Рубидий: факты и фактики

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.

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.

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.

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.

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.