ヨウ素の同位体

ヨウ素（₅₃ I）には¹⁰⁸ Iから^{147 Iまでの40の}同位体が知られています。安定している¹²⁷ Iを除いて、すべて放射性崩壊を起こします。したがって、ヨウ素は単一同位体元素です。

最も長寿命の放射性同位体であるヨウ素¹²⁹の半減期は 1,614 万年で、原始核種として存在するには短すぎる。宇宙線起源のヨウ^{素 129 は、}原子量の測定に影響を与えるには小さすぎるほどの微量しか生成しない。したがって、ヨウ素も単核種元素であり、自然界では単一の核種としてのみ存在する。地球上のヨウ素¹²⁹由来の放射能のほとんどは人為的なもので、初期の核実験や核分裂事故による望ましくない長寿命の副産物である。

その他のヨウ素放射性同位元素の半減期はすべて 60 日未満で、そのうち 4 つは医療のトレーサーや治療薬として使用されています。これらは¹²³ I、¹²⁴ I、¹²⁵ I、および¹³¹ I です。放射性ヨウ素同位元素の工業生産にはすべて、これら 4 つの有用な放射性核種が使用されています。

同位体¹³⁵ I の半減期は 7 時間未満で、生物学で使用するには短すぎます。この同位体は、最も強力な既知の中性子吸収体であり、いわゆるヨウ素ピット現象の原因となる核種である¹³⁵ Xeに崩壊するため、この同位体の不可避的なその場での生成は原子炉の制御において重要です。

商業生産に加えて、¹³¹ I（半減期8日）は、原子核分裂の一般的な放射性核分裂生成物の1つであり、原子炉内で意図せずに大量に生成されます。揮発性、半減期の短さ、および核分裂生成物中の多量存在のため、^{131 I（および半減期3日の132} Teの崩壊から生成される短寿命のヨウ素同位体^{132 I）は、原子力発電所の放射}性廃棄物による事故による環境汚染後の最初の1週間の放射能汚染の大部分を占めています。そのため、高濃度のヨウ素サプリメント（通常はヨウ化カリウム）が、原子力事故や爆発の後（場合によっては民間防衛機構としてそのような事故の前に）国民に投与され、高放射性同位体が崩壊する前に、 甲状腺による放射性ヨウ素化合物の摂取を減らします。

ヨウ素の放射性同位体は、放射性ヨウ素または放射性ヨウ素と呼ばれます。数十種類存在しますが、以下に詳述するように、生命科学や原子力などの応用科学で最も注目されているのは、約 6 種類です。医療の文脈で放射性ヨウ素について言及する場合、他の同位体よりもヨウ素 131 を指すことが多いです。

ヨウ素の同位体には多くの種類がありますが、医療現場で一般的に使用されているのはヨウ素123とヨウ素131の2つだけです。ヨウ素¹³¹はベータ崩壊とガンマ崩壊の両方のモードを持つため、放射線治療や画像診断に使用できます。ベータ崩壊のないヨウ素¹²³は、甲状腺やその他の医療プロセスの日常的な核医学画像診断に適しており、患者への体内へのダメージも少ないです。ヨウ素124とヨウ素125も医療現場で使用される場合があります。^[6]

甲状腺によるヨウ素の優先的な取り込みのため、放射性ヨウ素は、機能不全の甲状腺組織の画像診断、および¹³¹ Iの場合はその破壊に広く使用されています。他の種類の組織は、特定のヨウ素 131 を含む組織標的放射性医薬品 ( MIBGなど) を選択的に取り込み、殺傷します。ヨウ素 125 は、放射線治療で使用される唯一の他のヨウ素放射性同位元素ですが、近接照射療法の埋め込みカプセルとしてのみ使用され、この場合には同位元素が放出されて体の組織と化学的に反応する機会はありません。

