Лютеций
Как кельты не могли предположить, что в честь их поселения на берегу современной Сены будет назван крупный астероид из главного пояса и самый последний химический элемент из семейства лантаноидов, так и сам первооткрыватель этого элемента вряд ли мог предположить, как и где его можно будет использовать. Но древняя Лютеция впоследствии стала Парижем, космический зонд «Розетта» на пути к комете Чурюмова — Герасименко сделал подробные снимки уже астероида Лютеции, а исследователи нашли применение даже такому необычному химическому элементу, как лютеций. А вы вообще знали о его существовании?
Париж мог бы называться и Лютецией. Фото: Daniel Vorndran / DXR CC BY-SA 3.0
Лютеций был открыт в 1907 году, и, как это часто бывает, не одним исследователем, а сразу несколькими. Француз Жорж Урбэн, австриец Карл Ауэр фон Вельсбах и американец Чарльз Джеймс, как это часто бывает, независимо и почти одновременно сообщили о заполнении ещё одной пустой ячейки Периодической таблицы. Поскольку элемент был назван в честь старого названия Парижа, то нетрудно догадаться, кому в итоге отдали приоритет открытия. Лютеций принадлежит к группе химических элементов, которых называют лантаниды или лантаноиды, кому как больше нравится. Большинство из них в природе встречаются относительно редко, по крайней мере, так считали в девятнадцатом веке, поэтому за этими и ещё за несколькими другими элементами закрепилось название «редкоземельные». Основная сложность в их обнаружении была даже не в том, что они редкие, а в том, что они очень похожи друг на друга по своим химическим свойствам. Поэтому отделить примесь лютеция от, скажем, иттербия – это сложнее, чем отличить фотографии двух автомобилей, сошедших друг за другом с конвейера. Но химики научились делать не только это, но и ещё множество удивительных вещей. Правда не без помощи физиков и учёных из других областей наук.
Лютеций, хоть и выглядит как серый и непрезентабельный на вид металл, но стоит лишь в четыре раза дешевле золота. Фото: W.Oelen / Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Например, одно из соединений лютеция с немного пугающим названием «допированный церием оксиортосиликат лютеция» используется в современном методе клинической диагностики – позитронно-эмиссионной томографии. Если вам когда-нибудь попадалась на глаза хотя бы одна серия телевизионного сериала Доктор Хаус, то наверняка слышали про «КТ, МРТ», которые делали каждому пациенту, даже быстрее, чем анализ крови. Но если магнито-резонансная и компьютерная томографии у всех на слуху и есть во многих медицинских центрах, то позитронно-эмиссионная томография не так широко распространена. Тем не менее, этот метод очень интересен и с медицинской и с физической точки зрения. Поэтому вкратце расскажем, как он устроен и какую роль в нём занимает лютеций.
ПЭТ-КТ томограф. Фото: Partynia/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Из названия этого вида томографии следует, что в нём как-то замешаны позитроны. Позитрон – это частичка самой настоящий антиматерии. По своим свойствам позитрон аналогичен электрону, только в отличие от электрона он несёт положительный заряд. Как обычная материя, так и антиматерия, хорошо живут сами по себе, но если они встречаются друг с другом, то происходит аннигиляция – исходные частицы пропадают, рождая новые частицы и энергию. Один из вариантов аннигиляции позитрона и электрона – это рождение двух гамма-квантов, которые разлетаются в точности в противоположные стороны. Поэтому если место, где существуют позитроны и электроны, окружить множеством детекторов, тогда можно будет фиксировать моменты их аннигиляции. Если в один и тот же момент два противоположных детектора зафиксировали попадания гамма-квантов, значит, мы наблюдали самую настоящую аннигиляцию. Но откуда внутри человека взяться антиматерии, коль скоро мы обсуждаем реальную жизнь, а не сюжеты фантастических комиксов?
