পরমাণু চিকিৎসায় মৌলিক পদার্থবিজ্ঞান/তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ উৎপাদন

.

প্রকৃতিতে পাওয়া বেশিরভাগ রেডিওআইসোটোপের (তেজস্ক্রিয় আইসোটোপ) অর্ধায়ু তুলনামূলকভাবে দীর্ঘ হয়। এগুলো এমন সব উপাদানের অন্তর্ভুক্ত যা মানবদেহ ভালোভাবে গ্রহণ বা পরিচালনা করতে পারে না। ফলস্বরূপ, চিকিৎসা ক্ষেত্রে ব্যবহারের জন্য সাধারণত কৃত্রিমভাবে তৈরি রেডিওআইসোটোপের প্রয়োজন হয়।

আমরা এই উইকিবইয়ের পূর্ববর্তী অধ্যায়গুলোতে তেজস্ক্রিয়তার বিষয়টি দেখেছি এবং তারপরে পদার্থের সাথে বিকিরণের মিথস্ক্রিয়া, বিকিরণ ডিটেক্টর এবং ইমেজিং সিস্টেমের আলোচনায় এগিয়েছি। রেডিওআইসোটোপ তৈরির পদ্ধতিগুলো সম্পর্কে জানার জন্য আমরা এই অধ্যায়ে আবার তেজস্ক্রিয়তার উৎসসমূহের আলোচনায় ফিরে এসেছি।

নিউক্লিয়ার মেডিসিন ইমেজিংয়ের জন্য উপযোগী রেডিওআইসোটোপের এমন কিছু বৈশিষ্ট্য থাকা উচিত যা রোগীর বিকিরণ ডোজ যতটা সম্ভব কম রাখে। এই কারণে সাধারণত এগুলোর অর্ধায়ু সংক্ষিপ্ত হয় এবং এগুলো কেবল গামা-রশ্মি নির্গমন করে - অর্থাৎ কোনো আলফা-কণা বা বিটা-কণা নির্গমন করে না। শক্তির দৃষ্টিকোণ থেকে, গামা-রশ্মির শক্তি এতটা কম হওয়া উচিত নয় যে বিকিরণটি রোগীর শরীর থেকে বের হওয়ার আগেই সম্পূর্ণরূপে শোষিত হয়ে যায়, আবার এতটা বেশিও হওয়া উচিত নয় যা সনাক্ত করা কঠিন হয়। এই কারণে ব্যবহৃত বেশিরভাগ রেডিওআইসোটোপ মাঝারি শক্তির গামা-রশ্মি নির্গমন করে, যা প্রায় ১০০ থেকে ২০০ keV-এর মধ্যে থাকে। পরিশেষে, যেহেতু রেডিওআইসোটোপটিকে কোনো না কোনো রেডিওফার্মাসিউটিক্যাল (তেজস্ক্রিয় ওষুধ) এর অন্তর্ভুক্ত করতে হয়, তাই এটি এমন একটি রূপে উৎপাদনে সক্ষম হওয়া উচিত যা রাসায়নিক, ফার্মাসিউটিক্যাল এবং জীবাণুমুক্তকরণ প্রক্রিয়ার উপযোগী হয়।

আমরা যে উৎপাদন পদ্ধতিগুলো বিবেচনা করব সেগুলো হলো নিউক্লিয়ার ফিশন (নিউক্লীয় বিভাজন), নিউক্লিয়ার বোম্বার্ডমেন্ট (নিউক্লীয় বোমাভর্ষণ) এবং রেডিওআইসোটোপ জেনারেটর।

নিউক্লিয়ার ফিশন

অধ্যায় ২-এ আমরা স্বতঃস্ফূর্ত ফিশনের সাথে পরিচিত হয়েছিলাম, যেখানে আমরা দেখেছি যে একটি ভারী নিউক্লিয়াস বেশ কয়েকটি খণ্ডে ভেঙে যেতে পারে। যখন নির্দিষ্ট কিছু ভারী নিউক্লিয়াস নিউট্রন শোষণ করে, তখন এই ভাঙন প্রক্রিয়াটি কৃত্রিমভাবে ঘটানো সম্ভব হয়। নিউট্রন শোষণের পর এই ধরনের নিউক্লিয়াসগুলো প্রায় ৩০ থেকে ৬৫ পারমাণবিক সংখ্যার ছোট ছোট খণ্ডে ভেঙে যায়। এই নতুন নিউক্লিয়াসগুলোর মধ্যে কিছু নিউক্লিয়ার মেডিসিনের জন্য মূল্যবান এবং রাসায়নিক প্রক্রিয়া ব্যবহার করে এদেরকে অন্যান্য ফিশন খণ্ড থেকে আলাদা করা যায়।