ガンマ線を放出する同位体であるヨウ素 123 (半減期 13 時間) と、(あまり一般的ではないが) より長寿命でエネルギーの低いヨウ素 125 (半減期 59 日) は、甲状腺の解剖学的および生理学的機能を評価する核イメージングトレーサーとして使用されます。異常な結果は、バセドウ病や橋本甲状腺炎などの疾患によって引き起こされる場合があります。両方の同位体は電子捕獲(EC) によって対応するテルル核種に崩壊しますが、どちらの場合も、これらは準安定核種の^123m Te と^125m Te (エネルギーが高く、放射性ヨウ素から生成されない) ではありません。代わりに、励起されたテルル核種は直ちに崩壊します (半減期が短すぎて検出できません)。 EC に続いて、 ¹²³ I から励起された¹²³ Te が約 13% の割合で127 keV の高速内部転換電子 (ベータ線ではない) を放出しますが、核種の半減期が短く、このような事象の発生頻度が比較的少ないため、細胞にほとんど損傷を与えません。残りのケースでは、ガンマイメージングに適した 159 keV ガンマ線が放出されます。

¹²⁵ Iの電子捕獲によって生じた励起された¹²⁵ Teも、はるかに低エネルギーの内部転換電子 (35.5 keV) を放出します。この電子は、放出される頻度が高いにもかかわらず、エネルギーが低いため、比較的損傷が少なくなります。125 I/ ^{125 Teの}崩壊によって生じる比較的低エネルギーのガンマは、画像化には適していませんが、それでも見ることができます。この長寿命の同位体は、血栓を検出するためのフィブリノーゲンスキャン画像化など、数日間の画像化を必要とする検査に必要です。

¹²³ Iと¹²⁵ Iはどちらも崩壊後に大量の低エネルギーオージェ電子を放出しますが、核種が核内に蓄積する薬剤やDNAに組み込まれない限り、細胞に深刻な損傷（二本鎖DNAの切断）を引き起こすことはありません（臨床医学では決してこのようなことは起こりませんが、実験動物モデルでは見られています）。^[7]

ヨウ素 125 は、放射線腫瘍医による低線量率密封小線源療法でも一般的に使用されており、甲状腺以外の部位の癌、特に前立腺癌の治療に使用されています。¹²⁵ I を治療に使用する場合、チタンシードにカプセル化して腫瘍の領域に埋め込み、そこに留まります。この場合、ガンマスペクトルのエネルギーが低いため、埋め込まれたカプセルから遠く離れた組織への放射線損傷が制限されます。 ヨウ素 125 は、半減期が適度に長く、ガンマスペクトルの透過性が低いため、放射免疫測定法など、ガンマカウンタで計数するトレーサーとしてヨウ素に依存する臨床検査にもよく使用されます。

^{125 Iは、どの}リガンドがどの植物パターン認識受容体（PRR）に結合するかを調べるための放射性標識として使用されます。 ^[8]

ヨウ素 124 は、半減期が 4.18 日の陽子豊富なヨウ素同位体です。崩壊様式は、電子捕獲が 74.4%、陽電子放出が 25.6% です。124 I は¹²⁴ Teに崩壊します。ヨウ素^124は、サイクロトロンを介した多数の核反応によって生成できます。最も一般的に使用される出発物質は¹²⁴ Te です。

ヨウ素124はヨウ化物塩として、陽電子放出断層撮影（PET）を用いて甲状腺を直接画像化するために使用することができる。 ^{[9]ヨウ素124は、}フッ素18と比較して半減期が長いため、 PETの放射性トレーサーとしても使用することができる。^[10]この用途では、核種は医薬品と化学的に結合して陽電子放出放射性医薬品を形成し、体内に注入され、そこで再びPETスキャンによって画像化される。

ヨウ素 129 ( ¹²⁹ I、半減期1570 万年) は、大気中のキセノンのさまざまな同位体に対する宇宙線の核破砕、宇宙線ミューオンとテルル 130 の相互作用、および地下の岩石と原子炉の両方におけるウランとプルトニウムの核分裂によって生成される。人工的な核プロセス、特に核燃料の再処理と大気圏内の核兵器実験により、この同位体の自然なシグナルは現在では圧倒されている。しかし、現在は地下水トレーサーとして機能し、自然環境への核廃棄物の拡散の指標となっている。同様に、^{129 I は}チェルノブイリ原発事故後の核分裂生成物を追跡するための雨水研究に使用された。

