 붕괴	³¹P 중성자 충격	DNA 염기 서열 분석 등	³²P보다 저에너지 베타선 방출
³⁵S	87.51일	베타 붕괴	³⁵Cl + n → ³⁵S + p	메티오닌, 시스테인 표지, 티오인산 추적
^99mTc	6.01시간	감마 붕괴	⁹⁹Mo 붕괴 (테크네튬-99m 발생기 사용)	의료 영상
¹²³I	13.22시간	전자 포획	¹²⁴Xe 양성자 조사, ¹²³Te 양성자 충격^[19]^[20]	단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영법 (SPECT 스캔)
¹²⁵I	59일			방사성 면역 측정법 (RIA)^[21]
¹²⁹I	1570만 년	베타 붕괴, 감마 붕괴	핵무기 실험, 체르노빌, 후쿠시마 사고	추적자로는 사용되지 않음
⁶⁷Ga		감마 붕괴

4. 1. 수소

트리튬(수소-3)은 ⁶Li의 중성자 조사에 의해 생성된다.^[3]

: ⁶Li + n → ⁴He + ³H

트리튬의 반감기는 약 12.32년이며,^[3] 베타 붕괴에 의해 붕괴된다. 생성된 전자는 평균 에너지 5.7 keV를 갖는다. 방출된 전자가 비교적 낮은 에너지를 가지므로 섬광 계수법에 의한 검출 효율은 다소 낮다. 그러나 수소 원자는 모든 유기 화합물에 존재하므로 트리튬은 생화학 연구에서 추적자로 자주 사용된다.^[3]³H는 트리튬의 동의어이며, ⁶Li의 중성자 조사를 통해 생성된다는 점과 반감기, 베타 붕괴를 통해 붕괴한다는 점, 생성되는 전자의 평균 에너지, 섬광 계수법에 의한 검출 효율, 생화학 연구의 추적자로 자주 사용된다는 점은 위에서 이미 언급되었다.^[16]

4. 2. 탄소

¹¹C는 약 20분의 반감기를 가지며 양전자 방출을 통해 붕괴된다. 양전자 방출 단층 촬영술(PET)에 자주 사용되는 동위 원소 중 하나이다.^[4]^[17]

¹⁴C는 베타 붕괴를 통해 붕괴되며 반감기는 5730년이다. 지구 대기 상층부에서 지속적으로 생성되어 환경에 미량 존재한다. 그러나 자연 발생한 ¹⁴C를 추적자 연구에 사용하는 것은 실용적이지 않다. 대신, 탄소에 약 1.1% 수준으로 자연 존재하는 ¹³C 동위 원소에 중성자를 조사하여 ¹⁴C를 생성한다. ¹⁴C는 대사 경로를 통해 유기 분자의 진행을 추적하는 데 광범위하게 사용된다.^[5]^[18]

4. 3. 질소

¹³N는 반감기가 9.97분이며 양전자 방출을 통해 붕괴된다. 이는 다음과 같은 핵반응으로 생성된다.

: ¹H + ¹⁶O → ¹³N + ⁴He

¹³N는 양전자 방출 단층 촬영술(PET)에 사용된다.^[1]

4. 4. 산소

¹⁵O^영어는 양전자 방출을 통해 122초의 반감기로 붕괴하며, 양전자 방출 단층 촬영(PET)에 사용된다.

4. 5. 플루오린

¹⁸F은 반감기가 109.8분이며 주로 β 붕괴를 통해 붕괴한다. 사이클로트론 또는 선형 입자 가속기를 이용하여 양성자를 ¹⁸O에 충돌시켜 생성한다. 방사성 의약품 산업에서 중요한 동위원소로, 플루오로데옥시글루코스 (FDG) 표지 물질을 만들어 PET 스캔에 사용한다.^[4]^[17]

4. 6. 인

³²P는 ³²S에 중성자를 충돌시켜 생성된다.

: ³²S + n → ³²P + p

베타 붕괴를 통해 14.29일의 반감기로 붕괴된다. 생화학 분야에서 키나아제에 의한 단백질 인산화를 연구하는 데 일반적으로 사용된다.³³P는 ³¹P에 중성자를 충돌시켜 비교적 낮은 수율로 생성된다. 또한 베타 방출체이며, 반감기는 25.4일이다. ³²P보다 비싸지만, 방출되는 전자의 에너지가 적어, 예를 들어 DNA 염기서열 분석에서 더 나은 해상도를 제공한다.

두 동위원소 모두 뉴클레오타이드와 인산기를 포함하는 기타 물질을 표지하는 데 유용하다.

4. 7. 황

³⁵S는 ³⁵Cl에 중성자를 충돌시켜 생성된다.^[1]

:³⁵Cl + n → ³⁵S + p³⁵S는 베타 붕괴를 통해 87.51일의 반감기로 붕괴하며, 메티오닌과 시스테인과 같이 황을 함유하는 아미노산을 표지하는 데 사용된다.^[1] 뉴클레오타이드의 인산기에 있는 산소 원자를 황 원자가 대체하면 티오인산이 생성되므로, ³⁵S는 인산기를 추적하는 데에도 사용할 수 있다.^[1]

4. 8. 테크네튬

^99mTc는 의료 현장에서 가장 널리 사용되는 방사성 동위원소 추적자로서 매우 다재다능하다. ⁹⁹Mo의 붕괴에 의해, 테크네튬-99m 발생기를 통해 쉽게 제조할 수 있다.

