El asombroso Isótopo trazador









Isótopo trazador o Trazador isotópico, nombre aplicado a un átomo de un isótopo que se utiliza para observar el movimiento de ciertos materiales en procesos químicos, biológicos o físicos. Este término se aplica comúnmente a cualquier isótopo radiactivo utilizado para seguir el curso de sustancias no radiactivas. Sin embargo, para uso científico, el término se aplica también a isótopos menos abundantes, no radiactivos o estables, que se pueden emplear en técnicas de seguimiento.
Los trazadores se pueden utilizar para seguir el movimiento de sustancias en cantidades grandes o pequeñas, y a nivel molecular o atómico. Las observaciones se pueden realizar midiendo la radiactividad en el caso de los trazadores radiactivos, o la abundancia relativa de isótopos en las aplicaciones que utilizan isótopos estables como trazadores. Los instrumentos empleados para detectar la radiación incluyen el electroscopio, el contador de centelleo y el contador Geiger. En las investigaciones que usan isótopos estables, el instrumento más utilizado es el espectrómetro de masas, que puede determinar las cantidades relativas de varios isótopos en una muestra de la sustancia a analizar. Los trazadores tienen aplicaciones importantes en muchos campos de investigación, así como en medicina, en agricultura y en la industria.
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TRAZADORES DE MATERIAL VOLUMINOSO
Aunque el movimiento de grandes masas de sólidos o fluidos puede ser estudiado por muchos métodos, incluyendo la observación visual de los tintes trazadores, el uso de isótopos trazadores radiactivos en aplicaciones de material voluminoso ofrece ciertas ventajas, como son mayor velocidad de operación, fiabilidad y conveniencia. Por ejemplo, se pueden usar trazadores radiactivos para marcar el límite entre los distintos tipos de aceite que fluyen por un oleoducto, inyectando en la confluencia de dos tipos un material radiactivo que emite rayos gamma penetrantes. Los detectores de radiación colocados en el oleoducto, detectarán los rayos gamma cuando esta zona interfacial pase por un punto dado. En ese momento, los detectores pueden poner en funcionamiento unas válvulas que canalicen los dos aceites diferentes por salidas distintas.
Los trazadores se utilizan en la industria para detectar cantidades microscópicas de desgaste. La calidad lubricante de un aceite, por ejemplo, puede ser evaluada después de un funcionamiento prolongado en un motor experimental, midiendo la cantidad de desgaste de los aros del émbolo y las paredes del cilindro, y también por la cantidad de sedimentos de acero en el aceite. Estos experimentos llevan tiempo y son difíciles de aplicar en una base rutinaria. En la técnica trazadora, se utilizan aros del émbolo que se han expuesto previamente a neutrones en un reactor nuclear, convirtiéndolos por tanto en radiactivos (véase Energía nuclear). Después de haber dejado funcionar el motor durante un periodo de tiempo relativamente corto, el material radiactivo desgastado del aro del émbolo puede ser detectado en el aceite y en las paredes del cilindro, y la cantidad de este material sirve como índice para evaluar la calidad del aceite.
Los trazadores radiactivos también se pueden utilizar para controlar la transferencia de tintes en la impresión textil multicolor. Las máquinas de impresión de color consisten en varios rodillos, cada uno provisto de un baño de tinte de un color distinto. El mismo tejido puede transportar un color de un rodillo al siguiente, produciendo así manchas de color en los tejidos. Si estas manchas no se descubren a tiempo, centenares de metros de tejido podrían dañarse. Un método para evitar esto es cambiar frecuentemente las disoluciones de tinte. Para eliminar la necesidad de este costoso procedimiento, se marca el color invasor añadiendo un fosfato radiactivo al baño de tinte. La contaminación de los baños de tinte sucesivos por el color invasor, se controla por detectores de radiación, que se introducen automáticamente en las disoluciones a intervalos frecuentes. Cuando este color alcanza una concentración crítica, el baño de tinte es sustituido por uno nuevo.
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RASTREO DE MOLÉCULAS Y ÁTOMOS
La mayoría de las sustancias son compuestos formados por moléculas, o bien son mezclas de compuestos. En una aplicación particular de rastreo, es posible que sólo sea importante un tipo de molécula. En la investigación bioquímica es especialmente importante la capacidad de distinguir dentro de un compuesto, moléculas similares derivadas de dos fuentes distintas. Esta información se puede conseguir utilizando la técnica llamada marcación isotópica.
Los trazadores se usan en investigación botánica y agrícola para estudiar la absorción de nutrientes por parte de las plantas y para trazar senderos metabólicos, especialmente los implicados en la fotosíntesis.
En la investigación biológica, las moléculas marcadas con isótopos radiactivos han sido especialmente útiles para aclarar las trayectorias metabólicas de la síntesis y degradación bioquímicas (véase Metabolismo). Las trayectorias de muchos nutrientes y toxinas a través de los ecosistemas también han sido delineadas por técnicas rastreadoras.
Los procedimientos de rastreo se usan en la diagnosis e investigación médica para medir el funcionamiento de los órganos y tejidos mientras captan hormonas, minerales, vitaminas, componentes de la sangre y fármacos. La producción orgánica de hormonas y otras proteínas, así como el desgaste, se pueden medir también con gran velocidad y precisión.
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INVESTIGACIÓN QUÍMICA
