Kjemi, forskning og undervisning på Naturfag 2

 

viser diagram på IR-scanner
IR-scanning. Egil Nodland underviser

Siste samling på Naturfag 2 ble arrangert av kjemisk institutt. Dagene var pakket med foredrag, øvinger og demonstrasjoner, her prøvd oppsummert med korte notater fra hver post:

Nils Åge Frøystein

Kjemi  – det sentrale naturfaget

Vi kan plassere kjemi i midten av naturfagene – kjemien har kontakpunkter med alle, og flere fag i tillegg.

Media, dagligtalen og samfunnsdebatten bruker kjemiomgrep stadig :- mettett fett, omega 3 …

Kjemi er vitenskapen om stoff og stoffers endring.

Molekyl, reaksjoner, faget er også i grenseområdet mot fysikk og molekylærbiologi

Arbeider med sambindinger, molekyl, og andre forbindelser. Salt er for eksempel ikke molekyl.

Hva er kjemikalier? Både kunstige og naturlige kjemikalier har de samme egenskapene, skille mellom ‘naturlige’ og ‘kjemiske stoff’ er feil og ufruktbart.

Eksempel kvikksølv: Det ligg 65 tonn kvikksølv i ubåten ved Fedje.

Stoff kan være naturlige og ufarlige, naturlige og farlige, og tilsvarende for kunstig fremstilte stoff. Eksemple på et farlig, naturlig stoff er ricin. Det kan ekstraheres fra en plante, kristpalme.

Kroppen kan defineres ut fra grunnstoffene den innehar. Noen i store mengder (som hydrogen, karbon, oksygen). Andre som sporstoffer, i små mengder.

Vi kan gå tom for enkelte grunnstoff som vi er avhengige av. Sporstoffer.

Molekyl: samling av atom som er knyttet sammen med bindinger. Det kan være enkelt, dobbel- eller trippelbindinger. Gir ulik metning, og ulike metninger. For eksempel har en- eller felrumettetet fettsyrer helt andre egenskaper i metabolismen enn mettet fett.

Kirometri  er læren om symmetriske molekyl som har ulike egenskaper. Molekylene er like, men speilvendte, og har ulike egenskaper.

Vi kan identifisere, ekstrahere og syntetisere stoffer fra naturen som medisin.

Tom Christian Adamsen

Pet-diagnostikk

Dette er bruk av åpne radioaktive kilder til diagnostisering.

Grunnstoffene har ulike utgaver, isotoper. Noen er radioaktive, ustabile nukleider. Det er over 3000 identifiserte, ustabile, mens bare 266 er stabile. Av de ustabile har mange kort levetid (og kort halveringstid). Noen få kan brukes i nuklæermedisin.

Hva er radioaktivitet? Stoffer kan sende ut alfa-, beta- eller gammastråling, dvs kjernepartikler, elektroner eller energi.

Positron-emisjonstomografi består av en positivt ladd kjernepartikkel som sendes ut fra kjernen.

Ved 511 Kiloelektronvolt får vi komplett omdanning av protonmassen til energi

Man lager partikler i en partikkelakselerator, syklotron. Det sendes da ut 511 keV-partikler fra kroppen, og de fanges opp i en scanner. Det kan være flere hundre millioner kjernesammenbrudd som gir stråling fra organet. Strålingen gjenspeiler aktivtetskonsentrasjonen, som fanges opp av scanneren. Den generere et bilde, som kan tolkes.

I medisinen brukes kortlivede nukleider, med kort halveringstid – noen timer eller minutter. Produktet man får avhenger av hvilket stoff man starter med, og hva man bombarderer det med – ønsker man 18fluor kan man starte med 18oksygen,  eller få 13N ut fra 16O.  (tallene er antall kjernepartikler i isotopen. produktet vil også variere om det blandes inn stoffer i utgangsstoffet (targetmaterialet)

Nuklidene man produserer blir injisert i kroppen, og fulgt av scanneren.  Injisering skjer ved at et grunnstoff i en organisk forbindelse byttes ut med en radioaktiv isotop. Stoffet – eksempel sukker – endres ikke, men det blir en markør, en strålingskilde i organene.

Man ser etter unormalt opptak i et organ/sted i kroppen. eksempel: sukker taes normalt opp i hjerne, nyrere, ryggmark osv – men også av en svulst.

Fordeler med bruk av PET til diagnostosering:  hurtig reaksjonstid, store mengder radioktivitet med små mengder stoffer.

