Marcatore isotopico

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Introduzione

Marcatore isotopico Isotopo di un atomo, usato per osservare le trasformazioni macroscopiche o microscopiche di determinate sostanze durante processi biologici, fisici o chimici. Benché il termine marcatore si riferisca di solito a isotopi radioattivi impiegati per tracciare l'evoluzione di sostanze non radioattive, in campo scientifico esso viene usato anche per designare isotopi stabili e caratterizzati da bassa abbondanza relativa, adatti a essere utilizzati in procedure di marcatura.

Ciò che si misura è l'attività nucleare o l'abbondanza relativa dell'isotopo preso come riferimento. Per rilevare le radiazioni si usano vari tipi di strumenti quali l'elettroscopio, il contatore a scintillazione o il contatore Geiger-Müller. Nel caso in cui il marcatore sia un isotopo stabile, la ricerca può essere condotta mediante uno spettrometro di massa, che permette di determinare l'abbondanza relativa di tutti gli isotopi presenti nel campione analizzato. I marcatori sono molto importanti in tutti i settori della ricerca scientifica, in medicina, nell'agricoltura e nell'industria.

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Applicazioni in processi macroscopici

I marcatori radioattivi forniscono un metodo di analisi rapida e affidabile della dinamica dei fluidi, molto più pratico ed efficace, ad esempio, della diretta osservazione di coloranti aggiunti appropriatamente.

I marcatori radioattivi sono generalmente utilizzati per individuare la superficie di separazione fra due oli diversi, contenuti nella medesima tubatura, e poterli distinguere e dirigere verso canali di scorrimento differenti. Si inietta, in corrispondenza del limite fra i due oli, un isotopo radioattivo emettitore di raggi gamma penetranti; opportuni rivelatori di radiazione, sistemati nella tubatura, rivelano il passaggio della superficie del marcatore e azionano le valvole atte ad aprire, per i diversi tipi di olio, condotti differenti.

I marcatori trovano impiego anche nell'industria, in modo particolare per individuare livelli minimi di usura. Il potere lubrificante di un olio, ad esempio, può essere valutato dopo uso prolungato in un motore sperimentale, determinando il livello di usura degli anelli dei pistoni e delle pareti dei cilindri attraverso la misura della quantità di ferro trasferitasi nell'olio. Prove di questo tipo però sono lunghe e difficoltose, e vengono grandemente semplificate ricorrendo a tecniche di marcatura. Gli anelli dei pistoni vengono resi radioattivi mediante esposizione a neutroni in un reattore nucleare: dopo un breve periodo di funzionamento del motore, si misura la quantità di materiale radioattivo depositatasi dai pistoni nell'olio e sulle pareti dei cilindri, ottenendo indicazioni sulla qualità del lubrificante, rapidamente e con sforzo limitato.

Marcatori radioattivi possono essere utilizzati anche per controllare la contaminazione dei coloranti usati nella tintura dei tessuti. Le macchine per tintura sono costituite da numerosi rulli, ciascuno dotato di un bagno di diverso colore: può accadere che accidentalmente durante i processi di lavorazione il tessuto trasferisca il colorante da un rullo all'altro, contaminando i bagni di colore e causando lo spreco di centinaia di metri di tessuto. Per evitare tale inconveniente, oltre al metodo tradizionale, estremamente costoso, di cambiare frequentemente i bagni di tintura, è possibile aggiungere un composto radioattivo di fosforo al colore che più facilmente può provocare la contaminazione degli altri. Il deterioramento dei bagni successivi è successivamente misurato tramite opportuni rivelatori di radiazione, che vengono automaticamente immersi nei bagni di tintura, a ritmi prefissati. Quando si rileva una quantità eccessiva di contaminante, il bagno viene sostituito con uno nuovo.

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Applicazioni su scala molecolare e atomica

Numerose sono le funzioni svolte dalla marcatura isotopica nel campo della ricerca: in biochimica il metodo rende possibile distinguere, nell'ambito dello stesso composto, molecole che hanno provenienza diversa, pur essendo fra loro simili, e studiare i processi di sintesi e decomposizione; in biologia, è essenziale per seguire i percorsi di numerose sostanze nutritive e tossine in fase di analisi.

Nella ricerca botanica e agricola, l'uso di marcatori permette di studiare l'assorbimento delle sostanze nutritive e di osservare diversi processi metabolici, in particolar modo quelli riguardanti la fotosintesi.

Nella diagnostica medica, i marcatori sono usati per studiare il funzionamento di organi e tessuti: ad esempio, per valutare l'assorbimento di ormoni, minerali, vitamine, farmaci e medicinali. Anche la produzione di ormoni e proteine da parte dei diversi organi può essere misurata con elevata velocità e accuratezza.

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Applicazioni nella chimica

Le procedure di tracciatura, marcatura e doppia marcatura permettono di seguire i meccanismi di decomposizione e sintesi delle sostanze presenti nell'organismo, rendendo possibile l'individuazione della provenienza di ciascun atomo, anche in molecole molto complesse. Un esempio è fornito dall'analisi del gruppo eme, il componente dell'emoglobina che fornisce colorazione e capacità di trasporto dell'ossigeno, contenente nella formula chimica Fe(C₃₂H₃₀N₄)(COOH)₂ ben 34 atomi di carbonio. Il metodo della doppia marcatura permette di determinare l'origine di ciascuno di essi, distinguendo fra i due gruppi di provenienza COOH e CH₃ , a loro volta costituenti dell'acido acetico (CH₃COOH), il precursore di sintesi.

In chimica organica i marcatori isotopici sono utilizzati prevalentemente per studiare le reazioni che implicano spostamenti e riarrangiamenti di atomi e di gruppi di atomi. In qualche caso, tramite le procedure di marcatura e doppia marcatura, è stato possibile comprendere meccanismi di reazione complessi o non del tutto chiari.

In chimica inorganica, i marcatori hanno permesso lo studio di situazioni in cui non si verificano reazioni chimiche vere e proprie, ma nelle quali uno stesso elemento si manifesta in condizioni chimico-fisiche diverse, ad esempio in stati di ossidazione diversi. La tecnica di marcatura isotopica ha mostrato che si può avere uno scambio fra le due forme, senza che avvenga una definita reazione chimica: ad esempio, mescolando una soluzione di FeCl₃ con una di Fe*Cl₂ (Fe marcato), si producono in breve tempo Fe*Cl₃ e FeCl₂. Questi processi, logica estensione del principio chimico dell'equilibrio dinamico, sono definiti reazioni di scambio.