Vsmow-Vienna Standard Mean Ocean Water (магатэ)

SLAP- Standard Light Antarctic Water

GISP- Greenland Ice Standard Precipitation

Коэффициент изотопного фракционирования

α_A-B=R_A/R_B

1. α=отношение констант скоростей необратимых (кинетических) реакций

2. α=отношение констант скоростей обратимых (термодинамических) реакций

3. α=отношение коэффициентов диффузии для идеальных газов

α_A-B=(1000+δ_A)/(1000+δ_B) или

α_A-B≈1+(δ_A- δ_B)/1000

Логарифмируем т.к. ln(1+x) ≈x при x<<1 получаем приближенное соотношение lnα_A-B≈ln[1+(δ_A- δ_B )/1000]

1000∙lnα_A-B≈(δ_A- δ_B )=Δ_A-B (большая дельта)

Для идеальных газов lnα_A-B~1/T² при высоких температурах и ~1/T при низких температурах

Аналогично для пар минерал-минерал, минерал-флюид

Для sphalerite (ZnS) – galena (PbS) α_A-B=1,00360 T=200°C

(сульфид цинка – сульфид свинца)

1000∙lnα_A-B=3,594

ε=(α_A-B-1)10³

δ_A- δ_B=(β_A/β_B-1)1000

6. Изотопно-массовый баланс.

Уравнение изотопно-массового баланса

Точная формула: m₀F₀=m₁F₁+m₂F₂+…

Приближенная формула: m₀δ₀=m₁δ₁+m₂δ₂+…

δ_{биомасс}=X_нуклδ_нукл+X_протδ_прот+X_сахδ_сах+X_липδ_лип+X_лигδ_лиг

7. Статическая сумма по энергетическим состояниям. Расчет бэта-фактора

В равновесных реакциях изотопного обмена изотопы одного элемента обмениваются между двумя веществами А и В

aA₁ + bB₂ = aA₂ + bB₁ 1, 2 - легкий и тяжелый изотополог

^{1 2}CH₄+¹³CO₂=¹³CH₄+¹²CO₂

Константа равновесия

В скобках приведены концентрации исходных и конечных веществ

К онстанту равновесия К можно выразить через статистическую сумму по энергетическим состояниям молекул Q

β_∑A=(Q₂/Q₁)^a_A

K= β_∑A/ β_∑B

Изотопный обмен между SO₃ и O₂

1/3S¹⁶O₃ + 1/2¹⁸O₂ = 1/3S¹⁶O₃ + 1/2¹⁸O₂

1/2O₂+CO=CO₂

При изотопном уравновешивании ΔG^o_r,T=-RTln(K) - энергия Гиббса

При 300 К α_СO-O=1,028 и ΔG^o_r,T ~-69 Дж

Для химической реакции ΔG^o_r,T =-257,200 Дж

Внутренняя энергия молекулы

E_tot=E_tr+E_rot+E_vib

n_i/n₀=g_ie(-E_i/kT) k=1,381∙10²³ Дж/К

Q=∑g_ie(-E_i/kT) g_i - статистический вес

Q_tot=Q_vibQ_rotQ_tr

Фракционирование между фазами может быть вычислено на основании спектроскопических данных, как функция температуры.

Сумма по состояниям для поступательного движения молекул Q_tr=(2πmkT)^3/2/h³

Сумма по состояниям для вращательного движения молекул Q_rot=(8π²IkT)/ϭh³

Ϭ- число симметрии, I – момент инерции молекулы

Сумма по состояниям для колебательного движения молекул Q_vib=[1-exp(-hν/kT)]^-1

ν – частота колебаний атомов в молекуле

Для пары изотопологов

Δ E₀ – разница нулевых энергий двух изотопологов

Расчет бэта-фактора

L_j- изотопическое число связи, j связь из числа n связей,

образуемых i атомом.

CH₄: β¹³C_{спектр.}=1,1136=1+4L → L_C-H=0,0284

C₂H₆: β¹³C_{спектр.}=1,1316 → L_C-C=0,0464

Аналогично → L_C-O=0,055 L_C=O=0,095 L_C-N

8. Термодинамическое упорядочивание изотопов. Биологический тренд. Док-во биологического происхождения нефти.

