【화학】 22-1강. 방사성 원소와 입자가속기의 종류

22-1강. 방사성 원소와 입자가속기의 종류

 

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1. 방사성 동위원소의 생성 [본문]

2. 주요 방사성 원소 [본문]

3. 부록 : 국내 주요 입자가속기 현황 [본문]

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1. 방사성 동위원소의 생성 [목차]

⑴ 방법 1. 원자로(nuclear reactor)

⑵ 방법 2. 사이클로트론(cyclotron)

⑶ 방법 3. 방사성 핵종 발생기(radionuclider generator)

 

 

2. 주요 방사성 원소 : 원자량 순으로 정리 [목차]

(1) 수소 (H-3) : 많이 사용함

① 반감기 : 12.3년

② 방출 방사선 : β

③ 용도 : 핵산 정량

(2) 탄소 (C-11)

① 용도 : 뇌 도파민 이미징

(3) 탄소 (C-14) : 많이 사용함

① 반감기 : 5730년

② 방출 방사선 : β

③ 용도 : 유기물의 방사선 연대 추정 (¹⁴C-dating)

(4) 질소 (N-13)

① 반감기 : 9.97분

② 방출 방사선 : β+ (100%)

③ 방출 에너지 : 1200 keV

④ 용도 : 피의 분포를 확인

⑤ 나노입자 라벨링 전략 : Al₂O₃, direct bombardment 

(5) 산소 (O-15)

① 용도 : 피의 분포를 확인

(6) 탄소 (C-16)

① 용도 : 포도당을 추적하여 암을 진단

(7) 플루오린 (F-18)

① 반감기 : 109.8분

② 방출 방사선 : β+ (97%)

③ 방출 에너지 : 634 keV

④ 용도 

○ [¹⁸F]-FDG : 포도당에서 2번 탄소의 -OH기가 -¹⁸F로 치환돼 있는 형태. PET에서 포도당 대사 확인

○ [¹⁸F]-NaF : 주로 뼈로 감

○ [¹⁸F]-acetate : 지방산 대사 확인

⑤ 나노입자 라벨링 전략

○ Al₂O₃, direct bombarment

○ NaYF₄:Gd, Yb, Er chelator-free postsynthetic labeling

(8) 인 (P-32) : 많이 사용함

① 반감기 : 14.3일

② 방출 방사선 : β

③ 용도 : DNA 추적

(9) 황 (S-35) : 많이 사용함

① 반감기 : 90일

② 방출 방사선 : β

③ 용도 : 단백질 추적

(10) 코발트 (Co-60)

① 반감기 : 5.27년

② 방출 방사선 : β선, γ선

③ 발생원 : 원자로/냉각계통

④ 주요 독성/특성 : 간·신장·뼈에 흡수, 폐로부터 신속하게 흡수, 소화기관으로는 5 % 미만 흡수

⑤ 치명적 장기 : 전신

⑥ 섭취 시 치료 : 위세척, 알루미늄 수화물, 인산염

○ 심한 경우 페니실 아민으로 킬레이트화함

(11) 구리 (Cu-64)

① 반감기 : 12.7시간

② 방출 방사선 : β+ (18%)

③ 방출 에너지 : 579, 656 keV

④ 나노입자 라벨링 전략

○ 킬레이터를 통한 배위결합

○ CuS, Fe₃O₄, Au radioactive precursor 

○ CdSe / ZnS, Au chelator-free postsynthetic labeling 

(12) 구리 (Cu-67)

① 반감기 : 2.6일

② 에너지 : 0.58 MeV_max

③ 치료 범위 : 2.1 mm

④ 방출 방사선 : β선 등

(13) 갈륨 (Ga-68)

① 반감기 : 67.7분

② 방출 방사선 : β+ (89%)

③ 방출 에너지 : 770, 1890 keV

④ 용도 

○ ⁶⁸Ga-DOTATATE : 특정 종양을 이미징할 때 사용

○ ⁶⁸Ga-PSMA 11 : 갑상선 암을 이미징할 때 사용

⑤ 나노입자 라벨링 전략

○ 킬레이터를 통한 배위결합

(14) 비소 (As-72)

① 반감기 : 26시간

② 방출 방사선 : β+ (77%)

③ 방출 에너지 : 3430 keV

④ 나노입자 라벨링 전략

○ Fe₃O₄ chelator-free postsynthetic labeling

(15) 브로민(Br-76)

