หลังจากที่ Rutherford ได้บุกเบิกวิทยาการเล่นแร่แปรธาตุแล้ว นักฟิสิกส์ และนักเคมีหลายคนก็ได้ผันตัวเองมาเป็นนักแปลงสสารทันที โดยนำธาตุต่าง ๆ ที่มีในโลกมาทดลอง แต่มิใช่พยายามจะทำให้ทุกธาตุเป็นทองคำ (ซึ่งก็สามารถทำได้ ถ้าต้องการและมีเวลา แต่จะได้ไม่คุ้มเสีย) ธาตุที่ได้ใหม่จึงเป็นธาตุประดิษฐ์ (artificial element) ที่ไม่มีในธรรมชาติ นอกจากนี้หลายธาตุได้กลายเป็นธาตุกัมมันตรังสี ที่สามารถปล่อยรังสีแอลฟา และ/หรือบีตา และ/หรือแกมมาออกมา ซึ่งล้วนมีประโยชน์มากในทางการแพทย์ การเกษตร ฟิสิกส์ โบราณคดี เคมี วัสดุศาสตร์ นิเวศวิทยา ธรณีวิทยา วิศวกรรมศาสตร์ และอื่น ๆ
โดยนักเคมีสองคนแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างธาตุกัมมันตรังสี คือ Jean Frederic Joliot กับ Irene Joliot-Curie ชาวฝรั่งเศส ซึ่งเป็นบุตรเขย และบุตรสาวของ Madam Marie Curie โดยได้เริ่มการทดลองเรื่องนี้ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ.1933 และพบว่า เวลายิงอนุภาคแอลฟา (หรือที่เรียกในอดีตว่ารังสีแอลฟา) ไปที่นิวเคลียสของธาตุ aluminum และ boron จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ ดังต่อไปนี้ คือ
และจากปฏิกิริยาข้างต้น นักวิจัยทั้งสองคนยังได้พบว่า หลังจากที่หยุดยิงอะลูมิเนียม และโบรอน ด้วยอนุภาคแอลฟาแล้วก็ยังเห็นอนุภาค positron พุ่งกระจายออกมาเรื่อย ๆ ค่อนข้างมากในเบื้องต้น จากนั้นความเข้มของ positron ก็น้อยลง ๆ นั่นแสดงให้เห็นว่า ปฏิกิริยาทั้งสองได้ให้กำเนิดธาตุกัมมันตรังสีชนิดใหม่ที่สลายตัว โดยปล่อยอนุภาค positron ออกมา
ผลงานนี้ทำให้ Frederic Joliot และ Irene Joliot-Curie ได้รับรางวัลโนเบลเคมี ประจำปี 1935 ร่วมกัน แต่เป็นที่น่าเสียดายที่ Madam Marie Curie ไม่ได้เห็นและชื่นชมความสำเร็จที่น่ายินดีของลูกสาวกับลูกเขย เพราะนางได้เสียชีวิตไปก่อน เมื่อปี 1934
เพราะเหตุว่ากัมมันตรังสี (α , β , γ) ที่ธาตุประดิษฐ์ปล่อยออกมา สามารถนำไปใช้ให้เป็นประโยชน์ได้ เช่น ถ้ารังสีแกมมามีความเข้มและพลังงานสูงมาก แพทย์ก็สามารถใช้ฆ่าเซลล์มะเร็งได้อย่างสมบูรณ์ หรือช่วยแพทย์ให้สามารถเห็นตำแหน่งและขนาดของเซลล์ที่เป็นโรคได้ เป็นต้น
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์จึงได้สร้างธาตุกัมมันตรังสีขึ้นอีกหลายชนิด เพื่อใช้ให้เป็นประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น ผลิต technetium-99m (ซึ่งมีสัญลักษณ์เป็น Tc และ 99 เป็นเลขมวล ซึ่งแสดงจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนที่มีในนิวเคลียส) ส่วน m นั้น ใช้แสดงว่านิวเคลียสของธาตุ อยู่ในสถานะไม่เสถียร และจะปล่อยกัมมันตรังสีออกมา จึงเป็น 99m Tc ซึ่งเป็นธาตุที่ใช้ในการวิเคราะห์อาการเบื้องต้นของโรคสมอง กระดูก ไต ไทรอยด์ โรคหัวใจ ตับ ม้าม ฯลฯ เพราะธาตุกัมมันตรังสีชนิดนี้ มีครึ่งชีวิตประมาณ 6 ชั่วโมง ดังนั้น หลังจากที่เวลาผ่านไปเกิน 10 ชั่วโมง สภาวะกัมมันตรังสีของธาตุก็จะหมดสภาพ (หมดฤทธิ์) การปล่อย positron ออกมา จึงมีประโยชน์ในการใช้ทำ PET scan (จากคำเต็ม Positron Emission Tomography (PET)) เพราะ positron จะรวมกับ electron ให้แสง มันเป็นเทคโนโลยีที่แพทย์ใช้ในการถ่ายภาพ เพื่อตรวจสอบสภาพของโรคในร่างกายคน โดยการนำสาร (dye) กัมมันตรังสีเข้าสู่ร่างกายด้วยการกิน หายใจ หรือฉีด สารตรงบริเวณที่ต้องการจะดูมะเร็ง ดูอาการผิดปกติของโรคหัวใจ หรือดูการไหลของเลือดในสมอง เพราะบริเวณที่สงสัย ถ้าเป็นโรคการทำงานของเหล่าเซลล์ในบริเวณนั้น จะมากหรือน้อยจนผิดปกติ
