Введение

Анализ изотопного разведения — это метод определения количества химических веществ. В своей простейшей форме метод изотопного разведения заключается в добавлении известных количеств изотопно-обогащенного вещества к анализируемому образцу. Смешивание изотопного стандарта с образцом эффективно снижает изотопное обогащение стандарта, что и является основой метода изотопного разведения. Изотопное разведение классифицируется как метод внутренней стандартизации, поскольку стандарт (изотопно-обогащенная форма аналита) добавляется непосредственно в образец. Кроме того, в отличие от традиционных аналитических методов, основанных на интенсивности сигнала, при изотопном разведении используются отношения сигналов. Благодаря этим двум преимуществам метод изотопного разведения считается одним из наиболее метрологически точных методов химических измерений. Изотопы — это варианты конкретного химического элемента, различающиеся числом нейтронов. Все изотопы данного элемента имеют одинаковое число протонов в каждом атоме. Термин «изотоп» образован от греческих корней *isos* (ἴσος — «равный») и *topos* (τόπος — «место»), что означает «одно и то же место»; таким образом, название отражает тот факт, что различные изотопы одного и того же элемента занимают одно и то же положение в периодической таблице.

Ранняя история

Аналитическое применение метода радиоиндикаторов является предшественником метода изотопного разбавления. Этот метод был разработан в начале XX века Джорджем де Хевеси, за что он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1943 году. Ранним применением метода изотопного разбавления в форме метода радиоиндикаторов было определение растворимости сульфида свинца и хромата свинца в 1913 году Джорджем де Хевези и Фридрихом Адольфом Панетом. В 1930-х годах американский биохимик Дэвид Риттенберг стал пионером в использовании изотопного разбавления в биохимии, что позволило провести детальные исследования клеточного метаболизма.

Пример урока

Разбавление изотопов аналогично методу мечения и повторного отлова, обычно используемому в экологии для оценки численности популяции. Например, рассмотрим определение количества рыб (nA) в озере. Для целей этого примера предположим, что все рыбы, обитающие в озере, голубые. При первом посещении озера эколог добавляет пять желтых рыб (nB = 5). Во время второго посещения эколог отлавливает некоторое количество рыб в соответствии с планом выборки и обнаруживает, что соотношение голубых к желтым (то есть местных к помеченным) рыб составляет 10:1. Численность рыб, обитающих в озере, можно рассчитать, используя следующее уравнение: Это упрощенное представление разбавления изотопов, но оно иллюстрирует основные особенности метода. Более сложная ситуация возникает, когда различие между помеченными и непомеченными рыбами становится размытым. Это может произойти, например, когда в озере уже присутствует небольшое количество помеченных рыб из предыдущих полевых экспериментов; и наоборот, когда добавленное количество помеченных рыб содержит небольшое количество непомеченных рыб. В лабораторных условиях неизвестная проба ("озеро") может содержать количество соединения, которое естественным образом присутствует в виде основных ("голубых") и минорных ("желтых") изотопных форм. Затем к неизвестной пробе может быть добавлен стандарт, обогащенный минорной изотопной формой, который впоследствии может быть проанализирован. Продолжая аналогию с рыбами, можно использовать следующее выражение: где, как указано выше, nA и nB представляют количество рыб в озере и количество рыб, добавленных в озеро, соответственно; RA – это отношение численности местных рыб к помеченным рыбам в озере до добавления помеченных рыб; RB – это отношение численности местных рыб к помеченным рыбам в добавленном количестве помеченных рыб; и, наконец, RAB – это отношение численности местных рыб к помеченным рыбам, отловленных во время второго визита.

Приложения

Изотопное разбавление почти исключительно используется в сочетании с масс-спектрометрией в приложениях, требующих высокой точности. Например, все национальные метрологические институты в значительной степени полагаются на метод изотопного разбавления при производстве сертифицированных эталонных материалов. Помимо высокоточного анализа, изотопное разбавление применяется в случаях низкого извлечения анализируемого вещества. Наряду с использованием стабильных изотопов, в изотопном разбавлении могут применяться и радиоактивные изотопы, что часто встречается в биомедицинских приложениях, например, при определении объема крови.

Метод тройного разбавления

Для предотвращения загрязнения масс-спектрометра изотопно-обогащенным маркером, вместо непосредственного измерения обогащенного маркера (B) можно измерить дополнительную смесь первичного стандарта (A*) и маркера (B). Этот подход был впервые предложен в 1970-х годах и усовершенствован в 2002 году.

Расчеты с использованием калибровочной кривой

Многие аналитики не используют аналитические уравнения для анализа методом изотопного разбавления. Вместо этого они полагаются на построение калибровочной кривой на основе смесей природного первичного стандарта (A*) и изотопно-обогащенного стандарта (добавки, B). Калибровочные кривые получают путем нанесения измеренных изотопных отношений в приготовленных смесях на известное отношение массы образца к массе раствора добавки в каждой смеси. Графики калибровки методом изотопного разбавления иногда демонстрируют нелинейную зависимость, и на практике часто применяется полиномиальная аппроксимация для эмпирического описания таких кривых. Если калибровочные графики явно нелинейны, можно избежать эмпирической полиномиальной аппроксимации и использовать отношение двух линейных функций (известное как аппроксимант Паде), которое точно описывает кривизну кривых изотопного разбавления.