ফিশন প্রক্রিয়াটি পারমাণবিক চুল্লি নামক একটি যন্ত্রের ভেতরে নিয়ন্ত্রণ করা হয়। অস্ট্রেলিয়ার নিউ সাউথ ওয়েলসের লুকাস হাইটসে এরকম একটি চুল্লি রয়েছে এবং বিশ্বজুড়ে আরও অনেক চুল্লি রয়েছে।

নিউক্লিয়ার বোম্বার্ডমেন্ট

রেডিওআইসোটোপ উৎপাদনের এই পদ্ধতিতে আধানযুক্ত কণাগুলোকে অত্যন্ত উচ্চ শক্তিতে ত্বরান্বিত করা হয় এবং একটি লক্ষ্যবস্তুর (টার্গেট মেটেরিয়াল) ওপর আঘাত করানো হয়। এই ধরনের আধানযুক্ত কণার উদাহরণ হলো প্রোটন, আলফা কণা এবং ডিউটেরন। যখন এই কণাগুলো লক্ষ্যবস্তুর নিউক্লিয়াসের সাথে সংঘর্ষে লিপ্ত হয়, তখন নতুন নিউক্লিয়াস গঠিত হতে পারে। এই নিউক্লিয়াসগুলোর কিছু নিউক্লিয়ার মেডিসিনের জন্য মূল্যবান।

এই পদ্ধতির একটি উদাহরণ হলো ²²Na উৎপাদন, যেখানে ²⁴Mg-এর একটি লক্ষ্যবস্তুকে ডিউটেরন দিয়ে আঘাত করা হয়, অর্থাৎ: টেমপ্লেট:Nowrap

[[../Atomic & Nuclear Structure|অধ্যায় ১]] থেকে আপনার মনে থাকতে পারে যে, ডিউটেরন হলো হাইড্রোজেনের দ্বিতীয় সবচেয়ে সাধারণ আইসোটোপ, অর্থাৎ ²H। যখন এটি একটি ²⁴Mg নিউক্লিয়াসের সাথে সংঘর্ষে লিপ্ত হয়, তখন একটি ²²Na নিউক্লিয়াস এবং একটি আলফা কণা উৎপন্ন হয়। লক্ষ্যবস্তুটিকে একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য ডিউটেরনের সংস্পর্শে রাখা হয় এবং পরবর্তীতে ²²Na নিউক্লিয়াস আলাদা করার জন্য রাসায়নিকভাবে প্রক্রিয়া করা হয়।

রেডিওআইসোটোপ উৎপাদনের এই পদ্ধতিতে সাধারণত যে ধরনের যন্ত্র ব্যবহৃত হয় তাকে সাইক্লোট্রন বলা হয়। এটি আধানযুক্ত কণা তৈরির জন্য একটি আয়ন গান, সেগুলোকে উচ্চ শক্তিতে ত্বরান্বিত করার জন্য ইলেকট্রোড এবং লক্ষ্যবস্তুর দিকে চালিত করার জন্য একটি চুম্বক নিয়ে গঠিত। এর পুরো প্রক্রিয়াটি একটি বৃত্তাকার কাঠামোতে সাজানো থাকে।

রেডিওআইসোটোপ জেনারেটর

হাসপাতাল বা ক্লিনিকে নির্দিষ্ট কিছু স্বল্পস্থায়ী রেডিওআইসোটোপ তৈরির জন্য এই পদ্ধতিটি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। এর মধ্যে একটি তুলনামূলকভাবে দীর্ঘস্থায়ী রেডিওআইসোটোপ সংগ্রহ করা অন্তর্ভুক্ত, যা ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ে প্রয়োজনীয় স্বল্পস্থায়ী আইসোটোপে পরিণত হয়।

একটি ভালো উদাহরণ হলো ^99mTc, যা আমরা আগেও উল্লেখ করেছি যে বর্তমানে নিউক্লিয়ার মেডিসিনে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত রেডিওআইসোটোপ। এই আইসোটোপের অর্ধায়ু ছয় ঘণ্টা, যা কোনো পারমাণবিক কেন্দ্র থেকে সরাসরি সরবরাহ করার জন্য বেশ কম সময়। এর পরিবর্তে পারমাণবিক কেন্দ্র থেকে ⁹⁹Mo আইসোটোপ সরবরাহ করা হয়, যা প্রায় ২.৭৫ দিনের অর্ধায়ু সহ ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ে ^99mTc-এ পরিণত হয়। এখানে ⁹⁹Mo-কে পেরেন্ট (মাতৃ) আইসোটোপ এবং ^99mTc-কে ডটার (দুহিতা) আইসোটোপ বলা হয়।

