Isotoputspädning - Isotope dilution
Isotoputspädningsanalys är en metod för att bestämma mängden kemiska ämnen. I sin enklaste uppfattning innefattar metoden för isotoputspädning tillsatsen av kända mängder isotopiskt anrikat ämne till det analyserade provet. Blandning av isotopstandarden med provet "spädar" effektivt isotopanrikningen av standarden och detta utgör grunden för metoden för isotoputspädning. Isotoputspädning klassificeras som en metod för intern standardisering , eftersom standarden (isotopiskt anrikad form av analyt) tillsätts direkt till provet. Dessutom använder isotoputspädning, till skillnad från traditionella analysmetoder som är beroende av signalintensitet, signalförhållanden. På grund av båda dessa fördelar betraktas metoden för isotopspädning bland kemimätningsmetoder med högsta metrologiska status.
Isotoper är varianter av ett visst kemiskt element som skiljer sig åt i neutronantal . Alla isotoper av ett givet element har samma antal protoner i varje atom . Termen isotop bildas från de grekiska rötterna isos ( ἴσος "lika") och topos ( τόπος "plats"), vilket betyder "samma plats"; betydelsen bakom namnet är således att olika isotoper av ett enda element intar samma position på det periodiska systemet .
Tidig historia
Analytisk tillämpning av radiospårningsmetoden är en föregångare för isotopspädning. Denna metod utvecklades i början av 1900-talet av George de Hevesy för vilken han tilldelades Nobelpriset i kemi för 1943.
En tidig tillämpning av isotoputspädning i form av radiotracer-metoden var bestämning av lösligheten av blysulfid och blykromat 1913 av George de Hevesy och Friedrich Adolf Paneth . På 1930-talet var den amerikanska biokemisten David Rittenberg banbrytande i användningen av isotoputspädning i biokemi, vilket möjliggjorde detaljerade studier av cellmetabolism.
Handledningsexempel
Isotoputspädning är analog med metoden för märkning och återfångning , som vanligtvis används i ekologi för att uppskatta befolkningsstorlek.
Tänk till exempel på bestämningen av antalet fiskar ( n A ) i en sjö. För detta syfte antar vi att alla fiskar som är infödda i sjön är blåa. Vid sitt första besök i sjön lägger en ekolog till fem gula fiskar ( n B = 5). Vid sitt andra besök fångar ekologen ett antal fiskar enligt en provtagningsplan och observerar att förhållandet mellan blå-gul (dvs. infödd-till-markerad) fisk är 10: 1. Antalet fisk som kommer från sjön kan beräknas med hjälp av följande ekvation:
Detta är en förenklad bild av isotoputspädning men det illustrerar metodens framträdande egenskaper. En mer komplex situation uppstår när skillnaden mellan markerad och omärkt fisk blir suddig. Detta kan till exempel inträffa när sjön redan innehåller ett litet antal markerade fiskar från tidigare fältförsök; och vice versa, där mängden markerad fisk som tillsätts innehåller ett litet antal omärkt fisk. I en laboratoriemiljö kan en okänd ("sjön") innehålla en mängd av en förening som naturligt förekommer i major ("blå") och mindre ("gul") isotopform. En standard som är anrikad i mindre isotopform kan sedan läggas till det okända, som därefter kan analyseras. Med hänsyn till fiskanalogin kan följande uttryck användas:
där, som angivits ovan, n A och n B representerar antalet fiskar i sjön respektive antalet fiskar som läggs till sjön, R A är förhållandet mellan den inhemska och markerade fisken i sjön före tillsatsen av markerad fisk; R B är förhållandet mellan den inhemska och markerade fisken i mängden markerad fisk som läggs till sjön; slutligen är R AB förhållandet mellan den inhemska och markerade fisken som fångats under det andra besöket.
Applikationer
Isotopspädning används nästan uteslutande med masspektrometri i applikationer där hög noggrannhet krävs. Till exempel förlitar sig alla nationella metrologiska institut avsevärt på isotopspädning när de producerar certifierade referensmaterial. Förutom analys med hög precision appliceras isotopspädning när låg återhämtning av analyten påträffas. Förutom användningen av stabila isotoper kan radioaktiva isotoper användas i isotoputspädning, vilket ofta förekommer i biomedicinska applikationer, till exempel vid uppskattning av blodvolymen .
Enkel utspädningsmetod
| Isotoputspädningsnotation | |
|---|---|
| namn | Symbol |
| Analyt | A |
| Isotopisk standard (Spike) | B |
| Analyte + Spike | AB |
Tänk på en naturlig analyt rik på isotop i A (betecknad A), och samma analyt berikad i isotop j A (betecknad B). Därefter analyseras den erhållna blandningen med avseende på den isotopiska sammansättningen av analyten, R AB = n ( i A) AB / n ( j A) AB . Om mängden av den isotopiskt anrikade substans ( n B ) är känd, mängden substans i provet ( n A kan) erhållas:
Här, R A är isotopmängdförhållandet av den naturliga analyt, R A = n ( i A) A / n ( j A) A , R B är isotopmängdförhållandet av isotopiskt anrikade analyt, R B = n ( i A) B / n ( j A) B , R AB är förhållandet mellan isotopmängden för den resulterande blandningen, x ( j A) A är den isotopiska överflödet av den mindre isotopen i den naturliga analyten och x ( j A) B är det isotopiska överflödet hos huvudisotopen i den isotopiskt anrikade analyten.