① 반감기 : 16.0시간

② 방출 방사선 : β+ (55%)

(16) 브로민(Br-77)

① 반감기 : 57시간

② 치료 범위 : 2-500 nm (auger electron)

(17) 이트륨(Y-86)

① 반감기 : 14.7시간

② 방출 방사선 : β+ (17.5%)

(18) 지르코늄 (Zr-89)

① 반감기 : 78.4시간

② 방출 방사선 : β+ (23%)

③ 방출 에너지 : 908 keV

④ 나노입자 라벨링 전략

○ 킬레이터를 통한 배위결합

(19) 스트론튬 (Sr-89)

① 반감기 : 50.5일

② 방출 방사선 : β선

③ 응용 약제 1. Sr-89 chloride

○ 최대 범위 : 8 mm

○ 메커니즘 : calcium analogue

○ 진단에서의 응용 : bone pain palliation

(20) 스트론튬 (Sr-90)

① 반감기 : 29.1년

② 방출 방사선 : β선

③ 발생원 : 핵분열 생성물

④ 주요 독성/특성

○ 칼슘처럼 작용하여 뼈나 치아에 침착

○ 이트륨(Y-90)으로 다시 붕괴하여 감마선 방출

○ 토양오염 및 지하수 오염 낙진 형성

⑤ 치명적 장기 : 뼈

⑥ 섭취 시 치료 : aluminum phosphate

○ 섭취 후 즉시 알루미늄 인산염을 구강 투약함으로써 흡수율을 85 % 감소시킴

○ 안정한 스트론튬의 투여를 통해 경쟁적으로 대사 작용을 방해하고 방사성 스트론튬의 배출을 증가

○ 칼슘의 과다 복용과 염화암모늄을 이용한 요의 산성화 역시 배출을 증가 

(21) 이트륨 (Y-90)

① 반감기 : 64시간

② 방출 방사선 : 고에너지 β선 

③ 에너지 : 2.28 MeV_max

④ 치료 범위 : 11.3 mm

⑤ 응용 약제 1. Y-90 DOTATATE 

○ 최대 범위 : 12 mm

○ 메커니즘 : somatostatin-receptor binding

○ 진단에서의 응용 : neuro-endocrine tumor

⑥ 응용 약제 2. Y-90 microspheres, SIR-Spheres or TheraSpheres

○ 최대 범위 : 12 mm 

○ 메커니즘 : intravascular trapping

○ 진단에서의 응용 : liver metastasis, hepatocellular carcinoma

⑦ 응용 약제 3. Y-90 ibritumomab tiuxetan (Zevalin)

○ 최대 범위 : 12 mm

○ 메커니즘 : CD20 antigen binding

○ 진단에서의 응용 : non-Hodgkin's lymphoma

○ Zevalin은 사실상 시장에서 퇴출됨

(22) 테크네슘 (Tc-99m) 

① 반감기 : 6시간

② 용도 : 핵의학 검사 70% 이상

○ ^99mTc-HIDA : 주로 쓸개에서 분비되는 담즙을 볼 수 있음

③ 주요 독성/특성

○ 테크네슘은 안정된 동위 원소가 없는 지구에서 가장 가벼운 원소 

(23) 인듐 (In-111)

① 반감기 : 2.8일

② 치료 범위 : 2-500 nm (auger electron)

③ 용도 : 뇌종양 촬영

(24) 요오드 (I-123)

① 반감기 : 13.2시간

② 치료 범위 : 2-500 nm (auger electron)

③ 용도 : 갑상샘 질환 검사

(25) 요오드 (I-124)

① 반감기 : 4.2일

② 방출 방사선 : β+ (23%)

③ 용도 : PET 이미징 

(26) 요오드 (I-125)

① 반감기 : 60.2일

② 방출 방사선 : β선, γ선

③ 치료 범위 : 2-500 nm (auger electron)

④ 용도 : 체외 검체 검사, 갑상선 치료 

(27) 요오드 (I-131)

