שיטה מהירה וזולה להפרדת איזוטופים

כל אשר הסובב אותנו בעולם מכיל סמנים כימיים ייחודיים. סמנים אלו, המכונים איזוטופים, יכולים לגלות למדענים מהם מקורותיהן של הפרודות המרכיבות את החומרים, היכן הן עברו ומה התרחש עליהן במהלך תקופה ודרך זו

כל אשר הסובב אותנו בעולם מכיל סמנים כימיים ייחודיים. סמנים אלו, המכונים איזוטופים, יכולים לגלות למדענים מהם מקורותיהן של הפרודות המרכיבות את החומרים, היכן הן עברו ומה התרחש עליהן במהלך תקופה ודרך זו. אולם, ביצוע ניתוח שכזה היה עד היום מורכב ויקר. עתה, כימאים מאוניברסיטת סטנפורד (Stanford) שבארה”ב פיתחו שיטה חדישה, פשוטה וזולה יותר, לניתוח איזוטופים.

“הכל מתבצע באמצעות עשן ומראות,” אמר הכימאי Richard Zare, בספקו תיאור מילולי ביותר של השיטה החדישה. המתקן שהוא ועמיתיו פיתחו שורף דגימות כימיות לקבלת גז, שאז זורם דרך אלומת לייזר המתפצלת הלוך ושוב דרך קבוצת מראות הקבועות במיכל מיוחד.

לכל האטומים של יסוד מסוים יש את אותו מספר הפרוטונים בגרעין שלהם, אולם הם יכולים להכיל מספר משתנה של נויטרונים. פחמן, כדוגמא, מכיל תמיד שישה פרוטונים, אולם מספר הנויטרונים בגרעינו יכול להשתנות משישה לשבעה ולשמונה. כל צורון שונה שכזה מהווה איזוטופ של פחמן.

לחוקר היה רעיון שבו ניתן להבדיל בין האיזוטופים השונים באמצעות הצבע, או אורך הגל, שמוחזר מאלומת הלייזר בעקבות המפגש שלה עם פרודות קטנות יותר המתקבלות בפירוק של החומרים המקוריים.

“חישבו עליהם כעל כדורים זהים בעלי צבעים שונים,” מסביר החוקר. הכלי החדש שלנו מסוגל לחשב את הרכב האיזוטופים בדגימה פשוט ע”י “ספירת הצבעים והשוואה ביניהם.” עיקרון זה הופך את המכשיר גם לרב-גוני יותר מאשר מכשירי ספקטרומטרים של מסות הקיימים היום מכיוון שהמכשיר החדש מסוגל לנתח את הרכב האיזוטופים של יסודות שונים באותו הזמן מבלי הצורך בכיול-מחדש עבור כל יסוד ויסוד בנפרד.

הציוד הנדרש לשיטה החדישה הינו קטן יותר, זול יותר, קל יותר ונייד יותר מאשר בשיטות קודמות, ופשוט לשימוש. יש בו את היכולת להדגים את היתרונות הרבים של ניתוח איזוטופים ולהביאו בקלות להישג ידם של מגוון חוקרים, שעד כה קצרה ידם מלהשתמש בציוד היקר בשל עלותו הגבוהה, כאשר הם נזקקו לו, מסביר החוקר. הוא ועמיתיו מדווחים על השיטה שלהם בגרסת הרשת של כתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

ניתוח איזוטופים משמש במגוון תחומי-מחקר, בכללם: גיאוכימיה, רפואה ומדעי-האקלים. עד היום, הניתוח נעשה באמצעות יחס איזוטופים המתקבל ע”י מכשיר של ספקטרומטר מסות, הפועל באמצעות פירוק הפרודות ע”י זרם חשמלי והשימוש במגנט בכדי להפריד את האיזוטופים בהתאם למסה שלהם – ככל שיש יותר נויטרונים, כך גדלה המסה. מכשיר אחד שכזה יכול לעלות כמיליון דולרים. בנוסף על היותם יקרים וכבדים, השימוש במכשירי ספקטרומטר המסות הקיימים היום דורש טכנאים מנוסים לשם הפעלתם הנכונה.

