کاربرد ایزوتوپ های کربن
ایزوتوپهای عنصر کربن کاربردهای متنوعی در علوم فیزیک، شیمی، زیست شناسی، پزشکی، باستان شناسی، نفت و گاز و... دارای می باشند.
کاربردهای ایزوتوپ کربن 13
مهمترین کاربردهای ایزوتوپ کربن-۱۳ در پزشکی و تشخیص بیماریهای وابسته به متابولیک بدن نظیر سرطان شناسی و همچنین تعیین ساختار مواد آلی می باشد.
کاربردها در فیزیک
ایزوتوپ کربن-۱۳ بطور گسترده در علوم فیزیک و بیوفیزیک بمنظور مطالعه واکنش های هسته ای،
اندازه گیری غلظتهای هسته ای و مطالعه پراکندگی غیر کشسان پروتونهای پلاریزه شده و بویژه برای بررسی مکانیزم فرآیندهایی که در بدن موجود زنده رخ می دهد، کاربرد دارد.
کاربردها در شیمی
از ایزوتوپ کربن-۱۳ بعنوان نشانگر در سطح وسیعی برای شناسایی ساختار ترکیبات آلی و حتی در ساختارهای زیستی بدون آسیب رسانی و تخریب آنها استفاده میشود. این مسئله، انگیزه قوی برای دست یابی به روش های مؤثر برای جداسازی این ایزوتوپ پایدار و نیز گسترش اشکال گوناگون طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای آن (CNMRا) فراهم نموده است. مطالعه هسته های کربن از طریق طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته (CNMRا، تکنیک مهمی برای تعیین ساختار مولکولهای آلی است. استفاده از این تکنیک در کنار HNMR' و نیز طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)، شیمیدانان آلی را قادر می سازد تا ساختار یک ترکیب مجهول را بطور کامل شناسایی نمایند.
کربن-۱۲ که فراوان ترین ایزوتوپ کربن است، در تکنیک CNMR غیرفعال می باشد، چون دارای اسپین صفر است. اما کربن-۱۳ به دلیل دارا بودن عدد جرمی فرد، از اسپین هسته ای نیز برخوردار بوده و قابل استفاده در تکنیک مذکور می باشد. با استفاده از دستگاه های جدید تبدیل فوریه FT-NMR امکان بدست آوردن دقیق تر و سریع تر طیف های کربن و پروتون ترکیبهای آلی وجود دارد، هر چند آشکار سازی سیگنال های کربن در مقایسه با طیف های پروتون کمی دشوارتر است از طیف های کربن-۱۳ میتوان برای تعیین تعداد کربنهای نامعادل و نیز تشخیص انواع کربن (متیل، متیلن، آروماتیک، کربونیل و...) موجود در یک ترکیب استفاده نمود و بطور مستقیم اطلاعاتی در مورد اسکلت کربنی یک مولکول، بدست آورد. بنابراین تعیین ساختار یک ترکیب با بهره گیری از CNMRای ساده تر از HNMR است، هر چند از هر دو تکنیک برای تعیین ساختار یک ترکیب مجهول استفاده میشوند و هر دو مکمل یکدیگر می باشند.
کاربردها در پزشکی
از دیگر کاربردهای ایزوتوپ کربن-۱۳ می توان به تشخیص از کارافتادگی و نقص عضو در بدن موجود زنده اشاره نمود که مهمترین موارد آن شامل تشخیص از کار افتادگی کبد، ریه ها و پانکراس (دیابت) و ضعف عضله قلب میباشد. همچنین در بیماریهای مربوط به نقص در متابولیسم نظیر انواع سرطان، به علت عملکرد غیرعادی غدد مترشحه داخلی و سایر ارگانهای بدن، جهت تشخیص نارسایی های مذکور از ترکیبات نشاندار شده توسط کربن-۱۳ نظیر متابولیتها و لاکتات ها در تکنیک اسپکتروسکوپی رزونانس هسته(MRS) و تصویربرداری اسپکتروسکوپی رزونانس هسته (MRSI) استفاده میشود. این تکنیک بر پایه تکنیکهای NMR و MRI به بررسی تغییرات متابولیتها در ناحیه مورد مطالعه می پردازد.
