Рубидий: факты и фактики

А. Мотыляев

Рубидий — 37-й элемент таблицы Д.И. Менделеева. Его вместе с цезием в 1861 году открыли немецкие химики Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен, когда изучали спектры присланного из Саксонии минерала лепидолита. Хотя рубидия в земной коре больше, чем свинца, он чрезвычайно рассеян и встречается как примесь к минералам калия, своего собрата по группе. Разделять эти элементы трудно и дорого. Возможно, поэтому рубидий применяют весьма ограниченно и его мировое производство исчисляется несколькими тоннами. Впрочем, такое невнимание к элементу позволяет ему в течение десятилетий сохранять свои секреты.

pic_2020_09_02.jpg

Как врачи лечили рубидием сердце? Таких попыток было немного. Первую предприняли вскоре после открытия этого элемента, и некоторые подробности можно найти в диссертации С.С. Боткина (брата императорского лейб-медика, св. Е.С. Боткина), защищенной в Императорской военно-медицинской академии в 1888 году. Ход его мысли был такой. Рубидий и цезий, несомненно, аналоги калия и натрия. Однако в организме оба последних элемента ведут себя по-разному, порой действуя противоположено. К кому примкнут новые члены семьи щелочных металлов? Вот, скажем, калий. Если он попадает в организм с пищей и всасывается в кровь через пищеварительный тракт, то оказывается не то что безвредным, а жизненно важным элементом. Если же калий быстро ввести в кровеносный сосуд, то он станет смертельным ядом. А с натрием такого не случается. Как поведет себя рубидий, попав в кровеносный сосуд? В серии опытов на собаках Боткин убедился — да, рубидий, скорее, близок к калию, чем к натрию: оказавшись в крови, он быстро повышает артериальное давление, снижает частоту пульса, и собака умирает. Правда, смертельная доза рубидия оказалась в два раз больше, чем калия. Но механизм у них схож — оба элемента действовали не только на сердце, но и на всю систему циркуляции крови, сужая сосуды.

Поскольку калий в то время использовали для лечения сердечной недостаточности, после опытов на собаках Боткин решил попробовать рубидий на людях. Например, десять дней приема хлорида рубидия с пищей полностью избавили 43-летнюю фельдшерицу от одышки и отеков (несколько лет она не могла подняться по лестнице). Однако через неделю она покрылась нарывами и умерла от рожистого воспаления. Была ли тут связь с рубидием — неизвестно. Другой пациентке, 50-летней прачке с аналогичными симптомами, которую лечили в больнице для бедных, повезло больше. Хлорид рубидия явно улучшил ее самочувствие, отеки и одышка пропали, но вскоре после прекращения приема все симптомы возвратились. Боткину ничего не оставалось, как сделать вывод о замечательной предсказательной силе закона Д.И. Менделеева. Применять рубидий для лечения сердца он не рекомендовал: по сравнению с калием это дорого, да и не нужно.

Последующие исследования подтвердили, что рубидий действительно полный аналог калия в организме и даже способен без особого вреда для здоровья его заменять, если калия в пище нет.

Как врачи лечили рубидием депрессию? Снова лечебными свойствами рубидия заинтересовались в середине XX века — в тот период, который, как стало ясно по прошествии времени, был золотым веком материаловедения. Благодаря атомной и космической программам в руках исследователей оказалось огромное количество экзотических элементов, причем в промышленных количествах. Неудивительно, что для них стали искать самые удивительные области применения — насколько позволяла фантазия. В частности, в 1969 году Герберт Мельцер и его коллеги из Института психиатрии штата Нью-Йорк предположили следующее. Калий и натрий участвуют в передаче нервных импульсов между нейронами. Другие щелочные металлы, подменяя их, могут в такую передачу вмешиваться и менять поведение человека. К тому времени было известно, что литий помогает лечить маниакальные расстройства психики, при которых человек проявляет агрессию. Предположительно, он мешал калию или натрию взаимодействовать с мембраной нейрона. Однако, как показали опыты на клетках, рубидий действовал на мембрану нейрона точно наоборот, нежели литий. Возможно, он будет не успокаивать человека, а возбуждать его, работая как антидепрессант?

Мельцер провел опыты с макаками: им делали инъекцию хлорида рубидия и снимали энцефалограмму. Они показали явное возбуждение животных, но, как оказалось, приборы были лишними. В следующем опыте хлорид рубидия впрыскивали в апельсины, и, поев их, макаки приходили в крайнее возбуждение и были так агрессивны, что это заметили без всяких энцефалограмм.

