Изотопное разбавление

Принцип метода

Изотопное разбавление относится к категории абсолютных методов количественного анализа, основанных на введении в исследуемую систему известного количества изотопно-меченого аналита и последующем определении соотношения концентраций меченой и немеченой форм. Основой служит тот факт, что изотопы одного элемента не отличаются по химическим свойствам, что обеспечивает их равномерное распределение между всеми фазами системы и идентичность химического поведения при любых стадиях анализа.

Теоретические основы

При добавлении к анализируемому веществу точно известной массы изотопно-меченого аналога формируется смесь, в которой концентрации изотопных форм находятся в строгой зависимости от введённых количеств. После завершения всех стадий пробоподготовки и выделения аналита определяют отношение активности или масс изотопов. Зная исходное количество внесённого изотопа и полученное соотношение, вычисляют концентрацию немеченого компонента в исходной пробе.

Математически это выражается уравнением:

$$ m_x = \frac{m_s \cdot (R_f - R_0)}{R_0 - R_s} $$

где

• m_x — масса аналита в пробе,
• m_s — масса добавленного стандартного изотопа,
• R_f — конечное изотопное отношение,
• R₀ — естественное изотопное отношение в пробе до разбавления,
• R_s — изотопное отношение в чистом стандарте.

Преимущества метода

• Высокая точность. Погрешности пробоподготовки, экстракции, испарения и других стадий не влияют на результат, так как обе изотопные формы подвергаются одинаковым потерям.
• Независимость от матрицы. Метод применим для сложных объектов — геологических пород, биологических жидкостей, промышленных образцов.
• Абсолютный характер. Результаты не требуют градуировочных графиков, так как вычисления базируются на фундаментальных физических константах и точно известных количествах изотопного стандарта.

Виды изотопного разбавления

• Радиоактивное изотопное разбавление. Используются радиоактивные изотопы с измерением их активности. Метод традиционно применялся в биохимии, медицине и геохимии.
• Стабильное изотопное разбавление. В качестве стандарта вводят стабильные изотопы, определяемые с помощью масс-спектрометрии. Это современный и наиболее универсальный подход.

Масс-спектрометрическое определение

Развитие высокоточной масс-спектрометрии обеспечило широкое распространение метода. Приборы позволяют регистрировать малейшие различия в массовых числах изотопов и вычислять изотопные отношения с погрешностью, достигающей 0,01 %. Современные технологии включают:

• индуктивно связанный плазменный масс-спектрометр (ICP-MS),
• газовую и жидкостную хромато-масс-спектрометрию (GC-MS, LC-MS),
• термическую и вторично-ионную масс-спектрометрию.

Области применения

• Геохимия и космохимия. Определение содержания редких элементов, датирование минералов, исследование изотопных аномалий.
• Медицина и биохимия. Анализ метаболических путей, определение концентраций витаминов, гормонов, лекарственных препаратов.
• Экология. Мониторинг содержания тяжёлых металлов и токсикантов в воде, почве и биоте.
• Пищевая химия. Контроль качества продуктов, установление подлинности происхождения.
• Аналитическая химия высокочистых веществ. Определение ультранизких концентраций примесей в материалах для микроэлектроники и оптики.

Историческое развитие

Изначально метод был разработан в середине XX века для геохимических исследований с использованием радиоактивных изотопов. С развитием масс-спектрометрии стабильных изотопов область применения существенно расширилась. В современной аналитической практике изотопное разбавление рассматривается как один из эталонных методов количественного анализа, применяемый для сертификации стандартных образцов и калибровки других методов.

Особенности проведения анализа

Ключевым условием является точное знание количества введённого изотопно-меченого стандарта. Кроме того, необходимо обеспечить полное изотопное равновесие между стандартом и анализируемым веществом. Это требует тщательной подготовки проб, проведения количественного выделения аналита в чистом виде и исключения изотопного фракционирования на всех стадиях анализа.

Методологическое значение

Изотопное разбавление относится к числу наиболее надёжных инструментов аналитической химии. Он служит не только для рутинного определения концентраций, но и как эталонный метод для оценки точности других аналитических подходов, а также для сертификации веществ и разработки международных стандартов.