Aplicatiile Carbonului - 13
Download as DOC, PDF
1 like1,248 views
Carbonul face parte din grupa elementelor uoare care nu dispune de izotopi radioactivi cu via suficient de lung pentru a putea fi utilizai 樽n practic. In plus, carbonul fiind unul din elementele constitutive ale organismelor vii, izotopii stabili ai acestuia, 樽n particular 13C, i-au gsit multiple aplicaii 樽n tiinele biologice, fiind utilizat ca trasor 樽n studii legate de migrarea materiei vii 樽n spaii izolate,Studiul transformrilor fizico-chimice, cum ar fi micarea atomilor 樽n molecul, ruperea i formarea legturilor chimice, cu dispariia unui tip de molecul i formarea altui tip. Acest gen de cercetri poate conduce la stabilirea de noi legturi genetice, la clarificarea mecanismului de biosintez a moleculelor complexe din molecule mai simple, a mecanismelor de transformare a produilor alimentari i a medicamentelor 樽n organism.
Aplicatiile Carbonului - 13
- 1. Curierul de Fizica, Nr. 76, p. 10 -11, 2014 APLICA鄭IILE CARBONULUI - 13 Carbonul face parte din grupa elementelor u oare care nu dispune de izotopi radioactivi cu via suficient de lung pentru a putea fi utiliza i 樽n practic. In plus, carbonul fiind unul din elementele constitutive ale organismelor vii, izotopii stabili ai acestuia, 樽n particular 13 C, i-au gsit multiple aplica ii 樽n tiin ele biologice, fiind utilizat ca trasor 樽n studii legate de migrarea materiei vii 樽n spa ii izolate,Studiul transformrilor fizico-chimice, cum ar fi mi carea atomilor 樽n molecul, ruperea i formarea legturilor chimice, cu dispari ia unui tip de molecul i formarea altui tip. Acest gen de cercetri poate conduce la stabilirea de noi legturi genetice, la clarificarea mecanismului de biosintez a moleculelor complexe din molecule mai simple, a mecanismelor de transformare a produ ilor alimentari ia medicamentelor 樽n organism. 13 C poate fi utilizat i 樽n studiul proceselor de transformare ce au loc 樽n stare de echilibru sau neechilibru sau 樽n studiul migra iei reversibile a substan ei prin diferite membrane biologice. In toate aceste studii 13 C poate fi utilizat pentru marcarea unor combina ii ce difer de cele obi nuite printr-un con inut mai ridicat 樽n acest izotop. In urma acestui fapt, prin modificarea masei acestor combina ii, apar modificri ale valorii constantelor fizico-chimice respective, legate de mas (constanta de schimb, viteza de reac ie, coeficientul de difuzie, etc). Succesele recente ale tehnologiei analitice a deschis un domeniu larg de aplica ie ale acestui izotop ca trasor 樽n cercetrile biologice. Acum, moleculele 樽mbog釘ite cu 13 C pot fi identificate cantitativ. Pentru decelarea moleculelor ce con in 13 C de cele ce con in 12 C se poate utiliza cu succes spectrometria RMN protonic. Acest lucru este facilitat de faptul c 13 C are spinul 1/2, 樽n timp ce izotopii 12 C i 14 C au spinul zero. Pentru determinarea cantitativ a moleculelor ce con in izotopul 13 C se poate utiliza i spectrometria de mas. Ambele metode sunt nedistructive. Majoritatea moleculelor de interes biologic sunt mari i complexe. Sintezele cu 13 C necesit efectuarea c但torva reac ii, fiecare av但nd un randament sczut. In consecin釘, pentru sinteza a 1 gram de molecule biologice complexe, acest izotop trebuie s fie disponibil 樽n cantit釘i mari ila un pre redus.