Полные энтузиазма исследователи пригласили четырех добровольцев, но, несмотря на то что на их энцефалограммах возникали те же особенности, что и у макак, прием хлорида рубидия (даже длительный) поведение людей не изменил. Зато подтвердилось давнее наблюдение С.С. Боткина, что использование этого вещества как заменителя пищевой соли здоровью не вредит.

Последующие опыты так и не развеяли туман — не раз психиатры пытались использовать рубидий для лечения своих пациентов, но добиться ясного ответа на вопрос: «Работает ли он?», так и не удалось. Кто-то фиксировал снижение симптомов шизофрении и депрессии от приема хлорида рубидия, другие этого не замечали. В обзорах авторы отмечают, что данные работ трудно сравнивать, поскольку исследователи придерживаются разных методик оценки результатов. Тем не менее в 1994 году препараты рубидия были разрешены для лечения тяжелых форм депрессии, но долго во врачебной практике не продержались — их вытеснили более эффективные лекарства.

Для объяснения положительного эффекта ученые предложили так называемую дофаминовую гипотезу: рубидий облегчает доступ гормона удовольствия, дофамина, к соответствующим рецепторам, и настроение улучшается. После этого некоторые диетологи предложили: впал в депрессию — съешь кусочек колбаски! Рубидий ведь, как и калий, концентрируется в мышечных клетках, поэтому, съев мясо, можно получить дозу элемента, который обеспечит нормальную работу гормона удовольствия. Как это порой бывает с диетологами, они оказываются не совсем точны: если дофаминовая гипотеза верна, то надо есть соевые батончики, заедая их сочным бифштексом с кетчупом, а вовсе не свиной колбасой. Соя — лидер по накоплению рубидия, а говядина и помидоры идут вслед за ней. Впрочем, как говорят, многие колбасы делают именно из сои, а не мяса…

Есть ли у млекопитающего организма потребность в рубидии? На этот вопрос нет ясного ответа, что, видимо, связано с низким интересом к его поиску. Однако кое-какие данные ученые за полтора столетия сумели получить. Удивляет огромной разброс измеренных ими концентраций рубидия в крови человека — от 0,9 до 4,18 мг/л. Интересно, что такой разброс бывает как у здоровых людей, так и у тех, кто страдает от шизофрении (попытки использовать рубидий в психиатрии оставили, видимо, неизгладимый отпечаток на истории этого элемента). Однако у людей, страдающих депрессией, разброс значительно меньше — значение различается лишь в два раза, при этом средняя концентрация сохраняется. Никаких осмысленных выводов из таких данных сделать не удается.

Исследование на мышах, которое провел в 1975 году М. Зигерс с коллегами из Института ядерной медицины Исследовательского центра Юлиха (ФРГ), показало, что концентрация рубидия в организме зависит не от его содержания в пище, а обусловлена генетически. Они взяли по пять самцов пяти разных линий мышей, долго кормили их одинаково, а потом померили содержание рубидия, железа и цинка в крови и различных органах. Если у железа и цинка никакой зависимости от происхождения мышей не было, то рубидий оказался не так прост. У мышей трех линий во всех органах рубидия было на 30—60% больше, чем у мышей двух остальных линий. Что все это значит, так и осталось неизвестным, разве что у мышей этих двух линий несколько чаще возникает лейкемия.

pic_2020_09_03.jpg
Рубидия в земной коре больше, чем свинца, меди и цинка, но у него нет своих минералов. Он рассеян в минералах других щелочных металлов, особенно калия. На фото — циннвальдит, один из концентраторов рубидия

Как применяют рубидий в ядерной медицине? С помощью рубидия и ядерной медицины можно увидеть в нашем организме то, что не разглядишь по-другому. У этого элемента есть радиоактивный изотоп рубидий-82 с периодом полураспада 75 секунд, который распадается с испусканием позитрона. Эта античастица, пролетев несколько миллиметров, аннигилирует с подвернувшимся электроном, и из места реакции вылетают два гамма-кванта, которые летят строго по прямой в противоположных направлениях. И это гораздо удобнее, чем использовать другие элементы, дающие при распаде один квант: получив почти одновременные сигналы на противолежащих сторонах детектора, можно быть уверенным, что это кванты от ожидаемого события, а не фон (по разнице времен пришедших сигналов удается точно определить, где событие произошло). На этом принципе построен метод позитрон-эмиссионной томографии, который начал развиваться в 80-х годах XX века, в 1989-м одобрен к применению в США, а теперь считается самым перспективным для обнаружения раковых опухолей на ранних стадиях и нарушений в работе сердца. Вот именно для решения последней задачи и используют рубидий.