9. Масс-спектрометр изотопных отношений. Система двойного напуска газа и система с постоянным подтоком газа-носителя. Преимущества и недостатки.

Магнитный секторный масс-спектрометр был сконструирован в 1940 г. Альфредом Ниром: ионный источник, магнитно-секторный сепаратор ионов, детектор ионов типа цилиндра Фарадея.

Давление 10^-8 мбар для уменьшения числа столкновений с остаточными молекулами. Разрешение по массам R=100 (разделение изотопологов). Точность до 0,001 ‰ Ускоряющее напряжение V от 2000 до 10000 В

mv²/2=zeV Центрастремительная сила=силе Лоренца mv²/r=BzeV

Задача ионной оптики масс-спектрометра собрать все образованные ионы и сфокусировать на коллектор.

Закон Ома: V=IR.

Изотопные ионные токи измеряются одновременно и любые изменения общего ионного тока влияют на сигнал всех детекторов.

Термическая ионизация (+,- ионы, 800-2000°С, U-Pb, Pb-Pb, Pb-Sr, Re-Os, Nd-Sm).

Уравнение Саха-Эгерта: N⁺/N⁰~exp[(W-IP)/kT]

Ионизация электронным ударом: 1 мА, 100 эВ, 1 ион на 1000-10000 молекул.

Электроны двигаются по спирали вдоль линий магнитного поля

Система регистрации ионов

Система двойного напуска газов

Непрерывный вязкостный поток в капиллярах

Молекулярный поток: Q – поток, m – масса, Л , Т – легкий и тяжелый изотоп. Фокусировка производится с помощью магнитного поля и ускоряющего напряжения.

Dual Inlet

Измерения производятся относительно стандартного газа, попеременное измерение образца и стандарта делается много раз (10). Потоки газа из капилляров постоянные и одинаковые. Наличие «холодного пальца» для криогенного концентрирования образца (100 нмоль).

Ионно-молекулярные взаимодействия зависят от давления: Н₃⁺ фактор.

H₂⁺ + H₂ → H₃⁺ + H H₃⁺~ (H₂⁺)²

I(3)/I(2)=(HD⁺ + H₃⁺)/H₂⁺ = HD⁺/ H₂⁺ + k(H₂⁺)²/ H₂⁺

HD⁺/ H₂⁺= I(3)/I(2)-k∙I(2)

10. Понятие о Н3+ факторе. Минимальные анализируемые пробы и точность анализа: EA/TC-IRMS (масс-спектрометрия изотопных отношений в сочетании с пиролизатором, Continuos Flow - постоянный поток,), GC-C-IRMS (масс-спектрометрия изотопных отношений в сочетании с газовой хроматографией и реактором сожжения), LC-IsoLonk-IRMC.

Ионно-молекулярные взаимодействия зависят от давления: Н₃⁺ фактор.

H₂⁺ + H₂ → H₃⁺ + H H₃⁺~ (H₂⁺)²

I(3)/I(2)=(HD⁺ + H₃⁺)/H₂⁺ = HD⁺/ H₂⁺ + k(H₂⁺)²/ H₂⁺

HD⁺/ H₂⁺= I(3)/I(2)-k∙I(2)

Finnigan LC IsoLink - это первый доступный интерфейс, соединяющий высокоэффективный жидкостный хроматограф с масс-спектрометром для измерения стабильных изотопов для высокочувствительного, воспроизводимого и точного определения отношения ¹³C/¹²С в реальном масштабе времени. Все органические соединения, элюируемые из ВЭЖХ колонки, анализируются с сохранением хроматографического разрешения. Это открывает совершенно новый мир применений изотопной масс-спектрометрии.

Finnigan LC IsoLink ориентирован на анализ полярных и термолабильных соединений. Большинство этих соединений (таких как аминокислоты, пептиды, углнводы, нуклеотиды, спирты, oрганические кислоты) могут быть разделены хроматографически в водной фазе c использованием неорганических буфферов на ионно-обменных или обращенно-фазных ВЭЖХ колонках. Finnigan LC IsoLink позволяет проводить точное определение отношения изотопов ¹³C/¹²C в каждом индивидуальном компоненте в реальном масштабе времени.

