Кіріспе

Изотоптық сұйыту арқылы талдау – химиялық заттардың мөлшерін анықтау әдісі. Ең қарапайым түсінігінде, изотоптық сұйыту әдісі талдау үлгісіне белгілі мөлшерде изотоптық байытылған затты қосудан тұрады. Изотоптық стандартты үлгімен араластыру стандарттың изотоптық байытуын тиімді түрде "жұмсартады" және бұл изотоптық сұйыту әдісінің негізін құрайды. Изотоптық сұйыту ішкі стандарттау әдісі ретінде жіктеледі, себебі стандарт (анализденетін заттың изотоптық байытылған түрі) тікелей үлгіге қосылады. Бұған қоса, сигналдың қарқындылығына сүйенетін дәстүрлі талдау әдістерінен өзгеше, изотоптық сұйыту сигналдардың қатынастарын пайдаланады. Осы екі артықшылығының арқасында изотоптық сұйыту әдісі химиялық өлшемдердің ең жоғары метрологиялық деңгейдегі әдістерінің қатарына жатады. Изотоптар – белгілі бір химиялық элементтің нейтрон саны бойынша ерекшеленетін түрлері. Кез келген элементтің барлық изотоптарының әрбір атомындағы протон саны бірдей болады. Изотоп термині грек тіліндегі isos (ἴσος "тең") және topos (τόπος "орналасқан жер") түбірлерінен құралған, яғни "бірдей орында" деген мағынаны білдіреді; осылайша, атаудың мәні – бір элементтің әртүрлі изотоптары периодтық кестеде бірдей орынды иеленеді.

Ерте тарих

Радиоактивті іздеу әдісінің талдамалық қолданылуы изотопты сұйытудың алға басушысы болып табылады. Бұл әдіс 20 ғасырдың басында Джордж де Хевеси тарапынан әзірленді, ол үшін 1943 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Изотопты сұйытуды радиоактивті іздеу әдісі түрінде қолданудың алғашқы мысалы 1913 жылы Джордж де Хевеси мен Фридрих Адольф Панеттің қорғасын сульфиді мен қорғасын хроматының ерігіштігін анықтауы болды. 1930 жылдары АҚШ биохимигі Дэвид Риттенберг биохимияда изотопты сұйытуды қолдануды бастап, жасуша метаболизмін егжей-тегжейлі зерттеуге жағдай жасады.

Үлгілік оқулық

Изотопты сұйыту экологияда популяция мөлшерін бағалау үшін қолданылатын белгілеу және қайта ұстау әдісіне ұқсас. Мысалы, көлдегі балық санын (nA) анықтауды қарастырайық. Осы мысал үшін көлдегі барлық балықтар көк түсті деп есептейік. Көлге алғаш рет келген эколог оған бес сары балық (nB = 5) қосады. Екінші сапарында эколог үлгі алу жоспарына сәйкес бірнеше балық ұстап алады және көк пен сары (яғни, жергілікті және таңбаланған) балықтардың арақатынасы 10:1 екенін байқайды. Көлдегі балықтардың санын келесі теңдеу арқылы есептеуге болады: Бұл изотопты сұйытудың қарапайым мысалы, бірақ ол әдістің маңызды ерекшеліктерін көрсетеді. Белгіленген және белгіленбеген балықтардың арасындағы айырмашылық шашыранды болғанда жағдай күрделірек болады. Мысалы, көлде бұрынғы зертханалық тәжірибелерден белгіленген балықтардың аз саны болса, немесе керісінше, қосылған белгіленген балықтардың арасында белгіленбеген балықтардың аз саны болуы мүмкін. Зертханалық жағдайда белгісіз ("көл") ірі ("көк") және кіші ("сары") изотоптық түрлерде табиғи түрде болатын қосылыстың белгілі бір мөлшерін қамтуы мүмкін. Содан кейін белгісізге кішігірім изотоптық түрде байытылған стандарт қосылады, оны кейін талдауға болады. Балық аналогиясын сақтай отырып, келесі өрнекті қолдануға болады: Жоғарыда көрсетілгендей, nA және nB көлдегі балықтардың және көлге қосылған балықтардың санын білдіреді; RA – таңбаланған балық қосылғанға дейін көлдегі жергілікті балықтар мен таңбаланған балықтардың арақатынасы; RB – көлге қосылған таңбаланған балықтардың мөлшеріндегі жергілікті балықтар мен таңбаланған балықтардың арақатынасы; соңында, RAB – екінші сапар кезінде ұсталған жергілікті балықтар мен таңбаланған балықтардың арақатынасы.

Қолданбалар

Изотопты сұйыту жоғары дәлдік қажет болатын жағдайларда массалық спектрометриямен дерлік қана қолданылады. Мысалы, барлық Ұлттық метрология институттары сертификатталған эталондық материалдарды дайындауда изотопты сұйытуға көп көңіл бөледі. Жоғары дәлдікті талдаудан өзге, аналиттың төмен қалпына келтірілуі байқалғанда да изотопты сұйыту қолданылады. Тұрақты изотоптармен қатар, радиоактивті изотоптар да изотопты сұйытуда қолданылуы мүмкін, бұл көбінесе биомедициналық қолданыстарда кездеседі, мысалы, қанның көлемін анықтауда.

Үш рет сұйыту әдісі

Массалық спектрометрдің изотоптық байытылған қосылыспен (шпайкпен) ластануын болдырмау үшін, байытылған қосылысты (шпайк, B) тікелей өлшеудің орнына, бастапқы стандарттың (A*) және қосылыстың (шпайк, B) қосымша араласпасын өлшеуге болады. Бұл тәсіл алғаш рет 1970 жылдары ұсынылып, 2002 жылы дамытылды.

Калибрлеу қисығын пайдалана отырып есептеулер

Көптеген сарапшылар изотоптық сұйытуды талдау үшін аналитикалық теңдеулерді қолданбайды. Олардың орнына, табиғи бастапқы стандарттың (A*) және изотоптық байытылған стандарттың (қосқыш, B) қоспаларынан калибрлеу қисығын құруға ден қояды. Калибрлеу қисықтары дайындалған қоспалардағы өлшенген изотоп қатынастарын, әрбір қоспадағы сынама массасының қосқыш ерітіндісінің массасына белгілі қатынасына сәйкес кестелеп шығару арқылы жасалады. Изотоптық сұйыту калибрлеу графиктері кейде сызықты емес байланыстарды көрсетеді, ал тәжірибеде мұндай қисықтарды эмпирикалық түрде сипаттау үшін көпмүшелік регрессия жиі қолданылады. Егер калибрлеу графиктері айқын сызықты емес болса, эмпирикалық көпмүшелік регрессиядан бас тарта беріп, екі сызықты функцияның қатынамын (Паде жуықтамасы деп аталады) қолдануға болады, ол изотоптық сұйыту қисықтарының қисықтығын нақты сипаттайды.