طريقة سريعة ورخيصة لفصل النظائر

كل ما يحيط بنا في العالم يحتوي على علامات كيميائية فريدة من نوعها. هذه العلامات، التي تسمى النظائر، يمكن أن تكشف للعلماء أصول الجسيمات التي تتكون منها المواد، وأين ذهبت وماذا حدث لها خلال هذه الفترة وخلال هذه الفترة

كل ما يحيط بنا في العالم يحتوي على علامات كيميائية فريدة من نوعها. يمكن لهذه العلامات، التي تسمى النظائر، أن تكشف للعلماء أصول الجسيمات التي تتكون منها المواد، وأين ذهبت وماذا حدث لها خلال هذا الوقت وبهذه الطريقة. ومع ذلك، فإن إجراء مثل هذا التحليل كان معقدًا ومكلفًا حتى الآن. الآن، قام الكيميائيون من جامعة ستانفورد (ستانفورد) في الولايات المتحدة الأمريكية بتطوير طريقة جديدة وأبسط وأرخص لتحليل النظائر.

قال الكيميائي ريتشارد زاري، في وصفه الحرفي للطريقة المتطورة: "كل شيء يتم من خلال الدخان والمرايا". الجهاز الذي طوره هو وزملاؤه يحرق عينات كيميائية للحصول على غاز، يتدفق بعد ذلك عبر شعاع ليزر ينقسم ذهابًا وإيابًا من خلال مجموعة من المرايا المثبتة في حاوية خاصة.

تحتوي جميع ذرات عنصر معين على نفس عدد البروتونات في نواتها، ولكنها يمكن أن تحتوي على عدد متغير من النيوترونات. الكربون، على سبيل المثال، يحتوي دائمًا على ستة بروتونات، لكن عدد النيوترونات في نواته يمكن أن يختلف من ستة إلى سبعة وثمانية. كل عنصر مختلف من هذا القبيل هو نظير للكربون.

وكان لدى الباحث فكرة يمكن من خلالها تمييز النظائر المختلفة من خلال اللون، أو الطول الموجي، الذي يعود من شعاع الليزر بعد مواجهته لشظايا أصغر يتم الحصول عليها عن طريق تحلل المواد الأصلية.

يوضح الباحث: "فكر فيها على أنها كرات متطابقة بألوان مختلفة". أداتنا الجديدة قادرة على حساب تركيبة النظائر في العينة ببساطة عن طريق "عد الألوان ومقارنتها". كما أن هذا المبدأ يجعل الجهاز أكثر تنوعا من أجهزة قياس الطيف الكتلي المتوفرة اليوم لأن الجهاز الجديد قادر على تحليل التركيب النظائري لعناصر مختلفة في نفس الوقت دون الحاجة إلى إعادة المعايرة لكل عنصر على حدة.

المعدات المطلوبة للطريقة الحديثة أصغر وأرخص وأخف وزنا وأكثر قابلية للحمل من الطرق السابقة، وسهلة الاستخدام. ويوضح الباحث أن لديه القدرة على إظهار المزايا العديدة لتحليل النظائر وجعله بسهولة في متناول مجموعة متنوعة من الباحثين، الذين كانوا حتى الآن مترددين في استخدام المعدات باهظة الثمن بسبب تكلفتها العالية، عندما يحتاجون إليها. . وقد نشر هو وزملاؤه طريقتهم في النسخة الإلكترونية من المجلة العلمية Proceedings of the National Academy of Sciences.

يُستخدم تحليل النظائر في مجموعة متنوعة من المجالات البحثية، بما في ذلك: الكيمياء الجيولوجية والطب وعلوم المناخ. وحتى اليوم، يتم التحليل باستخدام نسبة النظائر التي يتم الحصول عليها بواسطة جهاز مطياف الكتلة، والذي يعمل عن طريق تفكيك النظائر بتيار كهربائي واستخدام المغناطيس لفصل النظائر حسب كتلتها - كلما زاد عدد النيوترونات، كلما زاد عدد النظائر. الكتلة. يمكن أن يكلف أحد هذه الأجهزة حوالي مليون دولار. بالإضافة إلى كونها باهظة الثمن وثقيلة، فإن استخدام أجهزة مطياف الكتلة المتوفرة اليوم يتطلب فنيين ذوي خبرة لتشغيلها بشكل صحيح.