: ⁹⁹Mo → ^99mTc + e^- + _e

몰리브덴 동위원소의 반감기는 약 66시간(2.75일)이므로, 발생기의 사용 기간은 약 2주이다. 시판되는 ^99mTc 발생기의 대부분은 몰리브덴산염(MoO₄²⁻) 형태의 ⁹⁹Mo를 산성 알루미나(Al₂O₃)에 흡착시키는 컬럼 크로마토그래피를 사용한다. ⁹⁹Mo가 붕괴하면 과테크네튬산 TcO₄⁻이 되는데, 이는 일가이므로 알루미나와의 결합이 약해진다. 일반 생리 식염수를 ⁹⁹Mo 고정화 컬럼에 통과시키면, 가용성 ^99mTc가 용출되어 과테크네튬산염의 용해성 나트륨 염으로서 ^99mTc를 포함하는 생리 식염수를 얻을 수 있다. 이 과테크네튬산염을 Sn²⁺ 등의 환원제와 리간드로 처리한다. 다양한 리간드는 인체의 특정 부위에 친화성을 갖는 테크네튬과의 배위 화합물을 형성한다.^99mTc는 감마 방사선에 의해 붕괴하며, 반감기는 6.01시간이다. 반감기가 짧기 때문에, 방사성 동위원소의 체내 농도는 며칠 안에 사실상 0이 된다.

4. 9. 아이오딘

¹²³I는 ¹²⁴Xe에 양성자를 조사하여 생성된다. 생성된 세슘 동위 원소는 불안정하며 ¹²³I로 붕괴된다. 이 동위 원소는 일반적으로 고순도 동위 원소로 희석된 수산화나트륨 용액에서 요오드화물 및 차아염소산염 형태로 제공된다.^[6] 오크리지 국립 연구소에서 ¹²³Te에 양성자를 충돌시켜 생산되기도 했다.^[7]¹²³I는 전자 포획을 통해 13.22시간의 반감기로 붕괴된다. 방출된 159 keV 감마선은 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영법(SPECT)에 사용된다. 127 keV 감마선도 방출된다.

¹²⁵I는 비교적 긴 반감기(59일)와 감마 계수기로 높은 감도로 감지할 수 있는 능력으로 인해 방사성 면역 측정법에 자주 사용된다.^[8]

¹²⁹I는 대기 중 핵무기 시험의 결과로 환경에 존재한다. 체르노빌 및 후쿠시마 사고에서도 생산되었다. ¹²⁹I는 1570만 년의 반감기로 붕괴되며, 저에너지 베타 입자 및 감마선이 방출된다. 추적자로 사용되지는 않지만, 사람을 포함한 생물체 내의 존재는 감마선 측정을 통해 특징지을 수 있다.

4. 10. 기타 동위원소

그 외에도 많은 다른 동위원소들이 특수한 방사성의약품학 연구에 사용되어 왔다. 가장 널리 사용되는 것은 갈륨 스캔에 사용되는 ⁶⁷Ga이다. ⁶⁷Ga이 사용되는 이유는 ^99mTc와 마찬가지로 감마선을 방출하며, 다양한 리간드를 Ga³⁺ 이온에 부착하여 인체 내 특정 부위에 선택적인 친화성을 가질 수 있는 배위 복합체를 형성할 수 있기 때문이다.^[1]

5. 응용 분야

방사성 추적자는 생물학, 의학, 공학 등 다양한 분야에서 활용된다. 각 분야별 주요 활용 사례는 다음과 같다.

생물학 및 생화학: 포도당 클램프를 이용한 포도당 섭취, 지방산 합성, 지단백질 대사 연구 등에 사용된다.^[9]^[10]
의학: 오토라디오그래피, 핵의학, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영술(SPECT), 양전자 방출 단층 촬영술(PET), 신티그래피 등의 검사와 헬리코박터 파일로리 감염 진단을 위한 요소 호흡 검사에 활용된다.^[11]
공학: 수압 파쇄 시 주입 프로파일과 생성된 파쇄 위치를 결정하는 데 사용된다.^[2]

5. 1. 생물학 및 생화학

신진대사 연구에서 삼중 수소와 ¹⁴C 표지 포도당은 포도당 클램프에서 포도당 섭취, 지방산 합성 및 기타 대사 과정을 측정하는 데 일반적으로 사용된다.^[9] 방사성 추적자는 때때로 인간 연구에 사용되지만, 안정 동위 원소 추적자, 예를 들어 ¹³C은 현재의 인간 클램프 연구에서 더 일반적으로 사용된다. 방사성 추적자는 또한 인간과 실험 동물에서 지단백질 대사를 연구하는 데 사용된다.^[10]