তাই পারমাণবিক কেন্দ্রটি পেরেন্ট আইসোটোপ তৈরি করে যা তুলনামূলকভাবে ধীর গতিতে ডটার আইসোটোপে ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এবং হাসপাতাল বা ক্লিনিকে ডটার আইসোটোপটিকে পেরেন্ট আইসোটোপ থেকে রাসায়নিকভাবে আলাদা করা হয়। এই রাসায়নিক পৃথকীকরণ যন্ত্রটিকে, এই উদাহরণে, একটি ^99mTc জেনারেটর বলা হয়:

এটি একটি সিরামিক কলাম নিয়ে গঠিত যার উপরিভাগে ⁹⁹Mo অধিশোষিত থাকে। ইলুয়েন্ট নামক একটি দ্রবণ এই কলামের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত করা হয়, যা যেকোনো ^99mTc-এর সাথে রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়া করে এবং এমন একটি রাসায়নিক রূপে নির্গত হয় যা রেডিওফার্মাসিউটিক্যাল তৈরির জন্য কোনো ওষুধের সাথে মিশ্রিত করার উপযোগী। ডানদিকের চিত্রে দেখানো ব্যবস্থাটিকে একটি পজিটিভ প্রেসার (ইতিবাচক চাপ) সিস্টেম বলা হয়, যেখানে ইলুয়েন্ট ভায়ালে বায়ুমণ্ডলীয় চাপের চেয়ে সামান্য বেশি চাপের মাধ্যমে ইলুয়েন্টটিকে সিরামিক কলামের মধ্য দিয়ে যেতে বাধ্য করা হয়।

বিকিরণ সুরক্ষার উদ্দেশ্যে সিরামিক কলাম এবং সংগ্রহকারী ভায়ালগুলোকে সিসার শিল্ডিং (আবরণ) দ্বারা বেষ্টিত করা প্রয়োজন। এছাড়া সমস্ত উপাদান জীবাণুমুক্ত অবস্থায় তৈরি এবং রক্ষণাবেক্ষণ করা প্রয়োজন, কারণ সংগৃহীত দ্রবণটি রোগীদের শরীরে প্রয়োগ করা হবে।

পরিশেষে, রোগীর ডোজ প্রস্তুত করার জন্য তেজস্ক্রিয়তা নির্ধারণ করতে এবং সংগৃহীত দ্রবণে কোনো ⁹⁹Mo উপস্থিত আছে কিনা তা পরীক্ষা করতে একটি ^99mTc জেনারেটর ব্যবহারের সময় একটি আইসোটোপ ক্যালিব্রেটর প্রয়োজন হয়।

একটি 99m-Tc জেনারেটরের কার্যপ্রণালী

ধরা যাক আমাদের কাছে ⁹⁹Mo-এর একটি নমুনা আছে এবং ধরা যাক যে $t=0$ সময়ে আমাদের নমুনায় $N_0$ সংখ্যক নিউক্লিয়াস আছে এবং অন্য কিছু নেই। অধ্যায় ৩-এ আলোচিত তেজস্ক্রিয় ক্ষয় সূত্র অনুযায়ী ⁹⁹Mo নিউক্লিয়াসের সংখ্যা $N(t)$ সময়ের সাথে সাথে হ্রাস পায়:

$N(t)=N_{\mathrm{0}}{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}t}$

যেখানে ${\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}$ হলো ⁹⁹Mo-এর ক্ষয় ধ্রুবক।

অতএব, একটি ক্ষুদ্র সময় ব্যবধান $dt$-এর মধ্যে ক্ষয়প্রাপ্ত হওয়া ⁹⁹Mo নিউক্লিয়াসের সংখ্যা নিচের সমীকরণ দ্বারা প্রকাশ করা হয়:

$\mathrm{d}N(t)=-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}{N}_{\mathrm{0}}{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}t}\mathrm{d}t$

যেহেতু ⁹⁹Mo ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ে ^99mTc-এ পরিণত হয়, তাই $dt$ সময়কালের মধ্যে সমান সংখ্যক ^99mTc নিউক্লিয়াস গঠিত হয়। একটি সময় $t^{\prime }$-এ, এই নিউক্লিয়াসগুলোর কেবল একটি ভগ্নাংশ $\mathrm{d}n(t^{\prime })$ অবশিষ্ট থাকবে যেহেতু ^99mTc-ও ক্ষয়প্রাপ্ত হচ্ছে। ^99mTc-এর ক্ষয় হওয়ার সময় $t^{\prime }-t$ দ্বারা প্রদত্ত। তেজস্ক্রিয় ক্ষয় সূত্রে এটি প্রয়োগ করে আমরা পাই:

$\mathrm{d}n(t^{\prime })=-\mathrm{d}N(t)e^{-{\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}(t^{\prime }-t)}={\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}{N}_{\mathrm{0}}{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}t}{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}(t^{\prime }-t)}\mathrm{d}t$