- 2. In afara domeniului biologic, 13 C i-a gsit aplica ii i 樽n domeniul chimiei, pentru studiul reac iilor de schimb chimic, a reac iilor chimice 樽n prezen a izotopilor (pentru elucidarea mecanismelor de reac ie), 樽n studiul mecanismelor de cataliz omogen iheterogen. In domeniul fizicii, 13 C este utilizat ca int 樽n studiul diferitelor reac ii nucleare, iar 樽n geologie, la determinarea temperaturilor de sedimentare a rocilor, precum i la elucidarea diferitelor procese geologice. In continuare vom enumera c但teva aplica ii specifice ale 13 C 樽n diferite domenii de cercetare: a). Fizic: - Determinarea propriet ilor nucleare; - Studiul reac iilor nucleare {sec iuni eficace 樽n reac iile de tip ( 粒,n) cu 13 C; polarizarea neutronilor 樽n reac ii de tip (d,n), (p,n); distribu ii unghiulare 樽n reac ii de tip ( 3 He,留) pe 13 C; 樽mprtieri elastice; structuri fine; reac ii nucleare induse de nuclee de 13 C de mare energie}; - Studiul adsorb iei heterogene a 13 CO2 pe suprafe e solide; - Construc ia de laseri cu 13 CO2. Astfel de laseri vor permite extensii ale lungimii de und, asigur但nd astfel un domeniu mai larg, puteri mai mari i rezolu ii mai 樽nalte. b). Chimie: - Studiul structurilor, propriet ilor i mecanismelor de reac ie din chimia elastomerilor; - Studiul frac ionrilor izotopice 樽n procesele de oxidare, decarboxilare, descompunere pirolitic, ionizare; - Studiul mecanismelor de descompunere termic a diferi ilor compui; - Studii de RMN i RES cu 13 C; - Studiul solu iilor apoase cu ajutorul 13 CO2 (mecanisme de hidratare catalitic); - Studiul deplasrilor chimice (樽n benzenii substitui i); - Studii de disociere; - Studiul mecanismelor de oxidare; - Studiul catalizei heterogene; - Sinteze; - Studiul proceselor de grafitizare; - Studiul polurii petrochimice a sistemelor acvatice; - Sinteza peptidelor 樽n medii apoase;
- 3. - Studiul efectelor izotopice 樽n CO2 adsorbit pe zeoli i. c). Biochimie: - Studiul distribu iei i metabolismul ureei marcate cu 13 C la primate; - Studiul circula iei din organism i a mecanismului de func ionare a rinichilor; - Studiul efectului substitu iei izotopice asupra spectrelor RES pentru diferite organisme fotosintetice; - Studiul biosintezei proteinelor; - Studiul metabolismului uman. Dat fiind complica iile ce apar datorit prezen ei radia iei 硫 la izotopii 14 C i T (tritiu) la interpretarea rezultatelor ob inute 樽n experien e in vivo, se preconizeaz efectuarea de studii metabolice la om, at但t in vitro c但t i in vivo, 樽n care s fie utilizat 13 C, care este lipsit de radia ie. d). Medicin: - Studiul dinamicii biosintezei uratului cu ajutorul 4 amino-5- imidazol-carboxamida-4-13 C, la pacien ii bolnavi de gut; - Teste de respira釘ie pentru detectarea bacteriei Helicobacter pylori - bacterie ce cauzeaz ulcerul i cancerul de stomac - , efectuate cu ajutorul ureii marcate cu 13 C. Acest nou test este sigur, mai simplu i mai precis dec但t alte teste de diagnosticare a infec釘iei Helicobacter pylori. In acest test de respira釘ie pacientul bea o solu釘ie de uree marcat cu 13 C, neradioactiv, iar apoi, exhaleaz 樽ntr-un sistem de colectare. Testul dureaz numai 30 de minute, put但nd fi efectuat 樽n orice cabinet medical. Astfel se evit necesitatea endoscopiei stomacului cu biopsie i este cu mult mai precis dec但t testele de s但nge. Testul se bazeaz pe faptul c bacteria Helicobacter pylori produce o intensificarea a nivelului de ureeaz, o uree ce metabolizeaz enzima. Unul dintre produii de reac釘ie este CO2. Prin marcarea ureii cu 13 C puternic 樽mbog釘it, este astfel posibil msurarea nivelelor de 13 CO2 exhalat de pacient. Persoanele infectate cu bacteria Helicobacter. pylori prezint nivele mai 樽nalte de 13 C. Detec釘ia acestui izotop se face prin spectrometrie de mas, rezultatul ob釘inut fiind utilizat 樽n diagnoza infec釘iei bacteriene. In acest scop, 樽n ultimul timp, s-au construit i pus pe pia釘 analizoare automate de 13 C din respira釘ie, care, pentru msurarea 13 CO2 din probele de respira釘ie colectate 樽n cursul testelor, utilizeaz metoda scurgerii continue. Aa dar, aceste teste nu necesit probe de s但nge, endoscopie sau alte procedee neconfortabile i costisitoare pentru pacient. Noua metod de testare a respira釘iei cu uree marcat ofer, 樽n final, medicilor, un mijloc neradioactiv, neinvaziv pentru diagnoza precis a infec釘iei cu Helicobacter pylori 樽n stomac.
