Menu

Compuși marcați cu izotopi stabili

Cercetător: József-Zsolt Szücs-Balázs

Cuvinte cheie: compuși marcați, marcare izotopică personalizată,2H, 13C, 15N și 18O

Descriere

Marcarea izotopică reprezintă procesul chimic de evidențiere a unei molecule, prin creșterea concentraţiei atomice a 2H/13C/15N/18O în structura sa, fiind astfel posibilă detectarea cu ușurință a traseului acelei substanţe, în diverse procese fizico-chimice şi biologice.

Marcarea izotopică se realizează prin trei metode diferite:

  • Conversia chimică a materiilor prime (obținute din separarea izotopilor) în diferiţi precursori utilizați în marcări mai complexe. Această etapă se realizează prin sinteze clasice, cum ar fi conversia acidului azotic în amoniac cu aliaj Dewarda în mediu bazic, sau prin cataliză eterogenă, cum ar fi conversia monoxidului de carbon în dioxid de carbon sau metan folosind catalizatori metalici depuși pe suport poros.
  • Marcarea izotopică personalizată, caz în care, în primă fază se identifică cea mai potrivită rută de sinteză pentru obținerea compusului dorit, sinteză ce se testează și se optimizează cu reactanți nemarcați. În cea de a doua fază, se realizează și se validează sinteza cu substanțe marcate, obținându-se astfel compusul marcat personalizat.
  • Biosinteza de compuși marcați. Se obțin culturi biologice care au capacitatea de a încorpora în metabolismul propriu produși marcați izotopic cu 2H, 13C și 15N. Se pot determina modalități pentru a beneficia de bagajul enzimatic (e.g. proteine) al acestor culturi, în special în abordarea anumitor afecțiuni din domeniul medical prin trecerea de la tratarea nespecifică la cea țintită, de exemplu, prin evidențierea acelor procese moleculare asociate patologiilor metabolice.

Aplicații

Domeniile de aplicabilitate a tehnologiilor izotopice sunt agronomie, biochimie, biologie, medicină, nutriţie, fizică nucleară şi mediu.

  • Cu ajutorul izotopilor se poate monitoriza procesul metabolic al substanţelor nutritive marcate cu 15N şi 13C. Aminoacizii marcaţi cu 15N şi 13C sunt utilizați în studii privind metabolismul azotului şi carbonului, făcând posibilă determinarea vitezei de sinteză a proteinelor de către corpul uman.
  • Compuşii marcaţi cu izotopi stabili se utilizează în investigațiile medicale în care radioizotopii nu pot fi utilizați (de ex: la femei gravide sau care alăptează).
  • Izotopii stabili 10B, 7Li, 15N, 157Gd şi 91Zr pot fi utilizaţi pentru reactorii nucleari energetici. De exemplu, 15N (conc. 99 % at.) este utilizat în combustibilul nuclear de tip „nitrură de uraniu” pentru a evita producerea izotopului radioactiv 14C
  • Cunoaşterea dinamicii azotului anorganic în funcţie de profilul solului este importantă atât în agronomie cât şi pentru determinarea poluanților din ape. Pentru a clarifica dinamica azotului, s-au făcut cercetări în agricultură prin folosirea azotatului de amoniu dublu marcat 15NH415NO3. Acesta, folosit ca și îngrășământ, parcurge un traseu în plantă și poate fi detectat în rădăcină, în tulpină sau în frunze. Informațiile obținute sunt mai selective și mai precise pentru studiile de specialitate.
  • Cele mai des studiate nuclee în spectroscopia de rezonanță nucleară în cazul compușilor organici sunt 13C și 15N. Astfel, informațiile extrase din spectrele RMN sunt utilizate pentru caracterizarea structurală locală, la scală atomică dar și a dinamicii moleculare.

Infrastructură

  • Laborator de sinteză compuși marcați izotopic – Singurul laborator de sinteză de compuși marcați cu 2H, 13C, 15N și 18O din țară funcționează în cadrul institutului. Laboratorul de sinteză organică și anorganică deține tehnologii optimizate în tandem cu metodele analitice de control. Acestea întregesc procesul spre a satisface cerințele utilizatorilor. Preocuparea principală a echipei de cercetători este dezvoltarea tehnologiilor specializate pe servicii de tip custom isotopic labeling – marcare izotopică personalizată.
  • Spectrometru de masă IsoPrime100 – Permite determinarea concentraţiei izotopice (de până la 100%) din probe gazoase de CO, CO2, N2.
  • Gaz cromatograf Shimadzu GC – 2010 – Utilizat pentru determinarea conţinutului unui amestec gazos în flux continuu, care măsoară conținutul diferitelor componente dintr-un eșantion.
  • Staţie de producere a azotului lichid StirLIN-1 – Produce 120 l/zi de azot lichid, de puritate 99%, folosit la sinteza unor compuşi marcaţi.

Avantaje

Există metode restrictive în care nu se pot obţine informaţii utile prin metode convenționale. Astfel devine necesară utilizarea tehnicilor izotopice.

 Compuşii marcaţi cu izotopi stabili ai elementelor biogene oferă avantaje faţă de trasorii radioactivi, având în vedere incompatibilitatea acestora din urmă cu sistemele biologice complexe vii.

Randamentul de obținere pentru majoritatea compușilor anorganici marcați este de peste 80%, iar metodele dezvoltate de noi sunt scalabile.

INCDTIM are o tradiție îndelungată în dezvoltarea și implementarea tehnologiilor pentru separarea izotopilor stabili ușori, iar în prezent este singurul producător european, care realizează îmbogățirea izotopilor 13C și 15N până la valori de 85%, respectiv 99% în cazul izotopului 15N.

Costuri estimative

Producerea izotopului 15N este favorabilă din punct de vedere economic numai pentru producţii de ordinul zecilor de kg/an. În ceea ce priveşte costul compuşilor marcaţi cu izotopi stabili, acesta este în funcţie de:

cantitatea şi concentraţia izotopilor folosiţi

 materiile prime folosite în sinteză

 gradul de dificultate al procedurii de sinteză

 timpul necesar sintezei

fiind astfel personalizat pentru fiecare utilizator în parte.