 Исследование метаболизма - Исследование аминокислот, липидов, углеводов, с использованием изотопных трейсеров - Анализ нуклеoтидов для синтеза ДНК

 Пищевые продукты и их ингрeдиенты - Контроль фальсификаций меда и фруктовых соков - Определение происхождения ароматизаторов - анализ фосфолипидов, углеводов, аминокислот и витаминов

 Фармацевтика - Контроль фальсификации лекарственных препаратов - Исследование субстанций и добавок

 Допинговый контроль - Анализ стероидов и гормонов

 Биогеохимия - История биомолекул в илах и почвах

До сих пор анализ изотопных отношений ¹³C/¹²C органических образцов был ограничен газо-хроматографическим разделением с последующим сжиганием (GC/MS, irm-GC/MS) или интегральным сжиганием образцов в элементном анализаторе. Поскольку абсолютное большинство важных для биохимии и фармацевтики соединений являются нелетучими или слишком термолабильными для использования газовой хроматографии, определение изотопных отношений ¹³C/¹²C этих компонентов в реальных аналитических применениях, обычно в сложной матрице, было невозможно или сопряжено с черейзвычайно сложной и многостадийной методикой. Finnigan LC IsoLink преодолевает барьер, который до сих пор препятствовал успешному изотопному мониторингу соединений, разделяемых высокоэффективной жидкостной хроматографией, позволяя проводить количественную, свободную от фракционирования окислительную конверсию жидкой фазы в CO₂. В Finnigan LC IsoLink жидкая фаза не удаляется из образца до окисления, а образец окисляется в водном растворе и только потом CO₂ извлекается из жидкой фазы для изотопного анализа. Окислительный реагент состоит из двух растворов: собственно окислительного агента и катализатора. Оба закачиваются раздельно и добавляются к мобильной фазе ВЭЖХ. Все индивидуальные органические соединения, элюируемые из ВЭЖХ колонки, количественно окисляются до CO₂ в этой смеси во время прохождения через нагреваемый реактор. В модуле дегазации CO₂ извлекается из жидкой фазы и переносится в поток гелия. Индивидуальные пики CO₂ в He последовательно осушаются в модуле осушки (Nafion™) и затем подаются в изотопный масс-спектрометр через интерфейс с открытым сбросом. Поскольку жидкая фаза вообще не испаряется, неорганические буфферы, например фосфатные, никак не влияют на работу интерфейса и не могут аккумулироваться где-либо в системе. Это сильно отличает Finnigan LC IsoLink от любых других ВЭЖХ/МС интерфейсов и делает его абсолютно свободным от какого-либо обслуживания.

Основные характеристики Finnigan LC IsoLink	Внешняя воспроизводимость на Finnigan LC IsoLink (n=5, 1s), d
10 импульсов стандарта (aмплитуда 3 В), d	Бензойная кислота (прямой петлевой ввод), 400 нг в 10 мкл воды

		Воспроизводимость (1s)	Линейность	Воспроизводимость (1s)	CO2	CO2
CO2	13C	0.06 ‰	0.02 ‰/nA	3 нмоля бензойной кислоты = 21 нмоль (250 нг) C	как CO2	< 0.3 ‰
				Глюкоза/Фруктоза (ВЭЖХ разделение)	600 нг каждой	в 20 мкл воды
				3.3 нмоль глюкозы	как CO2	< 0.3 ‰

11. Схема работы установки EА-IRMS

12. Схема работы установки GC-C-IRMS (в режиме постоянного потока газа)

GC-C-IRMS (gas chromatography-combustion-mass spectrometry) Matthews and Hayes 1978 или CSIA (compound-specific isotope analysis) Коммерческие приборы выпускаются с 1990 г.

Образцы вводятся в поток гелия, делятся на отдельные компоненты в газовом хроматографе и попадают в ионный источник масс-спектрометра. Анализ быстрый, размер образцов небольшой, точность хуже, чем в методе DI