- 4. e). Geofizica nuclear: - Studiul posibilit ii utilizrii reac iilor fotonucleare pentru stabilirea interfe ei petrol-ap; - Studiul regularit ilor persistente 樽n distribu ia izotopilor carbonului 樽n petrol (se constat, 樽n general, c hidrocarburile gazoase sunt mai bogate 樽n 13 C). Studiul lor ar putea conduce la elucidarea originii zcmintelor petrolifere. * * * Domeniile de aplicabilitate ale 13 C este extrem de vast. Dac p但n acum 樽ntroducerea acestui izotop 樽n arsenalul de investiga釘ie cu ajutorul izotopilor stabili a fost lent, aceasta s-a datorat at但t indisponibilit釘ii sale i a compuilor marca i respectivi, c但t i lipsei unei tehnici analitice adecvate. Acum exist instala ii care permit producerea de 13 C 樽n cantit i de ordinul kg pe an, pre ul acestuia scz但nd treptat 樽n ultimul timp. Exist Companii profilate pe producerea unui sortiment larg de compui marca i 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 樽nc pre ul ridicat al 13 C (i a altor izotopi stabili), 樽n cadrul unei Consftuiri organizat de AIEA la Leipzig, s-a sugerat s se treac la optimizarea instala iilor de separare existente, la construc ia de noi instala ii, perfec ionate, s se intensifice procesele de separare prin cercetarea de compui sau sisteme noi ce urmeaz a se utiliza ca materie prim de separare, sse creasc scara de produc ie, etc. Legat de sinteza compuilor marca i, s-a subliniat necesitatea creerii unor grupe complexe de fizicieni, biochimiti, sinteticieni organici, etc., pentru realizarea acestui deziderat. Trebuie s se asigure o mai mare varietate de aminoacizi marca i cu izotopi stabili i s se 樽mbunt easc tehnologiile de sintez a acestora, astfel 樽nc但t s se reduc substan ial pre ul sintezei. In acest context o importan deosebit o capt metodologia de analiz izotopic. S-a preconizat ca at但t procesele de sintez c但t i metodologia analitic s fie patronate 樽n cadrul unor eventuale programe interna ionale de ctre AIEA. Pentru aplica ii, se impune cu necesitate colaborarea dintre clinicieni i cercettorii de forma ii diferite. Preocuprile din INCDTIM Cluj-Napoca, legate de aceast problema, au urmrit o retehnologizare a unei instala ii de 樽mbog ire a 13 C prin termodifuzie, folosind ca materie prim, metanul. In final, era
- 5. preconizat ca aceasta s permit 樽mbog irea metanului 樽n 13 C , de la concentra ia natural de 1,08% 13 CH4, la peste 20% 13 CH4, la o produc ie de ~157 litri/an. Intre timp, aici s-a construit i se afl 樽n func釘iune o 樽nstala釘ie de 樽mbog釘ire a 13 C, bazat pe distilarea CO. Anex: Instala ii de 樽mbog ire a 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 樽mbog irea se realizeaz prin termodifuzie; - Los Alamos National Laboratory: 2 instala ii de distilare a CO, cu o produc ie de 17-18 kg/an 13 C. - Isotec, Inc.: Distilare CO; 5 coloane de distilare cu o produc釘ie total de peste 100 kg/an 13 C. - Cambridge Isotope Laboratories, Inc., Xenia, OH: 1990: Instala釘ie de distilare a CO, cu o produc釘ie de 30 kg/an 99%13 C; 1997: extinderea instala釘iei la o produc釘ie de 120 kg 13 C/an; In plan, extinderea instala釘iei la o produc釘ie de 240 kg 13 C/an Anglia: - Prochem: Distilare CO, 1-2 kg/an. Georgia: Institutul de izotopi stabili, Tbilissi: Distilare CO. Dr. Gheorghe VSARU gvasaru@hotmail.com
- 6. preconizat ca aceasta s permit 樽mbog irea metanului 樽n 13 C , de la concentra ia natural de 1,08% 13 CH4, la peste 20% 13 CH4, la o produc ie de ~157 litri/an. Intre timp, aici s-a construit i se afl 樽n func釘iune o 樽nstala釘ie de 樽mbog釘ire a 13 C, bazat pe distilarea CO. Anex: Instala ii de 樽mbog ire a 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 樽mbog irea se realizeaz prin termodifuzie; - Los Alamos National Laboratory: 2 instala ii de distilare a CO, cu o produc ie de 17-18 kg/an 13 C. - Isotec, Inc.: Distilare CO; 5 coloane de distilare cu o produc釘ie total de peste 100 kg/an 13 C. - Cambridge Isotope Laboratories, Inc., Xenia, OH: 1990: Instala釘ie de distilare a CO, cu o produc釘ie de 30 kg/an 99%13 C; 1997: extinderea instala釘iei la o produc釘ie de 120 kg 13 C/an; In plan, extinderea instala釘iei la o produc釘ie de 240 kg 13 C/an Anglia: - Prochem: Distilare CO, 1-2 kg/an. Georgia: Institutul de izotopi stabili, Tbilissi: Distilare CO. Dr. Gheorghe VSARU gvasaru@hotmail.com