После введения препарата в вену, рубидий быстро проходит сквозь стенки кровеносных капилляров и оказывается в тканях. Причем его там будет тем больше, чем сильнее поток крови через близлежащие сосуды. Поэтому по распространению радиоактивного рубидия в тканях сердца можно увидеть, какие его части хорошо омываются кровью, а где есть затруднения. Благодаря этому удается понять: требуется хирургическое вмешательство или можно пока обойтись терапевтическими средствами. Подобные исследования длительные, их проводят в два захода — в покое и после нагрузки. Однако благодаря малому времени жизни рубидия-82 полученная доза облучения оказывается небольшой, такой же, как за год от естественного фона.

В такой томографии у рубидия есть конкуренты — азот-13 и фтор-18. Вылетающие из них позитроны обладают меньшей энергией, поэтому улетают от места распада менее чем на миллиметр, то есть у них лучше пространственное разрешение. Однако для изготовления азота-13 нужно неподалеку иметь ускоритель, тогда как рубидий-82 получают на месте с помощью генератора из стронция-82. Со фтором история интереснее. Его используют в соединении, которое взаимодействует с мембранами митохондрий, поэтому картинка, полученная с его помощью, отражает не протекание крови через ткани сердца, а внутриклеточный метаболизм. Комплексное исследование с использованием рубидия и фтора дает точную причину сердечного недуга.

pic_2020_09_04.jpg
С помощью рубидия-82 можно понять, в чем причина плохого самочувствия пациента. Для этого работающее сердце виртуально разрезают на слои и смотрят на распределение крови, точнее, на яркость свечения рубидия-82 в нем.
В верхнем ряду показана картина, которая получается в условиях химического стресса, а в нижнем — в состоянии покоя. Сравнивая их, врачи нашли причину: при стрессе кровоснабжение левой передней нисходящей артерии заметно ухудшилось. Пациенту поставили стент (Clinical Physiology and Functional Imaging, 2014 34, pp.163–170)

Как делают генератор рубидия-82? Эта технология весьма непроста. Для получения исходного радиоактивного изотопа, стронция-82, нужен мощный ускоритель протонов, обеспечивающий одновременно достаточно высокую энергию ускоренных частиц и большую интенсивность пучка. Также необходима радиохимическая лаборатория для работы с высокоактивными радиоактивными веществами, снабженная «горячими» камерами с мощной защитой и манипуляторами. В настоящее время генераторы серийно делают в Северной Америке и готовится производство в Западной Европе, однако отлаженная технология есть и в России. Выглядит весь цикл производства так. Под пучок протонов помещают мишень из металлического рубидия в герметичной оболочке. Составляющие ее стабильные изотопы, рубидий-85 и рубидий-87, поглощают протоны, испускают 4 и 6 нейтронов соответственно и превращаются в стронций-82. Последний довольно медленно распадается (его период полураспада 25,5 суток) и порождает нужный для томографии короткоживущий рубидий-82. Из облученной мишени выделяют стронций-82, очищая его химическими методами от материала мишени, рубидия, и примесей изотопов других элементов. После этого приступают к изготовлению, собственно, генератора. Стронций осаждают на твердый сорбент (как правило, гранулы из диоксида олова), заключенный в металлическую колонку, и помещают ее в свинцовый контейнер. Этот генератор отправляют в клинику. В ходе медицинской процедуры радиоактивный рубидий-82, вымываемый из генератора, вводят в кровеносную систему пациента.

pic_2020_09_06-1.jpg
Отечественные генераторы рубидия делают по технологии, созданной в Институте ядерных исследований РАН, но с течением времени дизайн генераторов меняется. В таком генераторе колонку с радиоактивным веществом помещают в защитный корпус
Фото: ИЯИ РАН

Конечно, есть определенные сложности. Наряду со стронцием-82 в мишени образуется другой изотоп: стронций-85 с периодом полураспада 65 суток. Нельзя допустить, чтобы оба эти изотопа стронция в качестве примеси к рубидию-82 попали в раствор, вводимый пациенту. Такое может случиться по мере падения активности стронция-82 и увеличения объема прокачиваемого раствора через генератор для достижения необходимого содержания рубидия-82. Поэтому длительность работы генератора ограничивается двумя факторами: падением и объемом прокаченного через генератор раствора до появления в нем нежелательных изотопов стронция. Российский генератор служит около двух месяцев.

