Средства измерений концентрации D20

СВ статьях часто пишут вполне конкретные цифры о содержаниях тяжелого изотопа водорода. А как это можно измерить и с какой точностью?

Здравствуйте, Евгений!

Измерить содержание дейтерия (а вернее тяжёлой воды) в среде возможно с помощью различных методов – масс-спектрометрии, спектроскопии протонного магнитного резонанса, инфракрасной, лазерной спекроскопии и др.

Другие методы также позволяют изучать содержание дейтерия в воде. Это сверхбыстрая ИК-спектроскопия и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Метод ЯМР основан на том, что ядро атома водорода в отличие от дейтерия имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы.

Некоторые современные методы также позволяют не только определять содержание дейтерия, но и изучать структуру. К ним относятся, прежде всего дифракционные методы. Например, дифракция рентгеновских лучей и нейтронов на поверхности замороженного кристалла воды.

Другой метод исследования структуры – нейтронная дифракция на кристаллах воды осуществляется точно также, как и рентгеновская дифракция. Однако из-за того, что длины нейтронного рассеяния различаются у разных атомов не столь сильно, метод изоморфного замещения становится неприемлемым. На практике обычно работают с кристаллом, у которого молекулярная структура уже приблизительно установлена другими методами. Затем для этого кристалла измеряют интенсивности нейтронной дифракции. По этим результатам проводят преобразование Фурье, в ходе которого используют измеренные нейтронные интенсивности и фазы, вычисляемые с учётом неводородных атомов, т.е. атомов кислорода, положение которых в модели структуры известно. Затем на полученной таким образом фурье-карте атомы водорода и дейтерия представлены с гораздо большими весами, чем на карте электронной плотности, т.к. вклад этих атомов в нейтронное рассеяние очень большой. По этой карте плотности можно, например, определить положения атомов водорода (отрицательная плотность) и дейтерия (положительная плотность).

Возможна разновидность этого метода, которая состоит в том, что кристалл образовавшийся в воде, перед измерениями выдерживают в тяжёлой воде. В этом случае нейтронная дифракция не только позволяет установить, где расположены атомы водорода, но и выявляет те из них, способные обмениваться на дейтерий, что особенно важно при изучение изотопного (H-D)-обмена, например, в молекулах таких жизненно-важных соединений, как дезоксирибонуклеиновые кислоты и протеины. Изотопный обмен характеризуется как самопроизвольное перераспределение изотопов химического элемента между различными фазами системы (в частности, между различными агрегатными состояниями одного и того же вещества), частицами (молекулами, ионами) или внутри молекул (сложных ионов). При изотопном обмене сохраняется неизменным элементный состав каждого участвующего в обмене вещества, изменяется лишь его изотопный состав.

Распределение изотопов между веществами в состоянии равновесия характеризуется коэффициентом распределения, определяющим соотношение равновесных концентраций изотопов в реагирующих веществах. При равномерном распределении изотопов коэффициент распределения равен 1. Однако, на практике равномерное распределение изотопов в реагирующих веществах происходит только для изотопов лёгких элементов.

Для лёгких изотопов углерода, азота и кислорода с небольшими разницами атомных масс при достижении химического равновесия изотопного обмена каждый изотоп распределяется между реагирующими веществами равномерно. Для изотопов тяжёлых элементов дейтерия и трития эта неравномерность в распределении между некоторыми веществами может достигать десятки и сотни процентов. Отклонение от равномерного распределения зависит не только от массы изотопов, но и от химического состава веществ, между которыми происходит изотопный обмен. Кроме того, коэффициент распределения зависит от температуры и во всех случаях по мере её повышения приближается к 1.

Также в изотопных исследованиях с тяжёлой и тритиевой водой часто используют метод изотопного разбавления. Пусть надо проанализировать содержание со­единения А в смеси, которую невозможно количественно разде­лить на отдельные компоненты. Эту задачу можно выполнить следующим образом. К смеси добавляют небольшое количество А, содержащего известную примесь радиоактивного изотопа. Единственное условие дальнейшего анализа состоит в том, что­бы можно было хотя бы частично отделить из смеси компонент А в чистом виде. Введем коэффициент разбавления, равный от­ношению удельной активности изотопа А до разбавления к удельной активности того же изотопа после разбавления. Для стабильных изотопов отношение концентраций конкретного изо­топа до и после разбавления во многих случаях можно опреде­лить с помощью масс-спектрометра. Исходя из коэффициента разбавления и количества добавленного компонента А, можно рассчитать концентрацию А в исходной смеси.

Метод изотопного разбавления можно использовать, например, для определения общего количества воды в организме. Для этого вводят известное количество воды, содержащей определен­ную примесь тяжёлой воды. Через некоторое время, тре­буемое для полного смешивания введенной воды с остальной ее частью, отбирают образец сыворотки крови и измеряют в нем содержание дейтерия. Если при этом оказалось, что ко­эффициент разбавления равен, например, 800, то полное количе­ство воды в организме в 800 раз превышает объем воды, введен­ной в эксперименте.

С уважением,

К. х. н. О. В. Мосин