Aplicatiile Carbonului - 13
Download as DOC, PDF1 like1,269 views
Carbonul-13, un izotop stabil al carbonului, are multiple aplicații în biologie, chimie, medicină și geologie, fiind utilizat ca trasor în studii legate de migrarea materiei, biosinteză și transformări chimice. Tehnologiile analitice recente permit identificarea cantitativă a moleculelor marcate cu 13C, având avantaje precum nevoia de cantități mari la costuri reduse. În medicină, metodele de diagnosticare, cum ar fi testele de respirație pentru depistarea bacteriei Helicobacter pylori, oferă alternative sigure și non-invazive față de tehnicile tradiționale.
Aplicatiile Carbonului - 13
- 1. Curierul de Fizica, Nr. 76, p. 10 -11, 2014 APLICAŢIILE CARBONULUI - 13 Carbonul face parte din grupa elementelor u oare care nu dispuneș de izotopi radioactivi cu via ă suficient de lungă pentru a putea fiț utiliza i în practică. In plus, carbonul fiind unul din elementeleț constitutive ale organismelor vii, izotopii stabili ai acestuia, în particular 13 C, i-au găsit multiple aplica ii în tiin ele biologice,ș ț ș ț fiind utilizat ca trasor în studii legate de migrarea materiei vii în spa ii izolate,Studiul transformărilor fizico-chimice, cum ar fiț mi carea atomilor în moleculă, ruperea i formarea legăturilorș ș chimice, cu dispari ia unui tip de moleculă i formarea altui tip.ț ș Acest gen de cercetări poate conduce la stabilirea de noi legături genetice, la clarificarea mecanismului de biosinteză a moleculelor complexe din molecule mai simple, a mecanismelor de transformare a produ ilor alimentari ia medicamentelor în organism.ș ș 13 C poate fi utilizat i în studiul proceselor de transformare ce au locș în stare de echilibru sau neechilibru sau în studiul migra ieiț reversibile a substan ei prin diferite membrane biologice.ț In toate aceste studii 13 C poate fi utilizat pentru marcarea unor combina ii ce diferă de cele obi nuite printr-un con inut mai ridicat în acestț ș ț izotop. In urma acestui fapt, prin modificarea masei acestor combina ii,ț apar modificări ale valorii constantelor fizico-chimice respective, legate de masă (constanta de schimb, viteza de reac ie, coeficientul de difuzie, etc).ț Succesele recente ale tehnologiei analitice a deschis un domeniu larg de aplica ie ale acestui izotop ca trasor în cercetările biologice. Acum,ț moleculele îmbogăţite cu 13 C pot fi identificate cantitativ. Pentru decelarea moleculelor ce con inț 13 C de cele ce con inț 12 C se poate utiliza cu succes spectrometria RMN protonică. Acest lucru este facilitat de faptul că 13 C are spinul 1/2, în timp ce izotopii 12 C iș 14 C au spinul zero. Pentru determinarea cantitativă a moleculelor ce con in izotopulț 13 C se poate utiliza iș spectrometria de masă. Ambele metode sunt nedistructive. Majoritatea moleculelor de interes biologic sunt mari i complexe.ș Sintezele cu 13 C necesită efectuarea câtorva reac ii, fiecare având unț randament scăzut. In consecinţă, pentru sinteza a 1 gram de molecule biologice complexe, acest izotop trebuie să fie disponibil în cantităţi mari ila un pre redus.ș ț
- 2. In afara domeniului biologic, 13 C i-a găsit aplica ii i în domeniulș ț ș chimiei, pentru studiul reac iilor de schimb chimic, a reac iilor chimice înț ț prezen a izotopilor (pentru elucidarea mecanismelor de reac ie), în studiulț ț mecanismelor de cataliză omogenă iheterogenă.