5. 2. 의학

의학에서 추적자는 radioautography^영어 (오토라디오그래피) 및 핵의학, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영술(SPECT), 양전자 방출 단층 촬영술(PET), 신티그래피를 포함한 여러 검사에 ^99mTc를 이용하여 적용된다.^[11] 헬리코박터 파일로리에 대한 요소 호흡 검사는 ¹⁴C 표지 요소 용량을 사용하여 헬리코박터 파일로리 감염을 감지하는 데 일반적으로 사용된다. 표지된 요소가 위에서 헬리코박터 파일로리에 의해 대사되면 환자의 호흡에 표지된 이산화탄소가 포함된다. 최근 몇 년 동안, 비방사성 동위 원소 ¹³C로 농축된 물질을 사용하는 것이 환자의 방사능 노출을 피하는 선호되는 방법이 되었다.^[11]

5. 3. 공학

수압 파쇄법에서는 방사성 추적자 동위 원소를 수압 파쇄 유체와 함께 주입하여 주입 프로파일과 형성된 균열의 위치를 결정한다.^[15] 수압 파쇄의 각 단계에서는 반감기가 다른 추적자가 사용된다. 미국에서는 방사성 핵종의 주입량이 미국 원자력 규제 위원회(NRC)의 가이드라인에 명시되어 있다.^[25]

NRC에 따르면, 가장 일반적으로 사용되는 추적자는 안티몬 124, 브롬 82, 요오드 125, 요오드 131, 이리듐 192, 스칸듐 46이다.^[25] 국제 원자력 기구(IAEA)의 2003년 출판물에서는 위에서 언급한 대부분의 추적자가 빈번하게 사용되고 있음을 확인했으며, 망간 56, 나트륨 24, 테크네튬 99m, 은 110m, 아르곤 41, 크세논 133도 식별과 측정이 용이하기 때문에 광범위하게 사용되고 있다고 언급하고 있다.^[26]

참조

_[1] 논문 An introduction to the use of tracers in nutrition and metabolism 1999-11-01
_[2] 서적 Environmental Control in Petroleum Engineering Gulf Professional Publishers 1976-01-01
_[3] 논문 Comprehensive Review and Critical Evaluation of the Half-Life of Tritium http://nvl.nist.gov/[...]
_[4] 논문 The synthesis of carbon-11, fluorine-18 and nitrogen-13 labeled radiotracers for biomedical applications 1982-01-01
_[5] 논문 Calculating radiation exposures during use of (14)C-labeled nutrients, food components, and biopharmaceuticals to quantify metabolic behavior in humans 2010-04-01
_[6] 웹사이트 I-123 fact sheet http://www.mds.nordi[...] 2018-04-01
_[7] 논문 Production of iodine-123 for medical applications 1968-04-01
_[8] 논문 125-Iodine tracers for steroid radioimmunoassay 1973-07-01
_[9] 논문 Tracer studies of in vivo insulin action and glucose metabolism in individual peripheral tissues
_[10] 논문 Measuring very low density lipoprotein-triglyceride kinetics in man in vivo: how different the various methods really are 2004-09-01
_[11] 논문 Urea breath test: a diagnostic tool in the management of Helicobacter pylori-related gastrointestinal diseases
_[12] 웹사이트 Consolidated Guidance About Materials Licenses: Program-Specific Guidance About Well Logging, Tracer, and Field Flood Study Licenses (NUREG-1556, Volume 14) https://www.nrc.gov/[...] US Nuclear Regulatory Commission 2012-04-19
_[13] 보고서 Radiation Protection and the Management of Radioactive Waste in the Oil and Gas Industry http://www-pub.iaea.[...] International Atomic Energy Agency 2003-01-01
_[14] 논문 An introduction to the use of tracers in nutrition and metabolism 1999-11-01
_[15] 서적 Environmental Control in Petroleum Engineering Gulf Professional Publishers 1976-01-01
_[16] 논문 Comprehensive Review and Critical Evaluation of the Half-Life of Tritium http://nvl.nist.gov/[...]
_[17] 논문 The synthesis of carbon-11, fluorine-18 and nitrogen-13 labeled radiotracers for biomedical applications 1982-01-01
_[18] 논문 Calculating radiation exposures during use of (14)C-labeled nutrients, food components, and biopharmaceuticals to quantify metabolic behavior in humans 2010-04-01
_[19] 웹사이트 I-123 fact sheet http://www.mds.nordi[...] 2018-04-01
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_[22] 논문 Tracer studies of in vivo insulin action and glucose metabolism in individual peripheral tissues
_[23] 논문 Measuring very low density lipoprotein-triglyceride kinetics in man in vivo: how different the various methods really are 2004-09-01
_[24] 논문 Urea breath test: a diagnostic tool in the management of Helicobacter pylori-related gastrointestinal diseases
_[25] 웹사이트 Consolidated Guidance About Materials Licenses: Program-Specific Guidance About Well Logging, Tracer, and Field Flood Study Licenses (NUREG-1556, Volume 14) https://www.nrc.gov/[...] US Nuclear Regulatory Commission 2000-06-01
_[26] 웹사이트 Radiation Protection and the Management of Radioactive Waste in the Oil and Gas Industry http://www-pub.iaea.[...] International Atomic Energy Agency

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