Over de medische toepassingen van koolstof–13 en –14

In de natuur komen drie verschillende isotopen van het element koolstof voor. Het is bijna allemaal koolstof–12 (C–12 ), waarvan de fractie 98,9% bedraagt. Die van koolstof–13 ( C–13) is 1,1%. De aanwezigheid in de lucht van koolstof–14 (C–14) is heel sporadisch namelijk één op de biljoen koolstofatomen. De isotopen C–12 en C–13 zijn stabiel. C–14 is een betastraler, die zonder gammadeeltje vervalt met een halfwaardetijd van 5700 jaar. Levende organismen nemen C–14 uit de lucht op. Dat maakt datering van oud organisch materiaal, zoals van fossielen, mogelijk tot ongeveer 60 000 jaar geleden. Natuurlijk C–14 ontstaat door de inwerking van kosmische straling op de stikstof in de lucht.

Het Internationaal Atoom Energie Agentschap (IAEA) ontwikkelde een techniek om bepaalde stofwisselingsziekten met behulp van C–13 op te sporen en publiceerde daarover in december 2024. De ziekten komen vooral voor bij kinderen in arme landen en zijn anders dan gewone ondervoeding. Er bestaat een variant van die ziekte in Australië. De te onderzoeken kinderen krijgen suikerwater te drinken met een hoge concentratie C–13. De darmen van de zieke kinderen nemen niet alle suiker op, waardoor ze na verloop van tijd minder C–13 in de vorm van CO2 uitademen, dan gezonde kinderen. Als de ziekte is vastgesteld, dan is behandeling mogelijk.

De fabrieksmatige productie van C–13 vindt plaats door methaan (CH4) of koolmonoxide (CO) bij een uiterst lage temperatuur (cryogeen) te distilleren.

C–13 is ook de grondstof voor de productie van kunstmatig C–14. Die geschiedt door neutronenbestraling in een reactor met een hoge neutronenflux. Dat kan in een onderzoekreactor of in een CANDU zwaarwaterreactor. Het laatstgenoemde type gebruikt natuurlijk uranium als splijtstof. Dat in tegenstelling tot de lichtwaterreactor, die laagverrijkt uranium gebruikt. Vanwege de vergelijkbare vermogensdichtheid in de splijtstofelementen is de neutronenflux in een CANDU daarom bijna tienmaal hoger dan die in een lichtwaterreactor. Canada maakte al  gebruik van zijn CANDU-reactoren om medische radio-isotopen te produceren. Sinds het voorjaar van 2024 doet China dat ook met zijn CANDU-reactoren Qinshan–5 en –6. Het produceert op een commerciële schaal C–14, waardoor het niet meer afhankelijk is van het buitenland.

Het eigen medische gebruik van C–14 van China betreft de opsporing van de bacterie Helicobacter pylori bij maagpatiënten. Deze bacterie kan op den duur leiden tot het ontstaan van maagkanker. Om aanwezigheid van de bacterie in de maag vast te stellen drinkt de te onderzoeken persoon een drankje, dat ureum bevat, waarbij de ureummoleculen zijn gelabeld met C–14. Die helicobacter–bacteriën zetten het ureum om in CO2, dat die C–14 bevat en dat die persoon uitademt. Een eenvoudige detector, die gevoelig is voor betastraling, detecteert de C–14. Daarmee is de aanwezigheid van de bacterie aangetoond. In ons land vindt dergelijk onderzoek meestal plaats met C–13. Daarvoor is echter geavanceerde apparatuur nodig. Zo’n medisch onderzoek heet een Ureum Adem Test.

Meer informatie:
https://www.iaea.org/newscenter/news/crp-success-story-novel-stable-isotope-method-reveals-pathways-for-nutrient-absorption
https://www.world-energy.org/article/41752.html