ある意味で、^{129 I は36} Clに似ています。これは可溶性ハロゲンで、主に非吸着性陰イオンとして存在し、宇宙線起源、熱核反応、および原位置反応によって生成されます。水文学的研究では、¹²⁹ I 濃度は通常、¹²⁹ I と総 I (実質的にすべて^{127 I) の比として報告されます。 36} Cl/Clの場合と同様に、自然界での¹²⁹ I/I 比は非常に小さく、10 ⁻¹⁴～ 10 ⁻¹⁰です(1960 年代と 1970 年代の熱核¹²⁹ I/I のピークは約 10 ⁻⁷に達しました)。^{129 I は36} Clと異なり、半減期が長い (1570 万年対 30 万 1 千年)、親生物性が高い、化学的挙動が異なる複数のイオン形態 (一般に I ⁻およびIO ₃ ⁻ ) で存在する。このため、¹²⁹ I は植物、土壌、牛乳、動物組織などに組み込まれて生物圏に入り込みやすい。隕石中の安定した¹²⁹ Xe の過剰は、太陽系の形成の元となった塵とガスを生成した超新星によって新たに生成された「原始」ヨウ素 129 の崩壊によって生じることがわかっている。この同位体は長い間崩壊しているため、「絶滅」している。歴史的に、^{129 I は初期の}太陽系に存在していたことが確認された最初の絶滅放射性核種である。その崩壊は、太陽系の進化の最初の 8500 万年をカバーするI-Xe ヨウ素-キセノン放射年代測定法の基礎となります。

ヨウ素131（¹³¹
私
) は、半減期が 8 日のベータ線放出同位体であり、比較的エネルギーの高い (平均 190 keV、最大エネルギー 606 keV) ベータ線であり、摂取部位から 0.6 ～ 2.0 mm を透過します。このベータ線は、甲状腺結節または機能亢進した甲状腺組織の破壊や、バセドウ病の治療のための手術後の残存甲状腺組織の除去に使用できます。1941年にソール・ヘルツ博士によって初めて研究されたこの治療法の目的は、 ^[11]手術で除去できなかった甲状腺組織を破壊することです。この処置では、診断スキャン後に^{131 I を静脈内または経口投与します。この処置は、高用量の放射性ヨウ素とともに、}甲状腺がんの患者の治療にも使用できます。

131 I^は甲状腺組織に取り込まれ、そこで濃縮されます。放射性同位元素から放出されるベータ粒子は、周囲の組織にほとんど損傷を与えることなく（ヨウ素を吸収する組織から 2.0 mm 以上離れた場所）、関連する甲状腺組織を破壊します。同様の破壊作用があるため、¹³¹ I は、治療目的で組織を破壊するために使用される他の水溶性ヨウ素標識放射性医薬品（ MIBGなど）に使用されるヨウ素放射性同位元素です。

¹³¹ Iは高エネルギーベータ線（最大 606 keV）を放出するため、ヨウ素同位体の中で最も発がん性が高い。核分裂汚染（爆弾の落下物やチェルノブイリ原発事故のような深刻な原子炉事故など）後に見られる過剰な甲状腺がんの大部分は、この放射性同位体によるものだと考えられている。しかし、これらの疫学的影響は主に小児に見られ、成人および小児に対する治療目的の¹³¹ Iによる治療、および低線量の¹³¹ I に曝露した成人の疫学調査では発がん性は実証されていない。^[12]

