Radioisotopes, α,β particles, gamma, x rays radioactive decay, half-life, negatron, units of radioactivity, Curie, Becquerel, radiation counter use in biochemistry

1. 1
4.DMLT 2nd YEAR - SOME BASIC CONCEPTS OF BIOCHEMISTRY (U. P. State Medical
Faculty syllabus) in Hinglish
LESSON 4
[Radioisotopes and their use in biochemistry]
RADIOISOTOPES AND THEIR USE IN BIOCHEMISTRY
हम जानते हैं कि atoms एक element क
े सबसे छोटे घटक (component) हैं और एक atom में nucleus होता
है, जो protons (+ve charge) और neutrons (no charge) से बना होता है, जिसक
े चारों ओर negatively
charged electrons घूमते रहते हैं I nucleus में प्रोटॉन की संख्या (P) element का atomic number (Z) तथा
प्रोटॉन और neutron (N) की संख्या का क
ु ल योग atomic mass/mass number (A) कहलाता है I
Number of protons (P) = Number of electrons (E) = Atomic number (Z)
Mass number (A) = (P) + (N)
एक element क
े atom में neutrons की संख्या में भिन्नता हो सकती है जिसक
े कारण एक ही element क
े
अलग - अलग mass number क
े atoms हो सकते हैं I इसीलिए, क
ु छ elements ऐसे होते हैं जिनक
े atoms का
atomic number तो समान होता है किन्तु उनक
े mass numbers (atomic masses) अलग - अलग होते हैं I
ऐसे atoms को समस्थानिक (isotopes) कहते हैं I इस तरह Isotopes are the atoms of the same element
that have the same number of protons in their atomic nuclei (same atomic number) but differing
in numbers of neutrons (different atomic masses) अर्थात एक ही तत्व क
े वो परमाणु जिनकी परमाणु
संख्या समान होती है किन्तु परमाणु भार अलग - अलग हों I उदाहरण: Hydrogen क
े तीन isotopes होते हैं
क्योंकि उनमें neutrons की संख्या अलग - अलग होती है I
जब किसी atom में neutrons की संख्या protons की संख्या से अधिक होती है यानि N:P ratio 1 से अधिक
होता है तो atom अस्थिर (unstable) हो जाता है और ऐसे atoms क
े nucleus में अतिरिक्त energy होती है I
इन unstable isotopes को radioisotopes, radionuclides या radioactive isotopes (रेडियोधर्मी
समस्थानिक) कहते हैं I ऐसे radioisotopes स्थिर (stable) होने क
े लिए radioactive decay प्रक्रिया से गुज़रते
हैं और particles (α,β) or electromagnetic radiations (gamma radiations) उत्सर्जित करते हैं I इस
उत्सर्जन को radioactivity (रेडियोधर्मिता) या ionizing radiations कहते हैं I
Radioactive decay एक स्वतःप्रवर्तित प्रक्रिया (spontaneous process) है और इसकी दर अलग - अलग
isotopes क
े लिए अलग - अलग होती है I किसी radioactive material की half-life (t ½) उतना समय होता है
जिसमें वो material अपनी original value का आधा रह जाता है I Biological studies में उपयोग होने वाले क
ु छ
isotopes की अर्ध-आयु (half-life) इस प्रकार है :
Isotope Half-life
3
H 12.26 years
14
C 5760 years
32
P 14.20 days
35
S 87.20 days
125
I 60 days

2. 2
Radioactive decay may occur in different ways:
1. Decay by negatron emission -
In this type of decay, a neutron is converted into a proton by ejection of a negatively charged
beta (β) particle called a negatron (β –ve)
Neutron ⎯⎯→ Proton + Negatron (β –ve)
Negatron एक electron होता है जिसका उद्गम atom क
े nucleus से होता है I उदाहरण -
14
6C ⎯⎯→ 14
7N + (β –ve)
2. Decay by alpha particle emission -
High atomic number वाले elements क
े isotopes सामान्यतः alpha (α) particle क
े emission द्वारा
decay होते हैं I इस emission क
े परिणामस्वरुप nucleus 2 protons और 2 neutrons खोता है जो कि एक
helium nucleus (containing 2 protons and 2 neutrons) क
े समान होता है I
Alpha emitters का are biological work में बहुत ही कम उपयोग होता है क्योंकि ये अपने अधिक mass और
ionizing power क
े कारण बेहद toxic होते हैं I
3.Decay by emission of gamma rays -
यह एक electromagnetic radiation है जो alpha और beta particles क
े emission होने क
े साथ हुए electron
excitation क
े कारण निकलते हैं I इनक
े निकलने से atomic number या mass में कोई परिवर्तन नहीं होता I
Gamma radiation की ionizing power कम होती है किन्तु penetrating power अत्यधिक होती है I Gamma
rays human body से पूरी तरह pass हो सकती हैं और जब ये शरीर से pass होती हैं तो ionization द्वारा
tissues और डीएनए को क्षति पहुँचती हैं I
keV=kiloelectron volt
4.Decay by electron capture -
इस प्रकार क
े decay में एक proton सबसे अंदरूनी k shell में परिक्रमा कर रहे electron को अधिकृ त (capture)
कर लेता है और यह proton एक neutron में परिवर्तित हो जाता है I तब “missing” electron एक बाहरी shell क
े
electron द्वारा प्रतिस्थापित होता है और x-ray उत्सर्जित होती है जिसकी energy दोनों electron shells की
energy क
े अंतर क
े बराबर होती है I x rays की energy gamma rays की energy से कम होती है और इसलिए
ये gamma rays क
े मुकाबले कम penetrating होती हैं I
Proton + Electron ⎯⎯→ Neutron + X-rays
Units Of Radioactivity
The radioactivity of a substance can be measured using different units.
● Becquerel is the SI unit for measurement of radioactivity. It is defined as the number of
disintegration per second (d.p.s.)
1 Becquerel (Bq) = 1 dps
Terra Bq = 1012
Bq
Giga Bq = 109
Bq
Mega Bq =106
Bq