① 반감기 : 8.06일

② 방출 방사선 : γ선, 저에너지 β선

③ 에너지 : 0.61 MeV_max

④ 발생원 : 핵분열 생성물

⑤ 용도 : 감상샘 종양 치료

⑥ 주요 독성/특성 : 오염된 물을 먹은 소에서 먹은 우유 섭취시 암 유발, 갑상선암

⑦ 치명적 장기 : 갑상선

⑧ 섭취 시 치료 : KI, NaI

○ 노출이 의심되면 NaI 또는 KI을 매일 130 mg씩 투약함으로써 요오드의 체내 흡수를 감소시킴

○ 노출 직후라면 7~10일간 NaI 또는 KI 300 mg을 매일 투약하여 갑상선 흡수를 예방 가능

○ Propylthiouracil 100 mg을 하루 세 번 8일간 구강투여 또는 Methimazole 10 mg을 하루 세 번 2일간 구강투여 후, 5 mg씩 하루 세 번 6일간 투여하는 것도 효과가 있음

⑨ 응용 약제 1. I-131 as iodide

○ 최대 범위 : 4 mm

○ 메커니즘 : thyroid hormone synthesis

○ 진단에서의 응용 : differentiated thyroid cancer

⑩ 응용 약제 2. I-131 tositumomab (Bexxar)

○ 최대 범위 : 4 mm

○ 메커니즘 : CD20 antigen binding

○ 진단에서의 응용 : non-Hodgkin's lyphoma

○ Bexxar은 사실상 시장에서 퇴출됨

⑪ 응용 약제 3. I-131 MIBG(meta-iodobenzylguanidine)

○ 최대 범위 : 4 mm

○ 메커니즘 : active transport and intracellular storage

(28) 세슘 (Cs-137)

① 반감기 : 30.17년

○ 물리적 반감기는 30.17년

○ 생물학적 반감기는 109일에 불과함 : RES에 의한 renal clearance 기전 때문

② 방출 방사선 : β선, γ선

③ 발생원 : 핵분열 생성물

④ 주요 독성/특성

○ 전신 조사에 의한 급성 방사선 증후군, 체내에서 칼륨과 유사하게 신진대사가 일어남, 소화기관 손상, 토양 오염 및 낙진 형성

⑤ 치명적 장기 : 전신

⑥ 섭취 시 치료 : Prussian blue

○ Prussian blue와 이온 교환 수지를 사용

○ 섭취한지 얼마 지나지 않았을 경우 위세척과 관장을 실시

(29) 사마륨 (Sm-153)

① 반감기 : 1.95 일

② 방출 방사선 : β선, γ선

③ 응용 약제 1. Sm-153 EDTMP(ethylene-diamine-tetramethylene-phosphonic acid)

○ 최대 범위 : 3.1 mm

○ 메커니즘 : chemo-adsorption

○ 진단에서의 응용 : bone pain palliation

(30) 홀뮴 (Ho-166)

① 반감기 : 1.2일

② 에너지 : 1.85 MeV_max

③ 치료 범위 : 9.0 mm

④ 방출 방사선 : β선 등

(31) 루테슘 (Lu-177)

① 반감기 : 6.7일

② 방출 방사선 : 저에너지 β선, γ선

③ 에너지 : 0.50 MeV_max 

④ 치료 범위 : 1.8 mm

⑤ 응용 약제 1. Lu-177 DOTATATE

○ 최대 범위 : 1 mm

○ 메커니즘 : somatostatin-receptor binding

○ 진단에서의 응용 : neuro-endocrine tumor

(32) 레늄 (Re-188)

① 반감기 : 17시간

② 방출 방사선 : 고에너지 β선

③ 에너지 : 2.12 MeV_max 

④ 치료 범위 : 10.4 mm 

(33) 이리듐 (Ir-192)

① 반감기 : 73.83일

② 방출 방사선 : β선, γ선

③ 발생원 : 원자로/냉각계통

④ 주요 독성/특성 : 급성 방사선 증후군

⑤ 치명적 장기 : 전신

⑥ 섭취 시 치료 : 위세척, 알루미늄 수화물, 인산염

(34) 탈륨 (Tl-201)

① 반감기 : 73.1시간

② 용도 : 심장 질환 검사

(35) 아스타틴 (At-211)

① 반감기 : 7.2시간

② 방출 방사선 : α선

③ 평균 에너지 : 6.79 MeV

④ 평균 자유 경로 : 60 μm

(36) 비스무트 (Bi-213)

① 반감기 : 45.6분

② 방출 방사선 : α선

③ 평균 에너지 : 8.32 MeV

④ 평균 자유 경로 : 84 μm

(37) 라듐 (Ra-223)

① 반감기 : 11.4일

② 방출 방사선 : α선

③ 평균 에너지 : 5.64 MeV

④ 평균 자유 경로 : 45 μm

(38) 악티늄 (Ac-225)