นอกจาก technetium-99 แล้ว แพทย์ยังใช้สารกัมมันตรังสีอื่น ๆ เช่น oxygen-15 , fluorine-18 , carbon-11 หรือ nitrogen-13 ฉีดเข้าร่างกายด้วย เพราะสารเหล่านี้จะปล่อยกัมมันตรังสีออกมาให้แพทย์ได้เห็นความผิดปกติที่สามารถตรวจจับได้
ที่มีอยู่มากมายในเซลล์ร่างกาย ก็จะมีรังสีแกมมา (แสง) เกิดขึ้น ดังนั้น ถ้ามีการติดตั้งกล้องเพื่อรับแสงนี้ แพทย์ก็จะสามารถบอกตำแหน่งของเซลล์ที่ให้รังสีแกมได้อย่างไม่ผิดพลาด
การวางกล้องถ่ายภาพรับรังสีแกมมา รอบตัวคนไข้หรือวางที่ตำแหน่งต่าง ๆ ของร่างกาย เพื่อบันทึกรังสีแกมมาที่ออกมา แล้วแปลงรังสีที่ได้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ก็จะทำให้แพทย์เห็นสภาพและการทำงานของเซลล์ในร่างกายได้
นอกจาก oxygen-15 แล้ว แพทย์และนักเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ก็ยังใช้ molybdenum-99 , cobalt-60 , fluorine-18 , indium-111 , lutetium-177 , strontium-89 , actinium-227 , rubidium-82 , carbon-11 , xenon-133 , copper-64 , iridium-192 , nitrogen-13 , iodine-131 , radium-223 , rhenium-186 , holmium-166 , scandium-47 , zirconium-89 , ytterbium-70 และ caesium-133 ด้วย
แต่ถ้าจะพิจารณาความสำคัญของธาตุกัมมันตรังสีแล้ว ธาตุ technetium-99m เป็นธาตุกัมมันตรังสีที่มีความสำคัญมากที่สุด เพราะทุกวันในโรงพยาบาลทั่วโลก แพทย์จะใช้ technetium-99m ในการวิเคราะห์โรคนับแสนครั้ง โดยใช้ตรวจหาสาเหตุ/ประเมิน สถานภาพและรักษาโรคต่าง ๆ เช่น มะเร็ง โรคหัวใจ โรคสมองเสื่อม โรคต่อมไทรอยด์ โรคปอด ตับ ไต กระดูก เลือด ฯลฯ แต่ปัญหาใหญ่ที่ทุกคนต้องเผชิญ คือ ธาตุ Tc-99 m มีชีวิตสั้น (6 ชั่วโมง) คือ สลายตัวเร็ว โดยปล่อยรังสีแกมมาออกมากลายเป็น Tc-99 ปกติที่เสถียร เพราะมีครึ่งชีวิตนานประมาณ 211,000 ปี แล้วจากนั้นมันก็จะสลายต่อไปเป็น ruthenium-99 (99Ru)
เพราะต้นกำเนิดของ Tc-99 คือ ธาตุ molybdenum-99 หรือ Moly-99 ซึ่งก็มีชีวิตที่ไม่ยืนนานเช่นกัน (คือเพียง 66 ชั่วโมงเท่านั้นเอง) โลกจึงไม่มีธาตุทั้งสองชนิดนี้เก็บในปริมาณมาก ดังนั้นคนที่จะใช้ Tc-99 จึงต้องการ Mo-99 ด้วย และก็สามารถทำได้ โดยอาศัยปฏิกิริยา fission ของ U-238 ซึ่งจะแยกตัวดังปฏิกิริยา
นั่นคือ ยูเรเนียมจะสลายตัวเป็น iodine , ytterbium , zirconium , niobium , molybdenum กับ technetium ตามลำดับ และจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาในแต่ละครั้งของการสลายตัวด้วย
จากนั้น Tc-99 m ซึ่งมีครึ่งชีวิต 6 ชั่วโมง (ตัวเลขนี้หมายความว่า 94% ของ Tc-99 m จะสลายให้ Tc-99 ภายในเวลา 1 วัน) โดยการปล่อยรังสีแกมมาที่มีพลังงาน 140 keV ออกมา ให้เครื่องตรวจจับสามารถรับได้
ปัจจุบัน ประมาณ 85% ของไอโซโทปกัมมันตรังสีต่าง ๆ ที่ใช้ในโรงพยาบาล เป็นไอโซโทปที่ผลิตได้จากสถานที่ 5 แห่ง คือ
1. โรงงานปฏิกรณ์ปรมาณู National Research University reactor (NRU) ที่มณฑล Ontario ในประเทศแคนาดา