Bruken i billeddiagnostikk: Man må definere målet med scanningen, eks en reseptor, en menbran, et antigen el.l. Bæreren kan være et legemiddel eller et annet stoff som vil binde seg til målmolekylene. Kan gi  signal som gamma/beta/alfastråling – det siste for terapieffekt. Kan visualisere både organeller eller prosesser, som feks DNA-syntese.

Nukleærmedisin er et tverrfaglig felt: innebærer bruk av kjemi, elektronikk, biokjemi og flere fagfelt.

Produksjonen innebærer høye stråledoser, operatører

Monica Jordheim

Organisk analyse og naturstoffkjemi

Fagfeltet arbeider med å finne, isolere og ta i bruk virksomme stoffer fra naturen. Det blir stadg funnet nye stoffer, også av forskere på UiB. Bioprospektering handler mye om å detektere – se på stoffene med riktige ‘briller’, og separerere ut d´virksomme stoffer. En plante, et frø eller frukt sendes gjennom en linje med for eksempel kolonner, kromatografimetoder for separasjon, og isolasjon, der man i hele linjen detekterer stoffene. Deteksjon kan skje med ulike metoder;  synlig- UV- eller IR-lys, massedeteksjon (veiing av molekyl).  NMR er den ultimate metoden, den gir ekskakt struktur på et stoff.  Målet er å avdekke hele strukturen i stoffene. NMR gir sammensetning i ppm, ir i bølgetall, UV i bølgelengde, massespektometri som m/z (isotopfordeling).  kromatografi er ulik for væske (HPLC-teknologi) og gass. Med hplc pumper man væsken gjennom en kolonne med et trykk. Stoffene i væsken separeres etter polaritet, og detekteres i enden av kolonnen. Resulatatet kommer ut som et kromatogram, der man ser fordelingen av stoffene som er i væsken, ved at stoffene kommer ut til forskjellig tid.

Tanja Barth

Et kjemisk blikk på biodrivstoff

Konvensjonalt biodrivstoff kan produseres med enkel teknologi. Man bruker stort sett de samme råstoffene som kan brukes til matproduksjon. Det kan være etanol fra sukker, fettsyrrerester fra vegetabilsk olje eller metan fra nebdryting av avfall. Den siste kategorien blir ofte oversett, selv om det er en bra kilde.

Det avanserte biodrivstoffet krever teknologiutvikling. Bruker ikke-spiselige råvarer. Det kan dreie seg om diesel fra frityrolje, fiskeolje, og avfall, eller etanol fra cellulose og planterester.  I stor skal kan vi utvikle teknologi fra termokjemisk omdanning av biomasse, dette er ikke utbygget. Helt nye drivstofftyper kan komme; butanol, dimetyl – disse er under utprøving, og flere kan komme til.

Kjemisk sett er det ingen forskjell på biodrivstoff og fossilt brennstoff. Det er de samme molekylene som bare blir produsert fra en annen kilde.

Opphavet til den kjemiske energien er fotosyntesen, som produserer det organiske materialet.

Skal vi så satse på mat eller drivstoff? Begge deler går an – men da må vi ikke bruke de enkel, lavteknologiske løsningenen der drivstoff konkurrerer med mat. Vi har mye kompetanse om foredling av råolje – og vi må bygge opp like mye kunnskap om foredling av biomasse. Den enkleste bruken av biomasse er å brenne den for å få ut energien – varme fra ved for eksempel. Mer avansert foredling kan gi oss produkter som gass eller flytende drivstoff. Vi kan også utvinne hydrogen- eller metangass og bruke gassene som energbærere.

Det ideelle er å lage hydrokarboner, etter grunnformelen (CH2O)n. Men da må vi fjrene alt oksygen fra biomassen, det er utfordrende. Motorer har ulik konstruksjon, og trenger ulikt drivstoff. Flydrivstoff er den største utfordringen. Det er mulig å produsere drivstoff fra treverk, men det er en dyr prosess – drivstoffet kan ikke konkurrere med fossilt drivstoff. CO2-regnskapet vil bli positivt med nye generasjoner biodrivstoff.

Hvor skal vi hente biomassen? I Norge har vi havet og skogen som ressurs. Fra treverk kan vi utvinne ligning og cellulose, og det er flere veier å gå for å få fjernet oksygen og få ut energi. Det pågår forskning for å finne effektive metoder.