① 반감기 : 10일

② 방출 방사선 : α선

③ 평균 에너지 : 6.83 MeV (총 27 MeV)

④ 평균 자유 경로 : 61 μm

(39) 우라늄 (U-235), 우라늄 (U-238)

① 반감기 : 7억 년

② 방출 방사선 : α선, γ선

③ 발생원 : 핵연료 원료 및 제조공정

④ 주요 독성/특성 

○ 우라늄 산화물이나 질산염 형태로 인체 흡수

○ 사용한 연료봉과 농축 우라늄에서 γ선 방출

○ 경구섭취시 골수암·간암, 흡입시 폐암

⑤ 치명적 장기 : 신장, 뼈, 폐

⑥ 섭취 시 치료 : 위세척, 알루미늄 수산화물, 인산염, 중탄산나트륨

○ 중탄산나트륨은 우라늄 이온의 신장 독성을 감소시킴

○ 세뇨관에 작용하는 이뇨제들이 도움이 될 수 있음

○ 임상검사에는 요검사, 24시간 동안의 소변 내 우라늄 생체 분석, 혈청 BUN, 크레아티닌, Beta-2-microglobulin, 크레아티닌 청소율과 간기능검사가 포함됨

(40) 플루토늄 (Pu-238), 플루토늄 (Pu-239)

① 반감기 : 각각 87.7년, 24110년

② 방출 방사선 : α선, γ선

③ 발생원 : 핵분열 생성물과 중성자 포획

④ 주요 독성/특성 

○ 흡입 시 가장 위험

○ 폐에 고착하여 폐암 발생, 

○ 혈관을 따라 몸 전체를 순환한 후 뼈와 간, 비장에 집중

⑤ 치명적 장기 : 뼈, 폐

⑥ 섭취 시 치료 : DTPA 또는 EDTA

○ 24시간 안에 Ca-DTPA 1 g을 흡입하거나 정맥에 투여

○ 소변 내 농도를 검사해 가면서 매일 Zn-DTPA 1 g으로 처치

(41) 아메리슘(Am-241)

① 반감기 : 432.2년

② 방출 방사선 : α선, γ선

③ 발생원 : 플루토늄 붕괴

④ 주요 독성/특성 : 피부 상처를 통해서 흡수, 뼈·골수·간·근육조직

⑤ 치명적 장기 : 뼈

⑥ 섭취 시 치료 : DTPA 또는 EDTA

○ 폐에 노출된 24~48시간 안에 DTPA 또는 EDTA로 킬레이트화시킴

 

 

3. 국내 주요 입자가속기 현황 [목차]

⑴ 분류 1. 양성자 및 중이온가속기

① 라이낙(LINAC) - 한국원자력연구원

○ 보유기관 : 한국원자력연구원

○ 가속 입자 : 양성자

○ 최대 에너지 : 100 MeV

○ 가속기 종류 : 양성자 가속기

○ 활용 : NT, BT, IT, 우주항공 등

② 라이낙(LINAC) - 국제 과학 비즈니스 벨트

○ 보유 기관 : 국제 과학 비즈니스 벨트

○ 가속 입자 : 수소-우라늄

○ 최대 에너지 : 200 MeV/u

○ 가속기 종류 : 중이온 가속기

○ 활용 : 핵 구조 연구 

③ 사이클로트론

○ 보유 기관 : 국립암센터

○ 가속 입자 : 수소

○ 최대 에너지 : 230 MeV/u

○ 가속기 종류 : 양성자 가속기

○ 활용 : 암 치료 및 연구

④ 신크로트론

○ 보유 기관 : 동남권의학원

○ 가속 입자 : 탄소, 헬륨 등

○ 최대 에너지 : 400 MeV/u

○ 가속기 종류 : 중입자 가속기

○ 활용 : 암 치료 및 연구

⑵ 분류 2. 전자가속기

① 라이낙(LINAC)

○ 보유기관 : 관세청

○ 가속 입자 : 전자

○ 최대 에너지 : 9 MeV

○ 가속기 종류 : 선형가속기

○ 활용 : 컨테이너 검색

② 저장링

○ 보유기관 : 포항가속기 연구소

○ 가속 입자 : 전자

○ 최대 에너지 : 2.5 ~ 10 GeV

○ 가속기 종류 : 선형가속기 + 저장링

○ 활용 : 초정밀가공, 신물질 및 신약 개발

 

입력: 2018.05.20 19:12

수정: 2021.01.18 00:22