המכשיר החדש, המשתמש בשיטה ספקטרוסקופית של “cavity ring-down spectroscopy” הוא בעל יישומים אפשריים בתחומים מגוונים כרפואה, גיאולוגיה וייננות (הכנת יין), מציין החוקר. “יש אנשים המוכנים לשלם כסף רב בעבור יין טוב,” מסביר החוקר. “אם יתאפשר לי למדוד את הרכב האיזוטופים, אני אוכל לומר לך בביטחון אם אתה משלם כסף רב עבור הדבר האמיתי או לא.”

מאחר ותפוצת איזוטופים ייחודיים של היסודות רבה יותר מאחרים באתרים מסוימים, יחס האיזוטופים השונים בתוך תערובת מורכבת יכול לשמש כעין יומן-מסע – הוא יכול לגלות לך את ההיסטוריה של התערובת, האם מקורה במדינות שונות אם לאו, האם מקורה ברקמה מסוימת בגוף האדם או מתקופת זמן קדומה יותר. קביעת ההיסטוריה של תערובת חומרים באמצעות מדידת יחס האיזוטופים שבהם מוכרת כניתוח איזוטופי.

כדוגמא, מסביר החוקר שצמחים מסוימים, כתירס, מכילים כמות רבה יותר של פחמן-13 מאשר צמחים אחרים. מאחר והאמריקאים נוטים לאכול יותר תירס ומוצריו מאשר האירופאים, ניתוח איזוטופי של נשיפתם יראה כמות רבה יותר של פחמן-13.

רופאים ורוקחים יכולים להשתמש בניתוח איזוטופי לשם מדידת דיוק ההכוונה של תרופות בררניות באמצעות בדיקת דגימות שתן ונשיפה בכדי לראות אם האיברים המתאימים פירקו אותה כמתוכנן. בנוסף, מדעני-אקלים יכולים ללמוד הרבה על התנאים ששררו בכדור-הארץ בתקופות קדומות יותר ע”י בחינת החומר פחמן דו-חמצני הכלוא בליבתם של קרחונים, מסביר החוקר.

החוקרים, בשיתוף פעולה עם חברת-הזנק בשם Picarro Inc, יצרו אב-טיפוס של המכשיר ובחנו בהצלחה את ביצועיו באמצעות מדידת האיזוטופים של פחמן בתרכובות אורגניות שונות כגון: מתאן, אתאן ופרופאן. המגנטים המסורבלים, שהינם הרכיבים היקרים ביותר במכשירי ספקטרומטרים של מסות, אינם נדרשים כלל במכשיר החדש, כך שהעלויות נמוכות הרבה יותר תוך קבלת רמת ביצועים מספקת, לדבריו של החוקר. יתרון נוסף: ניתן להשתמש במכשיר ללא הכשרה מיוחדת וארוכה.

מכשירים קיימים לניתוח איזוטופי, המבוססים על ספקטרוסקופיית מסות, יכולים להגיע למשקל של כשבע-מאות ק”ג ולתפוס חלל הדומה למקפיא גדול, כזה הקיים בחנויות לממכר גלידות. ברגע שאב-הטיפוס יפותח במלואו וימוסחר, “הוא יתאים בגודלו למושב רכב,” מציין החוקר. ניידות זו תוכל לקדם את הניתוח האיזוטופי ישירות אל עבר השטח, בין אם זה משרדו של הרופא ובין אם זה הכרם של היינן. יחד עם זאת, הצוות רואה מקום לשיפורים נוספים.

מדידות יחס האיזוטופים של המכשיר החדש מדויקות עד כדי יחידה אחת עד שלוש לכל אלף יחידות, שהינו דיוק המספיק להיות תחרותי מול מכשירי הספקטרוסקופיה הקיימים היום. “המטרה שלנו הינה להיות טובים יותר ובעצם להחליף את הניתוח האיזוטופי הנעשה באמצעות ספקטרוסקופיית מסות,” מסביר החוקר. הוא רואה את המטרה הזו מושגת בתוך חמש עד עשר שנים.

הידיעה מאוניברסיטת סטנפורד

לתמונה ולזכויות שלה