Анализ соотношения стабильных изотопов

Многие элементы существуют в виде двух или более стабильных изотопов, хотя один изотоп обычно присутствует в значительно большем количестве. Например, у углерода есть два стабильных изотопа: ¹³C и ¹²C, причём ¹²C является более распространённым, составляя 98,89% всего углерода. Аналогично, у азота есть два стабильных изотопа: ¹⁴N и 15N, причём ¹⁴N составляет 99,63% всего азота.

Различия в химических и физических свойствах, возникающие из-за разницы в атомной массе элемента, называются изотопными эффектами. Мы знаем, что внеядерная структура элемента (количество электронов и их расположение) в основном определяет его химическое поведение, тогда как ядро оказывает большее влияние на многие физические свойства элемента. Поскольку все изотопы данного элемента содержат одинаковое количество и расположение электронов, долгое время предполагалось, что изотопы будут вести себя одинаково в химических реакциях.

На самом деле, хотя изотопы ведут себя очень похоже в химических реакциях, их поведение не является абсолютно идентичным. Различия в массе между изотопами одного элемента приводят к небольшим различиям в их физических и химических свойствах. Например, наличие всего одного дополнительного нейтрона в ядре более тяжёлого изотопа может вызвать его более медленную реакцию по сравнению с более лёгким изотопом. Такой эффект часто приводит к тому, что соотношение тяжёлого изотопа к лёгкому в продукте реакции отличается от соотношения в исходном веществе.

Анализ соотношения стабильных изотопов (Stable Isotope Ratio Analysis, SIRA) — это аналитический метод, который использует химические и физические свойства изотопов, измеряемые с помощью масс-спектрометрии соотношения изотопов (Isotope Ratio Mass Spectrometry, IRMS). В этой технике изотопный состав образца измеряется с помощью масс-спектрометра. Затем этот состав выражается в виде относительных соотношений двух или более стабильных изотопов определённого элемента. Например, можно определить соотношение ¹³C к ¹²C в образце. Это соотношение затем сравнивается с изотопным соотношением определённого стандарта. Поскольку различия в массе наиболее выражены у самых лёгких элементов, именно они испытывают наибольшие изотопные эффекты. Таким образом, изотопы элементов H, C, N, O и S чаще всего используются для SIRA. Эти элементы также важны, поскольку они являются одними из самых распространённых элементов в биологических системах.

Изотопный состав образца может быть выражен как «дельта-значение» (д), определяемое по формуле:

где дX_sample — изотопное соотношение образца относительно стандарта, а R_sample и R_standard — абсолютные изотопные соотношения образца и стандарта соответственно. Умножение на 1000 позволяет выразить значения в промилле (‰). Если дельта-значение является положительным числом, это означает, что в образце больше тяжёлого изотопа, чем в стандарте.

Интересным применением SIRA является определение фальсификации пищевых продуктов. Как уже упоминалось, изотопные соотношения различных растений и животных были определены. Например, кукуруза имеет значение д¹³C около –12‰, а большинство цветковых растений — около –26‰. Разница в этих значениях д¹³C возникает из-за того, что эти растения осуществляют фотосинтез с помощью немного разных химических реакций. В первой реакции фотосинтеза кукуруза производит молекулу, содержащую четыре атома углерода, тогда как цветковые растения производят молекулу с тремя атомами углерода. Таким образом, кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы (HFCS) получают из растения типа «C₄», а нектар, собираемый пчёлами, происходит из растений типа «C₃».

Небольшие различия в путях фотосинтеза растений C₃ и C₄ создают значительные различия в их значениях д¹³C. Брокеры, покупающие и продающие огромные количества «сладких» продуктов, могут контролировать фальсификацию мёда, кленового сиропа, яблочного сока и других продуктов с помощью техники SIRA. Если значение д¹³C одного из этих продуктов не соответствует ожидаемому, это явно указывает на добавление других веществ, то есть на фальсификацию. Министерство сельского хозяйства США проводит регулярные изотопные анализы для обеспечения чистоты продуктов, представленных для программ субсидирования. Аналогично, индустрия мёда использует подход SIRA для самоконтроля.

Анализ соотношения стабильных изотопов — это мощный инструмент, и многие его потенциальные применения сейчас признаются исследователями. Недавние исследования SIRA включали изучение географического происхождения оливковых масел и сыров из различных регионов, а также происхождение и диетическую историю различных источников мяса, таких как говядина, баранина и рыба. Использование методов стабильных изотопов в исследованиях становится всё более распространённым, и с их помощью учёные достигают новых уровней понимания химических, биологических и геологических процессов.