ș In domeniul fizicii, 13 C este utilizat ca intă în studiul diferitelorț reac ii nucleare, iar în geologie, la determinarea temperaturilor deț sedimentare a rocilor, precum i la elucidarea diferitelor proceseș geologice. In continuare vom enumera câteva aplica ii specifice aleț 13 C în diferite domenii de cercetare: a). Fizică: - Determinarea proprietă ilor nucleare;ț - Studiul reac iilor nucleareț {sec iuni eficace în reac iile de tip (ț ț γ,n) cu 13 C; polarizarea neutronilor în reac ii de tip (d,n), (p,n); distribu iiț ț unghiulare în reac ii de tip (ț 3 He,α) pe 13 C; împrăştieri elastice; structuri fine; reac ii nucleare induse de nuclee deț 13 C de mare energie}; - Studiul adsorb iei heterogene aț 13 CO2 pe suprafe e solide;ț - Construc ia de laseri cuț 13 CO2. Astfel de laseri vor permite extensii ale lungimii de undă, asigurând astfel un domeniu mai larg, puteri mai mari şi rezolu ii mai înalte.ț b). Chimie: - Studiul structurilor, proprietă ilor şi mecanismelor de reac ie dinț ț chimia elastomerilor; - Studiul frac ionărilor izotopice în procesele de oxidare,ț decarboxilare, descompunere pirolitică, ionizare; - Studiul mecanismelor de descompunere termică a diferi ilorț compuşi; - Studii de RMN şi RES cu 13 C; - Studiul solu iilor apoase cu ajutorulț 13 CO2 (mecanisme de hidratare catalitică); - Studiul deplasărilor chimice (în benzenii substitui i);ț - Studii de disociere; - Studiul mecanismelor de oxidare; - Studiul catalizei heterogene; - Sinteze; - Studiul proceselor de grafitizare; - Studiul poluării petrochimice a sistemelor acvatice; - Sinteza peptidelor în medii apoase;
- 3. - Studiul efectelor izotopice în CO2 adsorbit pe zeoli i.ț c). Biochimie: - Studiul distribu iei şi metabolismul ureei marcate cuț 13 C la primate; - Studiul circula iei din organism şi a mecanismului de func ionare aț ț rinichilor; - Studiul efectului substitu iei izotopice asupra spectrelor RESț pentru diferite organisme fotosintetice; - Studiul biosintezei proteinelor; - Studiul metabolismului uman. Dat fiind complica iile ce aparț datorită prezen ei radia ieiț ț β la izotopii 14 C şi T (tritiu) la interpretarea rezultatelor ob inute în experien e “in vivo”, se preconizează efectuarea deț ț studii metabolice la om, atât in vitro cât şi in vivo, în care să fie utilizat 13 C, care este lipsit de radia ie.ț d). Medicină: - Studiul dinamicii biosintezei uratului cu ajutorul 4 amino-5- imidazol-carboxamida-4-13 C, la pacien ii bolnavi de gută;ț - Teste de respiraţie pentru detectarea bacteriei Helicobacter pylori - bacterie ce cauzează ulcerul şi cancerul de stomac - , efectuate cu ajutorul ureii marcate cu 13 C. Acest nou test este sigur, mai simplu şi mai precis decât alte teste de diagnosticare a infecţiei Helicobacter pylori. In acest test de respiraţie pacientul bea o soluţie de uree marcată cu 13 C, neradioactivă, iar apoi, exhalează într-un sistem de colectare. Testul durează numai 30 de minute, putând fi efectuat în orice cabinet medical. Astfel se evită necesitatea endoscopiei stomacului cu biopsie şi este cu mult mai precisă decât testele de sânge. Testul se bazează pe faptul că bacteria Helicobacter pylori produce o intensificarea a nivelului de ureează, o uree ce metabolizează enzima. Unul dintre produşii de reacţie este CO2. Prin marcarea ureii cu 13 C puternic îmbogăţit, este astfel posibilă măsurarea nivelelor de 13 CO2 exhalat de pacient. Persoanele infectate cu bacteria Helicobacter. pylori prezintă nivele mai înalte de 13 C. Detecţia acestui izotop se face prin spectrometrie de masă, rezultatul obţinut fiind utilizat în diagnoza infecţiei bacteriene. In acest scop, în ultimul timp, s-au construit şi pus pe piaţă analizoare automate de 13 C din respiraţie, care, pentru măsurarea 13 CO2 din probele de respiraţie colectate în cursul testelor, utilizează metoda scurgerii continue. Aşa dar, aceste teste nu necesită probe de sânge, endoscopie sau alte procedee neconfortabile şi costisitoare pentru pacient. Noua metodă de testare a respiraţiei cu uree marcată oferă, în final, medicilor, un mijloc neradioactiv, neinvaziv pentru diagnoza precisă a infecţiei cu Helicobacter pylori în stomac.