По мере развития позитронной томографии мировая потребность в генераторах возрастает. Именно на это и рассчитывают специалисты из Института ядерных исследований РАН. Начиная с 90-го года они разрабатывали технологию получения стронция-82 на своем линейном ускорителе и технологию изготовления генераторов рубидия-82 из мишеней. Вот как об этом рассказывает доктор химических наук Б.Л. Жуйков, заведующий лабораторией радиохимического комплекса института: «Мы создали эффективную технологию полного цикла для производства генераторов рубидия: изготовление мишеней, их облучение, последующее извлечение стронция-82 и приготовление самого генератора. Этот генератор прошел полный цикл доклинических и клинических испытаний в Российском научном центре радиологии и хирургических технологий имени академика А.М. Гранова (РНЦРХТ — Примеч. ред.) в Санкт-Петербурге, и его используют при проведении позитронно-эмиссионной томографии пациентов. Более того, у нас возникло плодотворное сотрудничество с французами, которые установили нашу технологию и сейчас выплачивают неплохое роялти. А до этого мы также успешно сотрудничали с канадцами и американцами. Во Франции и США построены специальные циклотроны с необходимыми характеристиками; из облученных на таких циклотронах мишеней наши партнеры по нашей технологии извлекают стронций-82, а во Франции также изготавливают генераторы.

В России, к сожалению, рынок для генераторов пока очень узкий. Но мы вместе с нашими партнерами тем не менее планируем развернуть массовое отечественное производство. Ускоритель у нас в институте есть, хотя он предназначен для научных задач и не может обеспечить стабильную наработку медицинских изотопов круглый год. Необходимо еще и оборудование для радиохимического извлечения радиоактивных элементов из облученных мишеней, причем со всеми необходимыми мерами безопасности. Разворачивать такое производство с нуля — дорогое удовольствие. А на существующих в стране предприятиях соответствующего профиля не всегда удается организовать столь сложное производство должным образом и добиться необходимого качества продукции. В деле производства и распространения генератора мы уже давно сотрудничаем с коллегами из РНЦРХТ: у них свои четыре позитронно-эмиссионных томографа, однако генераторы там будут делать не только для себя, но и для других российских медицинских центров. К сожалению, средств для полноценной работы не хватает. Ситуация может улучшиться, если государство станет уделять больше внимания этому направлению и поддержит нашу деятельность. Пока что этого нет».

Какова экономическая эффективность позитронно-эмиссионной томографии? Как средству диагностики ей нет равных по эффективности, однако это дорогое средство. Есть более дешевые методы: компьютерная томография, ангиография, но они не всегда дают верный результат. Последствия такие: можно направить на дорогую операцию пациента, которому она не нужна, а можно упустить момент, и болезнь перейдет в тяжелую стадию, когда содержание пациента будет стоить очень дорого. Расчет показывает: если, согласно симптомам, вероятность нарушения сердечного кровообращения у пациента менее 70%, то использование позитронной томографии оказывается самым выгодным методом. А если болезнь имеет явные признаки, тогда дешевле обойтись ангиографией. В общем, в развитой системе здравоохранения таких позитронно-эмиссионных томографов должно быть много. Сейчас, по данным ВОЗ, в РФ на 100 тыcяч человек приходится 0,02 томографа, а в среднем по ЕС — 0,14. Лидером же по обеспеченности оказалось Монако с двумя томографами на 38 тысяч жителей.

Как рубидий может помочь борьбе с глобальным потеплением? В качестве катализатора при получении из воздуха и воды синтетической нафты, то есть смеси углеводородов, как правило, тяжелее бензина. Еще Франц Фишер, автор технологии превращения угля в жидкое топливо (процесс Фишера–Тропша), использовал рубидий для повышения качества продукции. Суть придуманного им процесса в том, что уголь при нагреве с водой становится угарным газом и водородом, которые соединяются и формируют углеводороды с цепочками разной длины. Если взять углекислый газ, изъятый из атмосферы, то этот же процесс будет состоять из двух стадий — превращение углекислого газа в реакции с водородом в угарный газ и воду, а затем превращение угарного газа с водородом в углеводороды и воду.