Los procedimientos de rastreo, marcación y doble marcación son muy importantes en la investigación bioquímica, y permiten al investigador seguir la trayectoria de la descomposición y la formación de los componentes normales del cuerpo. El uso de dichos procesos hizo posible rastrear el origen de cada átomo en una molécula tan complicada como la del pigmento hemo, de fórmula Fe(C32H30N4)(COOH)2, de la hemoglobina. Se ha demostrado que los átomos de carbono proceden del ácido etanoico precursor, CH3COOH, que contiene dos grupos, cada uno con un átomo de carbono. Además, con una marcación doble es posible determinar cuál de los átomos de carbono en el pigmento hemo procede del grupo COOH de la molécula de ácido etanoico, y cuál procede del grupo CH3. El nitrógeno de la molécula del pigmento hemo se deriva del ácido aminoetanoico, un compuesto intermedio.
En química orgánica, los trazadores se han utilizado para investigar muchas reacciones químicas relacionadas con la migración y redisposición de los átomos y grupos de átomos. Los procedimientos de marcación y doble marcación han mostrado el mecanismo de algunas reacciones complicadas, y han revelado que ciertas reacciones presumiblemente simples eran a menudo más complejas.
En química inorgánica, los trazadores han hecho posible el estudio de sistemas en los cuales no se producen reacciones químicas puras, sino que, por ejemplo, están presentes dos estados de oxidación del mismo elemento. Las técnicas de rastreo han demostrado que, sin mediar una reacción química pura, se produce un intercambio de átomos entre el cobalto ii y el cobalto iii. Estos intercambios, conocidos como reacciones de intercambio, son una extensión lógica del principio químico de equilibrio dinámico. Véase Física nuclear.
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ELECCIÓN DE TRAZADORES
Para los elementos que sólo poseen un isótopo estable, no es posible utilizar un trazador estable; todos los isótopos trazadores para investigar esos elementos deben ser radiactivos. Para estudiar otros elementos, los únicos isótopos radiactivos disponibles tienen una vida media tan corta que los hace inservibles; en este caso los trazadores deben ser isótopos estables de baja abundancia preparados en forma enriquecida. El rastreo de los isótopos estables se basa en observar las desviaciones de los porcentajes normales de las masas isotópicas utilizando el espectrómetro de masas. Los detectores de partículas se usan para medir trazadores radiactivos.
En algunos estudios se puede elegir entre un isótopo trazador estable y uno radiactivo; por ejemplo, en el caso del carbono, entre el isótopo estable carbono 13 y el isótopo radiactivo carbono 14, y en el caso del hidrógeno, entre el isótopo estable deuterio (hidrógeno 2) y el isótopo radiactivo tritio (hidrógeno 3). Si ambos tipos de instrumentos de medida (el espectrómetro de masas y el equipo medidor de radiación) están disponibles, la elección del trazador está determinada por el llamado factor de dilución, que es una medida de la concentración del material trazador necesario para la detección. Generalmente, los trazadores radiactivos pueden ser detectados en cantidades mucho menores que los trazadores estables. Por ejemplo, el carbono 13 constituye el 1,108% del carbono natural, y un cambio de un 0,001% en su abundancia puede ser detectado fácilmente. En otras palabras, un trazador carbono 13 puro, sería detectable después de ser diluido de 100.000 a 1 millón de veces con carbono 12 natural. Así, si una molécula de azúcar fuera marcada con un isótopo de carbono 13 puro, el trazador podría ser detectado sólo en experimentos que no contuvieran más de 100.000 a 1 millón de átomos sin marcar.
En cambio, el carbono 14 radiactivo puede ser detectado a concentraciones de unas 25 desintegraciones por minuto en una muestra de carbono de 1 gramo. Basándose en la velocidad de desintegración del carbono 14 puro, que tiene una vida media de unos 5.760 años, la cantidad de carbono 14 detectable en la muestra de carbono es de unas 0,04 partes por 1.000 millones, que corresponden a un factor de dilución de 25.000 millones. Sin embargo, al ser material radiactivo, las medidas de seguridad imponen normalmente un límite superior a la concentración que podría usarse experimentalmente. Aunque el deuterio no es radiactivo, consideraciones similares conducen a unos límites de dilución de 1 millón aproximadamente para el deuterio y 10 billones para el tritio. El deuterio afecta al tejido vivo porque es dos veces más pesado que el hidrógeno ordinario. Sin embargo, en experimentos, pequeños animales de laboratorio han sobrevivido con un 20 a un 30% de su fluido corporal formado por agua pesada (D2O).
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PREPARACIÓN DE TRAZADORES
La disponibilidad de los isótopos trazadores estables depende de los procedimientos de separación de isótopos y de las existencias naturales. En principio, todas las separaciones de isótopos pueden ser realizadas por un instrumento que funciona según el principio del espectrómetro de masas. Ciertos isótopos se pueden separar por procesos de difusión gaseosa, como es el caso del uranio, y por diferentes procesos de destilación, como en el caso del hidrógeno. Los procedimientos de separación más prácticos suponen repetidas reacciones de intercambio de isótopo, y tienen como resultado la separación de los isótopos pesados de los ligeros. La mayoría de las preparaciones de deuterio, carbono 13 y nitrógeno 15 se realizan de esta manera.
Los trazadores radiactivos se preparan normalmente bombardeando con neutrones el elemento estable, el cual captura los neutrones para formar los isótopos más pesados que se desintegran emitiendo partículas beta. En la preparación de carbono 14, el siguiente elemento más pesado, en este caso el nitrógeno, es bombardeado con neutrones porque el neutrón capturado produce la expulsión de un protón, formando así el isótopo radiactivo del elemento con número atómico inmediatamente inferior.


viernes, 18 de febrero de 2011

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