ヨウ素 135 は、半減期が 6.6 時間のヨウ素同位体です。原子炉物理学の観点から重要な同位体です。核分裂生成物として比較的大量に生成され、キセノン 135に崩壊します。キセノン 135 は、知られている中で最も大きな熱中性子断面積を持つ核毒であり、原子炉の制御にさまざまな問題を引き起こします。蓄積されたヨウ素 135 からキセノン 135が増加するプロセスにより、停止した原子炉の再起動が一時的に妨げられることがあります。これは、キセノン中毒または「ヨウ素ピットへの陥入」として知られています。

上記で取り上げていないヨウ素核分裂生成同位体（ヨウ素128、ヨウ素130、ヨウ素132、ヨウ素133）は半減期が数時間または数分であるため、他の適用分野ではほとんど役に立たない。これらの同位体は中性子に富み、ベータ崩壊してキセノン同位体になる。ヨウ素128（半減期25分）は、電子捕獲によってテルル128に、またはベータ崩壊によってキセノン128に崩壊する。その比放射能は2.177 × 10 ⁶  TBq/g。

口語では、放射性物質は「熱い」、非放射性物質は「冷たい」と表現されます。甲状腺による熱いヨウ化物の取り込みを防ぐために、冷たいヨウ化物が人に投与されることがあります。たとえば、ヨウ化カリウムによる甲状腺のヨウ素取り込みの遮断は、核医学 シンチグラフィーや、神経組織腫瘍の画像化や治療に使用されるイオベングアン( MIBG ) や、凝固を調べるためのフィブリノゲンスキャンで使用されるヨウ化フィブリノゲンなど、甲状腺を標的としない放射性ヨウ化化合物による治療で使用されます。これらの化合物にはヨウ素が含まれていますが、ヨウ化物の形ではありません。しかし、これらは最終的に代謝されたり放射性ヨウ化物に分解されたりする可能性があるため、これらの放射性医薬品の代謝物が甲状腺に閉じ込められ、その組織に意図せず放射線量が投与されることがないように、非放射性のヨウ化カリウムを投与するのが一般的です。

ヨウ化カリウムは、チェルノブイリ原発事故などの核分裂事故で被ばくした人々に配布されてきた。ヨウ化カリウム ( K ) を水に飽和させたヨウ化物溶液SSKIは、放射性ヨウ素の吸収を阻止するために使用されている (核分裂による他の放射性同位元素には影響しない)。ヨウ化カリウムを含む錠剤も現在、この目的で製造され、一部の政府によって災害現場の中央に備蓄されている。理論上は、核フォールアウトによる多くの有害な後発がん作用は、この方法で予防できる可能性がある。なぜなら、核分裂事故後、または原子爆弾のフォールアウトによる汚染後に発生する放射性同位元素による汚染作用として証明されているのは、おそらく放射性ヨウ素の摂取による甲状腺がんの過剰発生だけであるからである (爆弾からの即発放射線は、白血病など他のがんも直接引き起こす)。多量のヨウ化物を摂取すると、甲状腺受容体が飽和し、核分裂生成物への曝露によって存在する可能性のある放射性ヨウ素131のほとんどの取り込みが妨げられます（ただし、他の放射性同位元素や直接放射線の他の形態からは保護しません）。KIの保護効果は約24時間持続するため、核分裂生成物からの放射性ヨウ素への重大な曝露のリスクがなくなるまで毎日投与する必要があります。^{[13] [14]}ヨウ素131（放射性降下物中の最も一般的な放射性ヨウ素汚染物質）も、半減期が8日で比較的急速に崩壊するため、3か月後には元の放射性ヨウ素の99.95％が消失します。

• 同位体質量:
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001
• 半減期、スピン、異性体データは、以下のソースから選択されています。
  • アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001
  • 国立核データセンター。「NuDat 2.x データベース」。ブルックヘブン国立研究所。
  • ホールデン、ノーマン E. (2004)。「11. 同位体の表」。ライド、デビッド R. (編)。CRC化学および物理学ハンドブック(第 85 版)。フロリダ州ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-0-8493-0485-9。

• バークレー研究所同位体プロジェクトのヨウ素同位体データ
• ヨウ素 128、ヨウ素 130、ヨウ素 132 データは「Wolframalpha」から取得