Основными катализаторами процесса Фишера–Тропша служат кобальт, рутений или железо, причем железо ввиду его дешевизны предпочтительнее. Однако регулировать состав и строение получаемых в результате веществ удается добавками к основным катализаторам. Добавки (как раз щелочных металлов) прежде всего снижают образование метана и других углеводородных газов, а также дают углеводороды с цепочками нужной длины. Рубидий — лидер: его добавка к железу обеспечивает минимум метана и спиртов. Основные фракции в полученном с его помощью топливе: линейные углеводороды, парафины и олефины (в их цепочках есть одна двойная связь). Причем именно рубидий дает много длинных молекул, содержащих 18—20 атомов, и совсем не дает ароматических соединений, что хорошо. Такая нафта неплохо подойдет для изготовления дизельного топлива, а если разрезать эти длинные цепочки, то и бензина. Фишер еще в 1924 году добился отличных результатов: полученную из угля с помощью карбоната рубидия нафту — синтол — после добавления бензола можно было заливать в бензобак.

Видимо, компания «Эксон Мобил» развивала эту идею, поскольку уже давно запатентовала изготовление железного катализатора с добавками калия и рубидия. Правда, срок патента истек в 1992 году, и его не возобновляли. Похоже, преимущества рубидия не столь ярко выражены, чтобы имело смысл расширять его мизерное производство. Однако для борьбы с углекислым газом, где эффективность важнее цены, он может и потребоваться.

Некоторые химики при упоминании возможности делать топливо из воды и воздуха недоверчиво ухмыляются, и зря. Для успеха предприятия нужны два условия. Первое: наличие большого потока энергии от возобновляемого источника, которая пойдет на электролиз воды для получения водорода, сбор углекислого газа обеспечит работу реактора. Второе: политическая воля. С обоими все в порядке. Так, экспериментальный реактор Фишера–Тропша с электролизером, размещенные в стандартном железнодорожном контейнере, три года назад давали под совсем не ярким финским солнышком 2,5 кг жидкой нафты, 3,7 кг твердых парафинов и 10 кг водного раствора спиртов в день (см. «Химию и жизнь» 2018 №7). Очевидно, оптимизация процесса и использование хороших катализаторов способны улучшить эти показатели. Что касается политической воли, то развитые станы Евросоюза абсолютно уверены: им удастся к 2050 году победить углекислотного дракона, то есть замкнуть углеродный цикл цивилизации и оставить без средств его свиту — стран-экспортеров ископаемых углеводородов. Эта уверенность подкреплена законодательством, помогающим использовать такие технологии. Так, в ЕС введут (предположительно в 2025 году) штрафы на ввоз товаров, сделанных с использованием невозобновляемых энергоресурсов, и это обойдется российским компаниям в 6 млрд евро в год.

Как рубидий может пригодиться для технологий XXII века? Благодаря уникальным оптическим свойствам своего атома, а именно способности поглощать свет, излучаемый дешевыми лазерами, рубидий стал любимым объектом физиков. С помощью сверххолодного рубидия удается создавать удивительные молекулы из атомов металлов, точнейшим образом измерять время и изготавливать если не сами квантовые компьютеры, то их прототипы. Более того, специалисты уверены, что именно последнее использование должно резко повысить потребность в металлическом рубидии. Впрочем, это предмет более обстоятельного рассказа.

Разные разности
Безопасная замена фентанилу
Исследовательская группа из Майнцского университета им. Иоганна Гутенберга, кажется, нашла возможное альтернативное обезболивающее. Им оказался анихиназолин B, который выделили из морского гриба Aspergillus nidulans.
Наука и техника на марше
В машиностроении сейчас наблюдается оживление. И то, о чем пойдет речь в этой заметке, это лишь малая толика новинок в области специального транспорта, который так необходим нам для освоения гигантских территорий нашей страны.
Пишут, что...
…даже низкие концентрации яда крошечного книжного скорпиона размером 1–7 мм (Chelifer cancroides) убивают устойчивый больничный микроб золотистый стафилококк… …скрученные углеродные нанотрубки могут накапливать в три раза больше энергии на еди...
Мамонты с острова Врангеля
Остров Врангеля открыл в 1707 году путешественник Иван Львов. А в конце XX века на острове нашли останки мамонтов. Их анализ показал, что эти мамонты дольше всего задержались на Земле. Но почему же они все-таки исчезли?