【화학】 22-2강. 방사성 동위원소와 입자의 상호작용

22-2강. 방사성 동위원소와 입자의 상호작용

 

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1. 개요 [본문]

2. 종류 1. 체렌코프 현상 [본문]

3. 종류 2. 빛과 원자의 충돌 [본문]

4. 종류 3. radiobleaching [본문]

5. 종류 4. 물질의 decay [본문]

6. 사용 중인 방사선 핵종 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ 방사성 동위원소는 주변 환경에 크게 의존하지 않고 일정한 반감기를 보여줌

① 결과 1. 예측 가능함 : 의학 진단에 유용하게 사용 가능

② 결과 2. 항상 활성상태 : 외부 에너지원이 필요 없어 의학 치료에 유용하게 사용 가능

⑵ 나노입자의 역할 : 방사성 동위원소의 신호를 증폭하거나 유용한 형태로 전환함

 

 

2. 종류 1. 체렌코프 현상 [목차]

⑴ 1-1. 체렌코프 방사(Cerenkov radiation, Cherenkov radiation) : 체렌코프 발광(Cerenkov luminescence)이라고도 함

① 개요

○ 정의 : 전하를 띤 입자(charged particle)가 그 매질에서 빛보다 빠를 때 빛이 방출되는 현상

○ 체렌코프 방사는 1960년에 보고되었지만 의학바이오에 사용된 시도는 2009년이 최초

② 과정

○ 1^st. 방사성 동위원소는 전하를 띤 입자를 방출함 (예 : α 입자, β 입자, β⁺ 입자)

○ 2^nd. 전하를 띤 입자는 전기장을 주변에 퍼뜨림 : 그 결과 전기장을 매개하는 입자인 광자 또한 퍼뜨림

○ 3^rd. 전하를 띤 입자의 속도는 용매 내에서 빛의 속도보다 빨라질 수 있음

○ 전하를 띤 입자는 관성에 의해 진공에서의 속도와 비슷함

○ 빛의 속도는 매질 내에서 크게 감소함 : 이때 굴절률이 중요하고 조직의 굴절률은 대략 1.4

○ 조직의 굴절률 하에서 빛의 속도보다 빠른 입자를 생성하려면 방사성 동위원소는 0.219 MeV 이상이어야 함

○ 일반적인 방사성 동위원소는 0.219 MeV 조건을 달성할 수 있음

○ 4^th. 전하를 띤 입자의 속도가 빛의 속도보다 빨라지면 빛이 발생함

○ 전하를 띤 입자의 속도에 따른 광자 파동의 형상

 

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Figure. 1. 전하를 띤 입자의 속도에 따른 광자 파동의 형상^]

 

○ 매질 내에서 전하를 띤 입자가 빛보다 빠를 때 빛이 생성되는 과정

 

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Figure. 2. 매질 내에서 전하를 띤 입자가 빛보다 빠를 때 빛이 생성되는 과정

 

○ Figure. 1에서 광자 파동은 연속적으로 발생하지만 띄엄띄엄 발생하는 것처럼 그림 (이해 도모 목적)

○ 기하학적으로 인접한 원 간의 직경 차이와 원과 원 사이의 거리가 항상 일정하면 원들은 공통접선을 가짐

○ 공통접선의 물리적 의미 : 위상이 같은 광자들의 집합

○ 현대 광학적으로 위상이 같은 광자들이 서로 보강간섭을 일으키면 빛이 발생함

○ 심지어 직진하는 빛도 끊임없이 쌍소멸·쌍생성을 반복하며 끊임없이 보강간섭을 일으켜 앞으로 나아감

○ 5^th. 체렌코프 발광은 파장의 제곱에 반비례함

○ 결과적으로 다양한 파장의 빛 중 푸른색 계열의 빛에 치중됨

○ 자외선도 다수 나올 것으로 예상됨

○ ¹⁸F, ⁶⁴Cu보다 ⁶⁸Ga, ⁹⁰Y가 바람직함

③ 장점

○ 여러 동물로부터 동시에 이미지를 얻어낼 수 있음

○ 데이터 획득 시간이 짧음

○ 핵의학 영상장비에 비해 더 쌈

○ 방사성 동위원소를 씀으로써 외부 에너지원을 필요로 하지 않고 SNR이 높으며 자기형광 등의 문제 없음

○ ⁹⁰Y, ²²⁵Ac 등의 순수한 β 방출원 또는 α 방출원은 정량하기 어려운데 체렌코프 방사를 통해 가능함

④ 단점

○ 빛의 파장이 짧아 조직 투과력이 약함

○ 빛의 세기가 매우 약함 : 태양광보다 수십억 배 약함

⑵ 1-2. 체렌코프 방사 에너지 전달(Cherenkov radiation energy transfer, CRET)