এখন আমরা এই ক্ষুদ্র অবদান $\mathrm{d}n(t^{\prime })$ গুলোকে যোগ করি। অন্য কথায়, $t^{\prime }$ সময়ে উপস্থিত সমস্ত ^99mTc নিউক্লিয়াসের সংখ্যা $n(t^{\prime })$ খুঁজে বের করার জন্য আমরা $t$-এর সাপেক্ষে সমাকলন (ইন্টিগ্রেট) করি:

$n(t^{\prime })={\int }_0^{t^{\prime }}-\mathrm{d}N(t^{\prime })e^{-{\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}(t^{\prime }-t)}={\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}{N}_{\mathrm{0}}{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}{t}^{\prime }}{\int }_0^{t^{\prime }}{e}^{({\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}})t}\mathrm{d}t$

অবশেষে এই সমাকলনটি সমাধান করে আমরা পাই:

$\begin{array}{ccc}\Rightarrow n(t^{\prime })& =& \frac{{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}}{{\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}}}{N}_{\mathrm{0}}{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}{t}^{\prime }}(e^{({\lambda }_{\mathrm{T}\mathrm{c}}-{\lambda }_{\mathrm{M}\mathrm{o}})t^{\prime }}-1)\end{array}$

নিচের চিত্রটি এই গণনার ফলাফল প্রদর্শন করে। অনুভূমিক অক্ষটি সময় (দিনে) নির্দেশ করে, যখন উল্লম্ব অক্ষটি উপস্থিত নিউক্লিয়াসের সংখ্যা (যেকোনো এককে) নির্দেশ করে। সবুজ রেখাটি একটি বিশুদ্ধ ^99mTc নমুনার সূচকীয় ক্ষয় প্রদর্শন করে। লাল রেখাটি একটি ^99mTc জেনারেটরে উপস্থিত ^99mTc নিউক্লিয়াসের সংখ্যা দেখায় যা কখনই ইলুয়েশন (নিষ্কাশন) করা হয়নি। পরিশেষে, নীল রেখাটি প্রতি ১২ ঘণ্টা পর পর ইলুয়েশন করা একটি ^99mTc জেনারেটরের অবস্থা দেখায়।

একটি রেডিওআইসোটোপ জেনারেটরে ১২ ঘণ্টার ব্যবধানে ইলুয়েশন সহ এবং ইলুয়েশন ছাড়া ⁹⁹Mo ক্ষয় থেকে উৎপন্ন অ্যাক্টিভিটির সাথে ^99mTc-এর ভৌত ক্ষয়ের তুলনা।

একটি নিউক্লিয়ার মেডিসিন হট ল্যাবে তোলা আলোকচিত্রগুলো নিচে দেখানো হলো:

ল্যামিনার ফ্লো ক্যাবিনেটের চারপাশের সিসার শিল্ডিং, যেখানে রেডিওফার্মাসিউটিক্যালস প্রস্তুত করা হয়।

ল্যামিনার ফ্লো ক্যাবিনেটের চারপাশের সিসার শিল্ডিংয়ের আরেকটি দৃশ্য।

বহিঃসংযোগ

• মলিবডেনাম সরবরাহ নিয়ে উদ্বেগ – ব্রিটিশ নিউক্লিয়ার মেডিসিন সোসাইটি কর্তৃক সংকলিত ২০০৮ সালের খবর।
• সাইক্লোট্রন জাভা অ্যাপলেট – ন্যাশনাল তাইওয়ান নরমাল ইউনিভার্সিটির পদার্থবিজ্ঞান বিভাগের ভার্চুয়াল ফিজিক্স ল্যাবরেটরির ফু-ক্বুন হোয়াং-এর তৈরি একটি সাইক্লোট্রনের কার্যপ্রণালীর জাভা-ভিত্তিক ইন্টারেক্টিভ প্রদর্শন।
• পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্র প্রদর্শন – একটি পারমাণবিক চুল্লি নিয়ন্ত্রণের জাভা-ভিত্তিক ইন্টারেক্টিভ প্রদর্শন। এতে পারমাণবিক শক্তি সংক্রান্ত তথ্যের লিংকও রয়েছে।
• ANSTO – অস্ট্রেলিয়ার পারমাণবিক সংস্থা সংক্রান্ত তথ্য।
• মেডিকেল ভ্যালি – নেদারল্যান্ডস এনার্জি রিসার্চ ফাউন্ডেশন পেটেনের তৈরি নিউক্লিয়ার মেডিসিন কী, পারমাণবিক ওষুধের উৎপাদন, মলিবডেনাম এবং টেকনেশিয়াম সংক্রান্ত তথ্য ধারণ করে।