اسپکتروسکوپی رزونانس هسته
دستگاه NMR یک ابزار تجزیهای بسیار قدرتمند و چندمنظوره برای حل گستره وسیعی از مسائل بیوشیمیایی می باشد. بطوری که امروزه از جایگاه ویژه ای در مطالعات متابولومیکس برخوردار است. در واقع، متابولومیکس شامل مطالعه علمی فرایندهای شیمیایی مربوط به متابولیتها، واسطه های مولکولی کوچک، محصولات متابولیسم و مطالعه پروفایل متابولیت های مولکولی کوچک حاصل از فرایندهای بیوشیمیایی می باشد. پروفایل متابولیک می تواند تصویر لحظهای فیزیولوژی سلول مورد مطالعه را فراهم کند. اگرچه تکنیکهای مختلف طیف سنجی جرمی اغلب به منظور مطالعات متابولومیکس استفاده شده اند، اما توانایی های منحصر به فرد تکنیک NMR، مزیت های بسیاری را در این زمینه علمی ارزشمند فراهم کرده است. این مزایا عبارتند از:
• آنالیز موقعیت دقیق ایزوتوپومرها در متابولیت های با غنی شدگی ایزوتوپی
• تعیین ساختار متابولیت های ناشناخته
• اندازه گیری های صحیح بدون نیاز به استانداردها
• آنالیز دینامیک مسیرهای متابولیسم از سلول تا اندامها
. • تحقیقات مربوط به ردیابهای ایزوتوپ پایدار غنی شده به منظور کشف مسیرها و شبکه های بیوشیمیایی
به بیان ساده از ایزوتوپ پایدار کربن-۱۳ جهت تشخیص انواع مختلف بیماری استفاده می گردد. این ایزوتوپ در قالب مولکول قندی به بدن بیمار تزریق می شود. سپس از بدن بیمار توسط تکنیک اسپکتروسکوپی رزونانس مغناطیسی هسته (MRS) تصویربرداری می گردد. با تقسیم بندی ناحیه مشکوک به پیکسل های سه بعدی مختلف و بررسی تغییرات متابولیتی و لاكتاتی این وکسلها میزان پیشرفت توده سرطانی مشخص می گردد.
کاربرد در نفت و گاز
یکی از کاربردهای عمده ایزوتوپ پایدار کربن -۱۳ در شناسایی منبع و مبدأ تشکیل منابع هیدروکربوری موجود مخازن نفتی با استفاده از اثر انگشت یا امضاء ایزوتوپی آنها است. از آنجایی که نفت مشخصات ایزوتوپی و مولکولی کروژن والد خود را به ارث می برد، آنالیزهای مدرن ایزوتوپی که در سطح مولکولی انجام می شود امکان شناسایی منابع متفاوت نفتی را از طریق تشخیص همبستگی بین نفت و سنگ مخزن فراهم می نماید. شکست پیوندهای شیمیایی که منجر به تولید گاز طبیعی یعنی هیدروکربورهای C1 تا C4 از نفت یا کروژن می گردد، منجر به تفریق ایزوتوپی دمایی شده و باعث می شود که گازهای حاصل شده، خواص ایزوتوپی و مولکولی والد خود را به ارث نبرند. این تفریق ایزوتوپی نتیجه سینتیک متفاوت ایزوتوپهای13c,12c,D,H,14N ,15N,32S,34S
در فرایندهای شکستن و ایجاد پیوندهای جدید می باشد که نهایتا منجر به غنی شدن 12C در متان و محصولات سبکتر و البته 13Cدر محصولات سنگینتر می گردد. به عبارت بهتر کاربرد ایزوتوپ پایدار کربن-۱۳ در صنعت نفت را می توان در موارد ذیل خلاصه نمود.
• اکتشاف مخازن هیدروکربوری
• تعیین محل دقیق حفاری چاه ها
• بهبود فرایند استخراج از مخازن نفت و گاز
• شناسایی مبدأ، محل نشت و چگونگی انتشار لکه های نفتی
کاربرد ایزوتوپ کربن-۱۴
عمر اشیاء قدیمی به کمک ایزوتوپ رادیواکتیو کربن-۱۴ تعیین می شود که تغییرات آن بطور طبیعی اتفاق می افتد. به کمک زمان سنجی کربن -۱۴ تعیین طول عمر اجسام تا ۶۰۰۰۰ سال امکان پذیر است. مقدار این ایزوتوپ در بدن موجودات زنده با توجه به تغذیه آنها از منابع هیدروکربنی، ثابت می باشد. با مردن این موجودات و عدم دریافت این ایزوتوپ از منابع خارجی و به دلیل واپاشی آن، مقدار ایزوتوپ کربن-۱۴ موجود در اجساد و اعضاء باقیمانده آنها بتدریج کاهش می یابد. با توجه به نیمه عمر پنج هزار و هفتصد ساله این ایزوتوپ، پس از گذشت هر ۵۷۰۰ سال، نیمی از آن وامی پاشد و در این واپاشی، کربن -۱۴ با گسیل یک ذره بتا B یا الکترون e به N تبدیل می شود و این روند ادامه خواهد یافت. با مشخص کردن این که چه مقدار از هسته رادیواکتیو باقی مانده است، می توان دریافت که چند نیمه عمر از ماده سپری شده و با دانستن نیمه عمر عناصر به سادگی می توان سن اشیاء قدیمی را محاسبه نمود.