3. 3
● Curie is the commonly used unit. It is defined as the quantity of radioactive material
having nuclear disintegration similar to that of 1g of radium i.e. 3.7 ×1010
dps (or 37 Giga
Bq)
1 Curie (Ci) = 3.7 ×1010
dps or 1 Curie = 37 billion Bq
Milli Ci = Ci × 10- 3
Micro Ci = Ci × 10- 6
● Specific activity of a substance is defined as activity per unit weight or volume (e.g.,
Bq/gm or B/l).
● Counts per minute (c.p.m) is disintegration detected by a radiation counter.
Measurement of radioactivity -
The amount of radioactivity की मात्रा को मापने क
े लिए यह देखते हैं कि एक सेक
ं ड में कितने radioactive
atoms decay होते हैं I decay होने पर ये atoms alpha particles, beta particles, और/या gamma rays
उत्सर्जित करते हैं I
Radioactivity मापने क
े लिए सामान्यतः तीन विधियाँ इस्तेमाल होती हैं :
1. Ionisation of gases - इस विधि में जब radiation air या inert gas से भरे एक detector क
े अंदर pass
होता है तो यह gas atoms का ionization करता है जिससे atoms positive ions और electrons में अलग -
अलग हो जाते हैं I ये अलग हुए electrons और positive ions electrodes की ओर आकर्षित होते है जिससे एक
current का बहाव होता है और यह electric signals में परिवर्तित हो जाता है जिसे radiation की मात्रा क
े रूप में
मापा जाता है I उदाहरण - Geiger Muller (GM) counter जिसका इस्तेमाल radioactive laboratory में हुए
contamination की जाँच, Qualitative analysis of radioactivity, Quick screening of gels &
chromatographic fractions for labeled components आदि क
े लिए किया जाता है I
2. Excitation of solids and liquids - इस विधि में जब radiation किसी scintillator क
े through pass होता
है तो scintillator molecules excite हो जाते हैं किन्तु वे जब वापस अपने original ground state पर आते हैं
तो light emit करते हैं जिसे एक photomultiplier द्वारा amplify करक
े electric signal में परिवर्तित करक
े
radiation को मापा जाता है I Scintillation counters दो प्रकार क
े होते हैं :
(i) Solid scintillation counter - जिसमें solid fluorescing substance (scintillator) का इस्तेमाल होता है,
जैसे - zinc sulfide for α radiation, anthracene for β and sodium azide for gamma radiation.
(ii) Liquid scintillation counter - जिसमें एक scintillation 'cocktail' का इस्तेमाल होता है और यह बनता है
एक solvent (जैसे - xylene या toluene) और एक या अधिक fluors (scintillator) से I इसका इस्तेमाल weak
beta emitters like 3
H,14
C & 35
S क
े radiation और एक से अधिक isotopes क
े radiation को एक ही समय
मापने में होता है I इनकी counting efficiency भी बहुत अधिक होती है I
3. Ability to expose photographic emulsions i.e.autoradiography - Ionising radiations
photographic emulsions पर act करने पर एक गुप्त प्रतिबिम्ब (latent image) बनाते हैं I इसक
े लिए एक
radiation source और एक photographic emulsion, जो बना होता है एक solid phase जैसे - gelatin में