För element med endast två stabila isotoper, såsom bor, klor eller silver, förenklas ovanstående enkelutspädningsekvation till följande:
I en typisk gaskromatografianalys kan isotoputspädning minska osäkerheten i mätresultaten från 5% till 1%. Den kan också användas i masspektrometri (vanligen kallad isotoputspädningsmassspektrometri eller IDMS), där isotopförhållandet kan bestämmas med precision, typiskt bättre än 0,25%.
Optimal sammansättning av blandningen
På ett förenklat sätt bestäms osäkerheten i mätresultaten till stor del från mätningen av R AB :
Härifrån får vi den relativa osäkerheten för n A , u r ( n A ) = u ( n A ) / n A :
Den lägsta relativa osäkerheten på n A motsvarar villkoret när det första derivatet med avseende på R AB är lika med noll. Dessutom är det vanligt inom masspektrometri att u ( R AB ) / R AB är konstant och därför kan vi ersätta u ( R AB ) med R AB . Dessa idéer kombinerar för att ge
Lösning av denna ekvation leder till den optimala kompositionen för blandningen AB, dvs det geometriska medelvärdet mellan isotopkompositionerna av standard (A) och spik (B):
Denna förenklade ekvation föreslogs först av De Bievre och Debus numeriskt och senare av Komori et al. och av Riepe och Kaiser analytiskt. Det har noterats att detta enkla uttryck endast är en generell approximation och att det inte håller till exempel i närvaro av Poisson-statistik eller i närvaro av en stark korrelation mellan isotopsignalförhållandet.
Dubbel utspädningsmetod
Den enda utspädningsmetoden kräver kunskap om den isotopiska sammansättningen av den isotopiskt anrikade analyt ( R B ) och mängden av den anrikade analyt tillsatt ( n B ). Båda dessa variabler är svåra att fastställa eftersom isotopiskt anrikade ämnen i allmänhet finns i små mängder av tvivelaktig renhet. Som ett resultat, innan isotopspädning utförs på provet, bestäms mängden av den anrikade analyten i förväg med användning av isotopspädning. Detta förberedande steg kallas omvänd utspädning av isotop och det innefattar en standard för naturlig isotopkompositionsanalyt (betecknad A *). Först föreslogs på 1940-talet och vidareutvecklades på 1950-talet, är utspädning av omvänd isotop ett effektivt sätt att karakterisera ett märkt material.
| Isotoputspädningsnotation | |
|---|---|
| namn | Symbol |
| Analyt | A |
| Naturlig standard | A * |
| Isotopisk standard (Spike) | B |
| Analyte + Spike | AB |
| Standard + Spike | A * B |
Omvänd utspädningsanalys av den anrikade analyten:
Isotoputspädningsanalys av analyten:
Eftersom isotopsammansättningen av A och A * är identiska, att kombinera dessa två uttryck eliminerar behovet för att mäta mängden av det tillsatta anrikat standard ( n B ):
Dubbla utspädningsmetoden kan utformas så att den isotopiska sammansättningen av de två blandningarna, A + B och A * + B, är identisk, dvs , R AB = R A * B . Detta tillstånd med exakt matchande dubbel isotoputspädning förenklar ovanstående ekvation avsevärt:
Trippel spädningsmetod
För att undvika kontaminering av masspektrometern med den isotopiskt anrikade spetsen kan en ytterligare blandning av den primära standarden (A *) och spiken (B) mätas istället för att mäta den anrikade spiken (B) direkt. Detta tillvägagångssätt lades fram först på 1970-talet och utvecklades 2002.
Beräkningar med kalibreringskurva
Många analytiker använder inte analytiska ekvationer för isotoputspädningsanalys. Istället bygger de på att bygga en kalibreringskurva från blandningar av den naturliga primära standarden (A *) och den isotopiskt anrikade standarden (spiken, B). Kalibreringskurvor erhålls genom plottning av uppmätta isotopförhållanden i de beredda blandningarna mot det kända förhållandet mellan provmassan och massan av spiklösningen i varje blandning. Isotoputspädningskalibreringsdiagram visar ibland olinjära förhållanden och i praktiken utförs ofta polynompassning för att empiriskt beskriva sådana kurvor.
När kalibreringsdiagram är markant olinjära kan man kringgå den empiriska polynominpassningen och använda förhållandet mellan två linjära funktioner (känd som Padé approximant ) som visas för att beskriva krökningen av isotoputspädningskurvor exakt.
Se även
Referenser
Vidare läsning
- Sargent (red.), Mike; Harte (red.), Rita; Harrington (red.), Chris (2002). Riktlinjer för hög noggrannhet vid isotoputspädningsmassspektrometri (IDMS) . Royal Society of Chemistry. sid. 58. ISBN 978-0-85404-418-4 . CS1 maint: extra text: författarlista ( länk )
- Garcia-Alonso, J. Ignacio; Rodriguez-Gonzalez, Pablo (2013). Isotoputspädningsmasspektrometri . Royal Society of Chemistry. sid. 453. ISBN 978-1-84973-333-5 .