Bengt Erik Haug

Marin bioprospektering, med tanke på utvikling av legemidler

8 av 10 legemidler som finnes i dag er hentet fra eller inspirert av naturen. De siste 30 årene er det oppdaget 3000 nye stoffer fra marine organismer, de fleste har en aktiv komponent og kan være ineteressant for bruk.

Det foreligger en nasjonal strategi for bioprospektering med hensikt å utvikle legemidler. Man må da etablere en biobank, det vil si samle inn og undersøke organismer, hente ut stoffer og analysere dem. Ut av dette skal det komme nye medisiner, tilsetninger til mat eller fôr, og nye industriprosesser.

Virkestoffene i medisiner er oftesft små organiske molekyler. Krav til en medisin som skal fungere i en tablett; virkestoffet må kunne taes opp gjennom fordøyelsessystemet. Det viser seg at molekylene da må ha visse egenskaper: for eksempel lav mol-vekt ( <500), og færre enn 5 H-bindingsgrupper.

Hva skal så til for å utvikle et legemiddel? Først og fremst tid, det tar lang tid, og koster mye penger. Gjennomsnittlig koster det 15 milliarder og tar 15 år å utvikle et nytt legemiddel. Middelet testes på 2000-5000 mennesker.

De store legemiddelfirmaene driver mindre med forskning, de overlater det til universitetene og kjøper heller patentene.

Bioprospektering går ut på å finne aktive stoffer i organismer, og så finne frem til hvilken molekylgruppe som er den egentlig aktive. Man søker så å syntetisere analoge molekyler. Noen molekyler kan forenkles og likevel beholde egenskapene. Kjemikerne lager et syntetisk stoff, som er mye enklere enn det opprinnelige organiske, men har den aktive gruppen som virker. I Norge er det etablert et nettverk BIOSNet, som forsker i dette feltet. Forskningsrådet har opprettet programmet biotek2021, som skal stimulere forskning som kan være kommersielt interessant.

Bjarte Holmelid

Massespektrometri

Før molekylet kan analyseres må det ioniseres. Deretter går det gjennom analysen, og vi får ut et signal der massen, molekylets vekt, ligger, som en kurve på datamaskinen.

MS kombineres gjerne med kromatografi. Stoffene kommer da ut fra kromatografen til ulik tid, og går direkte til massespetrometeret. Vi kan da få analysert hvilke molekylstrrelser som er representert i prøven vår, en struktur. Den kan sammenlignes med en database med millioner av strukturer. Dette er metoden man bruker for å analysere ukjente stoffer, for eksempel fra matvarer, dopingprøver eller annet.

Nils Åge Frøystein

Magnetspektroskopi

Går ut på å sende elektromagnetiske bølger inn i et stoff, og få ut infomarsjon. Vi bruker radiobølger, og endrer spinnet i atomkjernene. Prinsippet er at kjernene er elektrisk ladde, og har spinn. Dermed oppstår det et magnetfelt, som vi kan bruke for å generere signal. NMR-magneten vil likerette magnetfeltet fra kjernene,. Når vi så snur spinnet, venter litt og snur det igjen, vil stoffet sende ut sine radiobølger, et svakt signal vi kan fange opp. Frekvensen avhneger av det kjemiske miljøet i stoffet. Det fører til at atomene i stoffet vil gi hvert sitt signal, etter hvilket miljøet atomet er i. Resultatene kommer ut med målestokken ppm.

Egil Nodland

IR-scanning

Elektromagnetisk stråling, synlig lys, UV-stråling, IR-stråling.

Herchel viste emd sitt eksperiment (Herchel-eksperimentet) at det finnes usynlig stråling, varmestråling, i tillegg til det synlige lyset.

Molekyler har indre bevegelser, som vi kan benytte til IR-målinger. Det forutsetter at dipolmomentet endres under vibrasjoner.  Bevegelsene er som strekk eller bøy, og de to bevegelsene gir ulik resonans, – og tilsvarende ulikt signal på diagrammet fra IR-målingen. IR-detektoren måler først uten stoff, så med prøve, regner forskjellen og får stoffenes ‘avtrykk’, som vi gjenkjenner fra godt dokumenterte analyser. Alle bindinger har sine unike avtrykk.

De siste tre foredragene var innledning til demonstrasjon av de tre teknikkene. På laboratoriene fikk deltakerne demonstrert maskiner og målemetoder, og se resultatene fra stoffanalyse i maskinene.

Legg igjen en kommentar