2.เตาปฏิกรณ์ High Flux Reactor (HFR) ที่เมือง Petten ในประเทศเนเธอร์แลนด์
3. Safari เป็นเตาปฏิกรณ์ในความควบคุมดูแลของ South African Nuclear Energy Corporation ที่เมือง Pelindaba ในประเทศแอฟริกาใต้
4. Osiris ซึ่งเป็นเตาปฏิกรณ์ปรมาณู ที่เมือง Saclay ในประเทศฝรั่งเศส
และ 5. BR2 หรือ Belgium Reactor 2 ที่เมือง Mol ในประเทศเบลเยี่ยม
โรงงานเหล่านี้ได้ทำหน้าที่ผลิต Mo-99 มาเป็นเวลานานกว่า 50 ปีแล้ว เครื่องจักรของโรงงานจึงอยู่ในสภาพที่จะต้องได้รับการบูรณะไม่วันใดก็วันหนึ่งในอนาคต และเมื่อใดก็ตามที่โรงงานหยุดทำงาน ความโกลาหลอลหม่านก็จะเกิดขึ้นทันที เพราะโรงพยาบาลหลายแห่งจะไม่มี Tc-99 ที่เกิดจากการสลายตัวของ Mo-99 ใช้ในการทำ PET Scan ดังเหตุการณ์ที่เกิดในปี 2010 เมื่อโรงงานที่เนเธอร์แลนด์และแคนาดาต้องหยุดทำงาน เพื่อซ่อมแซมอุปกรณ์ แพทย์ทั่วโลกจึงต้องลดปริมาณการใช้ Tc-99 เป็นเวลานานหลายเดือน การถ่ายภาพดูการไหลของเลือดในสมองและหัวใจ ตลอดจนถึงการวิเคราะห์ภาพมะเร็งกระดูก จึงไม่สามารถทำได้อย่างเต็มที่
แต่แม้เตาปฏิกรณ์จะสามารถทำงานได้ 100% ปัญหาการมี Tc-99 ใช้ก็ยังไม่หมด เพราะในปี 2010 สหรัฐอเมริกาและประเทศอื่น ๆ อีก 46 ประเทศ ได้ลงนามในสนธิสัญญาลดการผลิตยูเรเนียม-235 ที่บริสุทธิ์มาก เพราะที่ประชุมเห็นว่า ผู้ก่อการร้ายสามารถนำ U-235 ไปใช้สร้างระเบิดปรมาณูได้
เมื่อทุกชาติลดการผลิต U-235 การผลิตธาตุ Mo-99 ก็จำต้องลดตามด้วย เพราะในการผลิต Mo-99 นั้น นักวิจัยต้องใช้เทคนิคยิง neutron ให้พุ่งชนแผ่นโลหะที่เคลือบด้วยยูเรเนียม ซึ่งจะทำให้ยูเรเนียมที่มีอยู่ในแผ่นประมาณ 6% จะแยกตัวแบบ fission ให้ Mo-99 จากนั้นก็นำ Mo-99 ที่ได้ไปเปลี่ยนเป็น Tc-99 m อีกทอดหนึ่ง
ในการหาทางออกสำหรับปัญหาดังกล่าวนี้ นักวิจัยปัจจุบันจึงได้หันไปสนใจ เทคนิคการยิงอนุภาคนิวตรอนไปที่ Mo-98 เพื่อทำให้เป็น Mo-99 วิธีนี้จึงไม่จำเป็นต้องใช้ U-235 ซึ่งเป็นธาตุต้องห้ามอีกต่อไป
และอีกวิธีหนึ่ง คือ การลดจำนวนนิวตรอนของ Mo-100 ลง เพราะ Mo-100 เป็น isotope หนึ่งของ molybdenum ที่มีอยู่ในธรรมชาติประมาณ 10% และอาจทำได้โดยการยิงอนุภาคอิเล็กตรอนให้พุ่งชน tungsten ทำให้รังสีแกมมาที่เกิดขึ้นสามารถขับนิวตรอนออกจากนิวเคลียสของ Mo-100 ได้ ทำให้ได้ Mo-99 ในที่สุด
นี่จึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่งของนักเทคโนโลยีในอนาคต ที่จะผลิต Mo-99 และทุกคนก็พบว่าต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคแบบ cyclotron หรือ LINAC ในการสร้างนิวตรอน และอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูง ดังนั้นกระบวนการนี้จึงต้องการวิศวกรนิวเคลียร์ นักฟิสิกส์การแพทย์ และนักเคมีกัมมันตรังสีจำนวนมาก เพื่อมาทำงานร่วมกัน แต่เป็นที่น่าเสียดายที่แทบทุกประเทศไม่มีผู้เชี่ยวชาญทางด้าน nuclear medicine เป็นจำนวนที่มากเพียงพอเลย
อ่านเพิ่มเติมจาก Scrambling to Close the Isotope Gap โดย Robert F. Service ใน Science ฉบับที่ 331 ประจำวันที่ 21 มกราคม 2011
และ Molydenum-99 for Medical Imaging ที่จัดพิมพ์โดย National Academies of Sciences , Engineering and Medicine. National Academies Press 2016
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