4. 4
अंतर्निहित (embedded) silver halides से, की आवश्यकता होती है I Radiation silver halide को metallic
silver में बदल देता है जिससे एक latent image बन जाती है I इस image को फ़िल्म पर काले रूप में विकसित
करक
े permanent image की तरह store किया जा सकता है I Autoradiography का इस्तेमाल
electrophoresis से प्राप्त DNA fragments की लम्बाई और संख्या क
े विश्लेषण में इस्तेमाल कर सकते हैं I
Uses of radioisotopes in Biochemistry -
● Hydrogen, carbon, phosphorus, sulphur, और iodine क
े isotopes का इस्तेमाल biochemical
reactions क
े path को जानने क
े लिए बड़े पैमाने पर किया गया है I Cell क
े अंदर जब एक labeled
chemical compound कोई reaction में भाग लेता है तो उस reaction से बने products में वो
radioactive label हो सकता है जिसकी analysis से उस chemical reaction की mechanism का
पता लगा सकते हैं I Tritium (3
H) and 14
C-labeled glucose का इस्तेमाल आमतौर पर metabolic
research में rates of glucose uptake, fatty acid synthesis, और अन्य metabolic processes
क
े अध्ययन में किया जाता है I
● Radioisotopes से labelled drugs का इस्तेमाल drugs की pharmacokinetic studies में करते हैं
जिससे drugs की शरीर में उनक
े accumulation की site और rate of accumulation, rate of
metabolism और metabolic products का अध्ययन किया जाता है I
● Enzyme reaction की mechanism क
े अध्ययन में भी Radioisotopes का इस्तेमाल किया जाता है I
● Radioisotopes का इस्तेमाल membrane receptors से ligand binding क
े अध्ययन में किया जाता
है I
● Radioisotope labelled antigens और antibodies का इस्तेमाल radioimmunoassay (RIA) द्वारा
विभिन्न biochemicals (जैसे - hormones) क
े स्तर को मापने में किया जाता है I
Uses of radioisotopes in medicine -
● Thyroid uptake studies by 131
I are used to detect functional derangements of thyroid
gland. In hyperthyroidism there will be increased uptake and in hypothyroidism there will
be decreased uptake when 131
I is given intravenously.
● 90
Sr (radioactive strontium) is used for scanning osteoblastoma (bone cancer).
Some practice questions
Q. 1.Fill in the blanks -
(a) Atoms with the same atomic number and different atomic mass are called _____.
(b) The atomic number is represented by letter ___ and atomic mass or mass number is
represented by the letter ___.
(c) The number of protons in the nucleus is called ______ number.
(d) The sum of protons and neutrons is called _______ number .
(e) Deuterium and tritium are the isotopes of _______.
(f) When the number of neutrons in an atom is greater than the number of protons i.e. N:P
ratio is greater than 1 the atom becomes ______.
(g) The unstable isotopes are called _____.
(h) The radioisotopes tend to become ______ by undergoing radioactive decay by emitting
particles (α,β) or electromagnetic radiations.
(i) The time taken to become half of its original value of a radioisotope is called its ______.
(j) 12.26 years is the half-life of _____.
(k) 5760 years is the half-life of ____.

5. 5
(l) 60 days is the half-life of _____.
(m)Negatron is the negatively charged ___ particle.
(n) The particle similar to a helium nucleus is ______ particle.
(o) Proton + Electron ⎯⎯→ Neutron + _____.
(p) 1 Curie (Ci) = ______ Bq.
(q) _______ _____ counter is used for routine check of radioactive laboratory for
contamination.
(r) Liquid ________ counter can be used for detecting weak beta emitters like 3
H,14
C.
(s) Isotopes of hydrogen, carbon, phosphorus, sulphur, and iodine have been used
extensively to trace the path of ________ _______.
(t) The three basic protective measures in radiation safety are time, _____, and ______.
Ans. (a) isotopes, (b) Z, A, (c ) atomic, (d) mass, (e) hydrogen, (f) unstable, (g) radioisotope, (h)
stable, (i) half life, (j) tritium, (k) 14
C, (l) 125
I (m) beta, (n) alpha, (o) x rays, (p) 37 billion, (q)
Geiger Muller, (r ) scintillation, (s) biochemical reactions, (t) distance, shielding
Q.2.Match the following:
1. Alpha particles (a) Electromagnetic radiation
2. Beta particle (b) Tritium
3. Gamma rays (c ) Helium nucleus
4. X-rays (d) Highest penetrating radiation
Ans. 1-c, 2-b, 3-d, 4-a
Q. 3.Find the True or false statements:
1. Curie is SI unit of radioactivity.
2. One Becquerel is number of disintegrations equal to 1 gram of Radium.
3. Alpha particles have Helium nucleus.
4. Negatrons have higher penetrating power than gamma rays.
Ans. 1-false, 2- true, 3-true, 4-false
REFERENCES
1. Practical Clinical Biochemistry. Varley H, Gowenlock A H, Bell M. Fifth edition, 1991
2. https://nios.ac.in › Lesson-30 PDF RADIOACTIVE ISOTOPES
Disclaimer : The pictures given in the text have been downloaded from Google images and I
am thankful to the persons who have uploaded these pictures.
Dr. P. K. Nigam
Ph. D. (Retired Biochemist)