ويشير الباحث إلى أن الجهاز الجديد، الذي يستخدم الطريقة الطيفية لـ "التحليل الطيفي للتجويف الحلقي"، له تطبيقات محتملة في مجالات متنوعة مثل الطب والجيولوجيا وعلم الخمور (صناعة النبيذ). يوضح الباحث: "هناك أشخاص على استعداد لدفع الكثير من المال مقابل النبيذ الجيد". "إذا تمكنت من قياس التركيب النظائري، فيمكنني أن أخبرك بثقة ما إذا كنت تدفع أموالاً كبيرة مقابل الشيء الحقيقي أم لا."

وبما أن توزيع النظائر الفريدة للعناصر أكبر من غيرها في مواقع معينة، فإن نسبة النظائر المختلفة في خليط معقد يمكن استخدامها كنوع من مذكرات السفر - يمكن أن تكشف لك تاريخ الخليط، سواء كان نشأت في بلدان مختلفة أم لا، سواء نشأت في نسيج معين في جسم الإنسان أو من فترة زمنية أقدم يُعرف تحديد تاريخ خليط المواد عن طريق قياس نسبة النظائر فيها بالتحليل النظائري.

على سبيل المثال، يوضح الباحث أن بعض النباتات، مثل الذرة، تحتوي على كمية أكبر من الكربون 13 مقارنة بالنباتات الأخرى. وبما أن الأمريكيين يميلون إلى تناول الذرة ومنتجات الذرة أكثر من الأوروبيين، فإن التحليل النظائري لأنفاسهم سيظهر كمية أكبر من الكربون 13.

يمكن للأطباء والصيادلة استخدام التحليل النظائري لقياس دقة استهداف الأدوية الانتقائية عن طريق اختبار عينات البول والتنفس لمعرفة ما إذا كانت الأعضاء المناسبة قد تحللت على النحو المنشود. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لعلماء المناخ أن يتعلموا الكثير عن الظروف التي كانت سائدة على الأرض في العصور السابقة من خلال فحص مادة ثاني أكسيد الكربون المحبوسة في قلب الأنهار الجليدية، كما يوضح الباحث.

وقام الباحثون، بالتعاون مع الشركة الناشئة Picarro Inc، بإنشاء نموذج أولي للجهاز واختبروا أداءه بنجاح من خلال قياس نظائر الكربون في المركبات العضوية المختلفة مثل الميثان والإيثان والبروبان. والمغناطيسات المرهقة، التي تعد أغلى المكونات في أجهزة قياس الطيف الكتلي، ليست مطلوبة على الإطلاق في الجهاز الجديد، وبالتالي فإن التكاليف أقل بكثير مع الحصول على مستوى كافٍ من الأداء، بحسب الباحث. ميزة أخرى: يمكن استخدام الجهاز بدون تدريب خاص وطويل.

يمكن للأجهزة الموجودة للتحليل النظائري، المعتمدة على التحليل الطيفي للكتلة، أن يصل وزنها إلى حوالي سبعمائة كيلوغرام، وتشغل مساحة مماثلة للثلاجة الكبيرة، كتلك الموجودة في محلات الآيس كريم. ويشير الباحث إلى أنه بمجرد تطوير النموذج الأولي وتسويقه بالكامل، "سيناسب حجم مقعد السيارة". سيكون هذا التنقل قادرًا على تقديم التحليل النظائري مباشرةً إلى الحقل، سواء كان ذلك في عيادة الطبيب أو في مزرعة كرم صانع النبيذ. وفي الوقت نفسه، يرى الفريق مجالًا لمزيد من التحسينات.

وتبلغ دقة قياسات نسبة النظائر في الجهاز الجديد ما بين وحدة إلى ثلاث وحدات لكل ألف وحدة، وهي دقة كافية لمنافسة أجهزة التحليل الطيفي المتوفرة اليوم. يوضح الباحث: "هدفنا هو أن نكون أفضل وأن نستبدل فعليًا التحليل النظائري الذي يتم من خلال التحليل الطيفي الشامل". ويرى أن هذا الهدف سيتحقق في غضون خمس إلى عشر سنوات.

الأخبار من جامعة ستانفورد

للصورة وحقوقها