Внутреннее устройство ПЭТ-КТ томографа. Фото: Rum Bucolic Ape/Flickr.com CC BY-ND 2.0
Позитроны могут образоваться при радиоактивном распаде некоторых изотопов, например, кислород-15, углерод-11 или фтор-18. Период их полураспада составляет от нескольких минут до нескольких часов, так что долгожителями их никак не назовёшь. Получают их обычно на ускорителях, поэтому и использовать эти изотопы нужно, что называется, не отходя от кассы, а точнее от какого-нибудь циклотрона. После чего сразу же синтезировать биологически активное вещество, содержащее эти изотопы, ввести его в организм пациента, а пациента поместить в томограф. Вещество накапливается в определённых интересующих врачей тканях организма, изотопы распадаются с образованием позитронов, позитроны аннигилируют с электронами, гамма-кванты разлетаются в разные стороны, и вот тут наконец-то на арену выходит оксиортосиликат лютеция.
Для регистрации гамма-квантов применяют сцинтилляционные кристаллы. Чем чувствительнее будет кристалл к гамма излучению от аннигиляции позитронов и электронов, тем более точным будет трёх-мерное изображение внутреннего органа или тканей, получаемое при томографическом исследовании. Один из лучших материалов для таких кристаллов, как вы уже догадались, это тот самый оксиортосиликат лютеция с добавками других редкоземельных элементов. На практике позитронно-эмиссионный томограф очень часто комбинируется с другими видами томографии, в первую очередь компьютерной томографии, поэтому и метод исследования часто называется ПЭТ-КТ, хотя от простого КТ он очень сильно отличается, хотя бы тем, что внутри пациента на доли мгновения образуется самая настоящая антиматерия.
Распределение аденозиновых рецепторов в мозге живого человека, полученное с помощью ПЭТ и изотопа 11C. Фото: Grachev ID, Doder M, Brooks DJ, Hinz R. /Journal of Diagnostic Imaging in Therapy CC BY-SA 2.0
Другое применение лютеция также напрямую связано с медициной и лечением онкологических заболеваний, правда, на этот раз элемент действует не снаружи, а уже внутри организма пациента. Клетки одного из видов опухолей (нейроэндокринных) имеют на своих мембранах специфические структуры, которые называются соматостатиновые рецепторы, причём их количество намного больше, чем у нормальных здоровых клеток. Чтобы источник бета-излучения, роль которого выполняет изотоп лютеция-177 доставить напрямую к опухолевым клеткам, его можно химически связать с молекулой, похожей на соматостатин, которая как ключ к замку «подходит» к соматостатиновым рецепторам. Такой комплекс из пептидной молекулы и изотопа лютеция называется 177Lu-DOTA-TATE или Lutathera, а сам метод – пептидная рецепторная радионуклидная терапия. Вдобавок к тому, что изотоп лютеция-177 в связке с пептидом убивает клетки опухоли бета-излучением, он ещё служит источником гамма-излучения, позволяя увидеть, где находится препарат, и визуализировать саму опухоль с помощью ПЭТ-КТ, о которой мы как раз рассказывали парой абзацев выше. Как говорится, два в одном.
Контейнер для радиофармпрепаратов. Фото: Dean Calma / IAEA CC BY-SA 2.0
И напоследок о вечном, а точнее об использовании лютеция в геохронологии для определения возраста горных пород или других интересных объектов. Если период полураспада изотопа лютеция-177 составляет порядка недели, то вот другой изотоп этого же самого элемента распадается сильно медленнее. Лютеций-176, в ядре которого меньше всего лишь на один нейтрон, имеет период полураспада ни много ни мало около 37 миллиардов лет, что почти втрое больше чем возраст Вселенной! Поэтому, измеряя концентрации лютеция и элемента, в который он превращается, – гафния, можно измерять временные промежутки и исследовать процессы соответствующего временного масштаба, например, установить, когда образовались те или иные горные породы на нашей планете.
Несмотря на то что с лютецием в обычной жизни можно встретиться лишь при довольно специфических и, что уж говорить, не всегда радостных обстоятельствах, этот элемент, если так можно выразиться, старается показать лучшее, на что он способен, помогая лечить людей и удовлетворять научный интерес исследователей.
Минерал гранат обладает высоким сродством к редкоземельным элементам, поэтому он хорошо подходит для лютеций-гафниевого метода определения возраста. Фото: Lech Darski/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