① 개요

○ 정의 : 파란색 계열의 체렌 코프 발광을 빨강 혹은 적외선 계열로 변환하는 것

○ 실익 : 파란색 계열의 빛은 투과 거리가 길지 않지만 빨강 혹은 적외선 계열은 투과 거리가 긺

② 과정

○ 1^st. 방사성 동위원소에 의해 체렌코프 발광이 발생함

○ 2^nd. 체렌코프 발광은 인접한 형광물질에 흡수됨

○ 3^rd. 형광물질은 더 긴 파장대의 광자를 방출함 (∵ 에너지 손실)

○ 4^th. 방사성 동위원소가 방출하는 전리 입자, 체렌코프 발광, CRET 형광 등이 혼재하게 됨

○ 방사성 동위원소와 형광물질이 가깝게 위치하면 체렌코프 발광은 나타나지 않을 수 있음

 

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Figure. 3. 나노입자를 활용한 체렌코프 발광 시스템의 응용^]

 

○ Figure. 3b 왼쪽 : [¹⁸F]-FDG와 같은 임상에서 쓰이는 독립적인 radiotracer를 쓸 수 있음. 최적화가 많이 필요함

○ Figure. 3b 중간 : 킬레이터 등을 통한 확실한 radiolabeling 필요. 약리적 특성 변화 또는 detachment 가능성

○ Figure. 3b 오른쪽 (hot-plus-cold 또는 cation exchange 전략) : 신호가 더 신뢰성 있지만 구현이 어려움

⑶ 1-3. (참고) bremsstrahlung

 

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Figure. 4. bremsstrahlung^]

 

① 정의 : 전자의 가속운동으로 인해 에너지 차이가 발생하면서 빛이 발생하는 현상 

② 수식화

 

 

③ 체렌코프 방사와 차이가 있음을 유의

④ 러더포드 원자모형의 한계를 언급하면서 소개된 현상이기도 함

 

 

3. 종류 2. 빛과 원자의 충돌 [목차]

⑴ 2-1. 감마 섬광(γ-scintillation)

① 정의 : X선 또는 γ선이 원자량이 높은 금속 원소에 가해지면서 전자나 빛이 방출되는 현상

② 전자의 방출

○ 관련 물리 현상 : 콤프턴 산란(Compton scattering), 오제 전자(Auger electron), 쌍생성 (β⁺ 및 β^-)

○ 원자량이 높은 금속은 내부 전자가 많으므로 전자가 쉽게 방출될 수 있음

③ 빛의 방출

○ 관련 물리 현상 : 형광, 레일리 산란(Reyleigh scattering)

○ 형광 : 빛이 원자의 최외각 전자를 일시적으로 흥분시켜 형광이 방출되도록 하는 것

○ 레일리 산란 : 빛이 입자와 충돌하면서 에너지를 잃어 원래 파장보다 더 긴 파장대의 빛이 되는 것

④ 감마 섬광의 세기는 (Z/E)³에 비례함

○ Z : excitable material의 원자량

○ E : 방사성 동위원소의 에너지

⑵ 2-2. (참고) 베타 섬광(β-scintillation)

① 정의 : β선이 원자량이 높은 금속 원소에 가해지면서 전자가 방출되는 현상

⑶ 2-3. characteristic X-ray

① 정의 : ionizing radition에 의해 K 전자껍질 전자가 방출되고, L 전자껍질 전자가 K 전자껍질로 이동하면서 X선 발생

 

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Figure. 4. characteristic X-ray의 원리^]

 

○ K : n = 1인 전자 껍질

○ L : n = 2인 전자 껍질

○ M : n = 3인 전자 껍질

② scintillating material의 종류에 상관 없이 공통의 피크가 관찰된다는 의미로 "characteristic"이라는 명칭이 붙임

③ 이러한 X선은 SPECT에 응용할 수 있음 (ref)^]

⑷ 2-4. 쌍생성 및 쌍소멸 

 

 

4. 종류 3. radiobleaching [목차]

 

 

5. 종류 4. 물질의 decay [목차]

⑴ 4-1. β-emitter에 의한 물질의 decay

⑵ 4-2. α-emitter에 의한 물질의 decay : 최근 대두되기 시작한 α-emitter는 β-emitter보다 decay를 더 잘 일으킴

 

 

6. 사용 중인 방사선 핵종 [목차]

⑴ ³H (tritium) : 에너지 방출이 약해서 나노입자에 전리작용만 일으킬 뿐 체렌코프 발광을 일으키지 못함

⑵ ³⁵S : 에너지 방출이 강해서 나노입자와 함께 체렌코프 발광, 전리작용, X-ray 생성 등을 발생시킴

⑶ ^99mTc : 감마선을 방출하여 전자를 방출시키거나, 발광을 일으키거나 K 전자껍질을 자극하여 X-ray를 발생

⑷ ¹⁸F, ⁶⁴Cu : 고에너지 β선 또는 γ선을 만들어 발광을 일으킴

 

입력: 2021.06.14 02:23