- 4. e). Geofizica nucleară: - Studiul posibilită ii utilizării reac iilor fotonucleare pentruț ț stabilirea interfe ei petrol-apă;ț - Studiul regularită ilor persistente în distribu ia izotopilorț ț carbonului în petrol (se constată, în general, că hidrocarburile gazoase sunt mai bogate în 13 C). Studiul lor ar putea conduce la elucidarea originii zăcămintelor petrolifere. * * * Domeniile de aplicabilitate ale 13 C este extrem de vast. Dacă până acum întroducerea acestui izotop în arsenalul de investigaţie cu ajutorul izotopilor stabili a fost lent, aceasta s-a datorat atât indisponibilităţii sale şi a compuşilor marca i respectivi, cât şi lipsei unei tehnici analiticeț adecvate. Acum există instala ii care permit producerea deț 13 C în cantită iț de ordinul kg pe an, pre ul acestuia scăzând treptat în ultimul timp. Existăț Companii profilate pe producerea unui sortiment larg de compuşi marca iț cu 13 C (Analytical Service Development Corp., N.J.; Bio-Rad Laboratories, Cf.; Mallinckrodt Chemical Works, Miss.; Merck & Co., Inc.; Isotopes, N.J.; Prochem/BOC Ltd., Anglia; Stohler Isotope Chemicals, Mass.; Aldrich Chemical Co.; ISOTEC Inc.,OH;; Cambridge Isotope Laboratories, Inc., MA, etc). Dat fiind încă pre ul ridicat alț 13 C (şi a altor izotopi stabili), în cadrul unei Consfătuiri organizată de AIEA la Leipzig, s-a sugerat să se treacă la optimizarea instala iilor de separare existente, la construc ia de noiț ț instala ii, perfec ionate, să se intensifice procesele de separare prinț ț cercetarea de compuşi sau sisteme noi ce urmează a se utiliza ca materie primă de separare, sse crească scara de produc ie, etc. Legat de sintezaț compuşilor marca i, s-a subliniat necesitatea creerii unor grupe complexeț de fizicieni, biochimişti, sinteticieni organici, etc., pentru realizarea acestui deziderat. Trebuie să se asigure o mai mare varietate de aminoacizi marca i cu izotopi stabili şi să se îmbunătă ească tehnologiile de sinteză aț ț acestora, astfel încât să se reducă substan ial pre ul sintezei. In acestț ț context o importan ă deosebită o capătă metodologia de analiză izotopică.ț S-a preconizat ca atât procesele de sinteză cât şi metodologia analitică să fie patronate în cadrul unor eventuale programe interna ionale de cătreț AIEA. Pentru aplica ii, se impune cu necesitate colaborarea dintre clinicieniț şi cercetătorii de forma ii diferite.ț Preocupările din INCDTIM Cluj-Napoca, legate de această problema, au urmărit o retehnologizare a unei instala ii de îmbogă ire aț ț 13 C prin termodifuzie, folosind ca materie primă, metanul. In final, era
- 5. preconizat ca aceasta să permită îmbogă irea metanului înț 13 C , de la concentra ia naturală de 1,08%ț 13 CH4, la peste 20% 13 CH4, la o produc ieț de ~157 litri/an. Intre timp, aici s-a construit şi se află în funcţiune o înstalaţie de îmbogăţire a 13 C, bazată pe distilarea CO. Anexă: Instala ii de îmbogă ire aț ț 13 C existente pe glob: Statele Unite: - Mound Laboratory, Miamisburg, Ohio: Distilare CO, 6 kg/an la 90% 13 C. De la 90% la 99% 13 C îmbogă irea se realizează prinț termodifuzie; - Los Alamos National Laboratory: 2 instala ii de distilare a CO,ț cu o produc ie de 17-18 kg/anț 13 C. - Isotec, Inc.: Distilare CO; 5 coloane de distilare cu o producţie totală de peste 100 kg/an 13 C. - Cambridge Isotope Laboratories, Inc., Xenia, OH: 1990: Instalaţie de distilare a CO, cu o producţie de 30 kg/an 99%13 C; 1997: extinderea instalaţiei la o producţie de 120 kg 13 C/an; In plan, extinderea instalaţiei la o producţie de 240 kg 13 C/an Anglia: - Prochem: Distilare CO, 1-2 kg/an. Georgia: Institutul de izotopi stabili, Tbilissi: Distilare CO. Dr. Gheorghe VĂSARU gvasaru@hotmail.com
- 6. preconizat ca aceasta să permită îmbogă irea metanului înț 13 C , de la concentra ia naturală de 1,08%ț 13 CH4, la peste 20% 13 CH4, la o produc ieț de ~157 litri/an. Intre timp, aici s-a construit şi se află în funcţiune o înstalaţie de îmbogăţire a 13 C, bazată pe distilarea CO. Anexă: Instala ii de îmbogă ire aț ț 13 C existente pe glob: Statele Unite: - Mound Laboratory, Miamisburg, Ohio: Distilare CO, 6 kg/an la 90% 13 C. De la 90% la 99% 13 C îmbogă irea se realizează prinț termodifuzie; - Los Alamos National Laboratory: 2 instala ii de distilare a CO,ț cu o produc ie de 17-18 kg/anț 13 C. - Isotec, Inc.: Distilare CO; 5 coloane de distilare cu o producţie totală de peste 100 kg/an 13 C. - Cambridge Isotope Laboratories, Inc., Xenia, OH: 1990: Instalaţie de distilare a CO, cu o producţie de 30 kg/an 99%13 C; 1997: extinderea instalaţiei la o producţie de 120 kg 13 C/an; In plan, extinderea instalaţiei la o producţie de 240 kg 13 C/an Anglia: - Prochem: Distilare CO, 1-2 kg/an. Georgia: Institutul de izotopi stabili, Tbilissi: Distilare CO. Dr. Gheorghe VĂSARU gvasaru@hotmail.com