Кіріспе

Изотоптық құрамы бойынша ғана ерекшеленетін молекулалар. Химияда изотопологтар – тек изотоптық құрамымен ғана ерекшеленетін молекулалар. Олардың химиялық формуласы мен атомдардың байланысу реті бірдей, бірақ кем дегенде бір атомның бастапқы атомнан басқа нейтрондар саны бар. Мысал ретінде суды қарастырайық, оның сутегіне қатысты изотопологтары: "жеңіл су" (HOH немесе H2O), деутерий изотобы протиймен тең пропорцияда (HDO немесе H2O), сутегінің әр молекуласына екі деутерий изотобы бар "ауыр су" (D2O немесе H2O), және "өте ауыр су" немесе тритийлі су (T2O немесе H2O, сондай-ақ HTO [^{1}H^{3}HO] және DTO [^{2}H^{3}HO], онда сутегінің кейбір немесе барлық атомдары радиоактивті тритий изотобымен алмастырылған). Судың оттегіне қатысты изотопологтары ауыр оттегі суының (H2^{18}O) кең таралған түрін және ^{17}O изотобымен бөлу қиын нұсқасын қамтиды. Екі элемент те изотоптармен алмастырылуы мүмкін, мысалы, екі рет белгіленген су изотопологында (D2^{18}O). Барлығы 9 түрлі тұрақты су изотопологы және тритийді қамтитын 9 радиоактивті изотополог бар, барлығы 18. Дегенмен, сутегінің тез алмасуына байланысты қоспада белгілі бір арақатынастар ғана мүмкін. Әр түрлі изотоптардың атомдары молекуланың кез келген жерінде орналасуы мүмкін, сондықтан айырмашылық химиялық формуланың нәтижесінде болады. Егер қосылыста бір элементтің бірнеше атомы болса, олардың кез келгені өзгертілген болуы мүмкін, және ол әлі де сол изотополог болады. Бір изотоптық өзгертілген элементтің әр түрлі орналасуын қарастырғанда, 1992 жылы Симан және Пейн ұсынған изотопомер термині қолданылады. Изотопомеризм – құрылымдағы әр түрлі элементтердің конституциялық изомеризміне ұқсас. Құрылымның формуласы мен симметриясына байланысты бір изотопологтың бірнеше изотопомерлері болуы мүмкін. Мысалы, этанолдың молекулалық формуласы C2H6O. Монодеутерленген этанол, C2H5DO, оның изотопологы. Құрылымдық формулалары CH3CH2OD және CH2DCH2OH осы изотопологтың екі изотопомері.

Аналитикалық химияның қолдануы

Жалғыз ауыстырылған изотопологтар ядролық магниттік резонанс эксперименттерінде қолданылуы мүмкін, онда деутерленген хлороформ (CDCl3) сияқты деутерленген еріткіштер ерітіндідегі заттардың 1H сигналдарына бөгет жасамайды, сондай-ақ кинетикалық изотоп эффектін зерттеуде де пайдаланылады.

Геохимиялық қолдану

Тұрақты изотоптық геохимия саласында көміртек, оттегі, сутегі, азот және күкірттің сирек кездесетін ауыр изотоптарын қамтитын қарапайым молекулалардың изотопологтары табиғи ортадағы және Жер тарихындағы тепе-теңдік және кинетикалық процестерді анықтау үшін қолданылады.

Талдау талаптары

С, Н және О элементтерінің ауыр изотоптарының салыстырмалы сирек кездесуіне байланысты, екі рет алмастырылған түрлердің изотоптық қатынас массалық спектрометриясы (IRMS) дәстүрлі тұрақты изотоптық өлшемдерге қарағанда үлкен газ көлемі мен ұзақ талдау уақытын талап етеді, соның салдарынан өте тұрақты құралдар қажет болады. Сонымен қатар, екі рет алмастырылған изотопологтар көбінесе изобарлық араласуларға ұшырайды, мысалы, метан жүйесінде 13CH5+ және 12CH3D+ иондары 18 массасында 12CH2D2+ және 13CH3D+ түрлерін өлшеуге кедергі келтіреді. Мұндай түрлерді өлшеу үшін бір изобарды екіншісінен ажыратуға қажетті өте жоғары массалық ажыратымдылық немесе араласу тудыратын түрлердің қызығушылық тудыратын түрлердің мөлшеріне тигізетін үлесін модельдеу қажет. Бұл талдауға қатысты қиындықтар маңызды: екі рет алмастырылған изотопологтарды нақты өлшеуді қамтамасыз ететін алғашқы жарияланым 2004 жылға дейін жарық көрмеді, ал бір рет алмастырылған изотопологтар ондаған жылдар бұрын өлшенген болатын. Конвенциялық газ көздері бар IRMS құралдарына балама ретінде, диодты лазерлік абсорбциялық спектроскопия да изобарлық араласуларсыз екі рет алмастырылған түрлерді өлшеу әдісі ретінде пайда болды және метан изотопологы 13CH3D-ге қолданылды.

Тепе-теңдік фракциялау

Жеңіл изотопты ауыр изотоппен алмастырғанда (мысалы, 13C-ны 12C-ға), екі атом арасындағы байланыс баяурақ дірілдейді, соның салдарынан байланыстың нөлдік нүктесінің энергиясы төмендеп, молекуланы тұрақтандырады. Екі рет алмастырылған байланысы бар изотополог термодинамикалық тұрғыдан сәл тұрақты болады, бұл әрбір ауыр изотоптың статистикалық мөлшерінен күтілетіннен жоғары мөлшерде екі рет алмастырылған (немесе "жинақталған") түрлердің пайда болуына әкеледі (бұл изотоптардың стохастикалық таралуы деп аталады). Бұл эффект температура төмендеген сайын күшейеді, сондықтан жинақталған түрлердің мөлшері газдың қалыптасқан немесе тепе-теңдікке келген температурасына байланысты. Белгілі температурада тепе-теңдікте қалыптасқан стандартты газдардағы жинақталған түрлердің мөлшерін өлшеу арқылы термометрді калибрлеуге және белгісіз мөлшері бар сынамаларға қолдануға болады.

Кинетикалық фракциялау

Көп рет ауыстырылған изотопологтардың мөлшеріне де кинетикалық процестер әсер етуі мүмкін. Бір рет ауыстырылған изотопологтар сияқты, екі рет ауыстырылған түрлерде термодинамикалық тепе-теңдіктен кету белгілі бір реакцияның жүріп жатқанын көрсетеді. Атмосферада жүзеге асатын фотохимия, фотосинтез сияқты, 18O2 мөлшерін тепе-теңдік күйінен өзгертеді. 13CH3D және 12CH2D2 өлшемдері метанның микробиологиялық өңделуін анықтай алады және метанның түзілуінде кванттық туннельдеудің маңыздылығын, сондай-ақ бірнеше метан қоймаларының араласуын және тепе-теңдікке келуін көрсету үшін қолданылды. 14N15N18O және 15N14N18O екі N2O изотопологтарының салыстырмалы мөлшеріндегі өзгерістер N2O бактериялық денитрификация немесе бактериялық нитрификация арқылы түзілгенін ажыратуға мүмкіндік береді.

Биохимиялық қолдану

Ядролық магниттік резонанс немесе массалық спектрометрия тәжірибелері үшін бірнеше ауыстырылған изотопологтар қолданылуы мүмкін, онда изотопологтар метаболизм жолдарын сапалық (жаңа жолдарды анықтау) немесе сандық (жолдың сандық үлесін анықтау) тұрғысынан зерттеу үшін пайдаланылады. Биохимиядағы кең таралған мысал – зерттеліп жатқан организмнің (мысалы, бактерия, өсімдік немесе жануар) метаболизмін жүзеге асыратын және кейіннен жаңа түзілген аминқышқылында немесе метаболизм айналымындағы өнімдерде іздері анықталатын біркелкі белгіленген глюкозаны (U 13C глюкоза) қолдану.

Массалық спектрометрияның қолданылуы

Табиғи изотоптар немесе жасанды изотоптық белгілеу нәтижесінде пайда болатын изотопологтар, массалық спектрометрияның түрлі салаларында қолданылады.