Методы измерения изотопов водорода—методы, используемые для определения соотношения изотопов водорода, в основном соотношения стабильных изотопов дейтерий/протий (D/H).
В 1940-х годах была впервые изобретена спектроскопия ядерного магнитного резонанса. стал представлять собой всеобъемлющий набор методологий для различных изотопов. Изотопы водорода протий, дейтерий и тритий обладали магнитными свойствами, подходящими для спектроскопии ЯМР. Однако радиоактивность трития препятствовала многим исследованиям H-ЯМР. Достижения в масс-спектрометрии сделало возможным измерение отдельных соединений в конце 1990-х и начале 2000-х годов.
Существует несколько типов измерения значения изотопного состава водорода (, сокращённо HIC):
органический водород или вода сначала преобразуются в H₂, после чего проводится высокоточное измерение изотопных соотношений методом масс-спектрометрии (высокая точность); непосредственно измеряется вода методом лазерной спектроскопии (высокая точность); целые молекулы непосредственно измеряются методом ЯМР или масс-спектрометрии с меньшей точностью, чем IRMS.
Автономное сгорание и восстановление Для стабильных изотопов перед масс-спектрометрическим детектированием () необходимо преобразование в простые молекулы (H для водорода):Классическая автономная подготовка к конверсии включает:
сжигание над CuO при температуре >800 °C в герметичных кварцевых трубках выделение образовавшейся воды и восстановление до H над горячим металлом при температуре 400—1000 °C в вакууме. Полученный газ затем непосредственно вводится в двухвходовой масс-спектрометр для измерения.
Металлы, используемые для восстановления до H включают U, Zn, Cr, Mg, Mn и другие. U и Zn широко использовались с 1950-х годов , в конце 1990-х годов был успешно применён Cr .
Метод сжигания/восстановления, аналитическая неопределённость которого 1-2 ‰ по δD (δD— изотопное отношение дейтерия к протию в образце относительно стандартного, выраженное в промилле ‰), до сих пор используется, когда требуется высочайшая точность. Однако процедура автономной подготовки трудоёмкая и сложная и требует большого количества образца (несколько сотен мг). Чаще используется онлайн-подготовка на основе сжигания/восстановления в сочетании с последующей системой непрерывного потока ИК-масс-спектрометрии (CF-IRMS). Восстановление хромом или высокотемпературное превращение — доминирующие методы онлайн-подготовки для обнаружения гидрофобности методом ИК-масс-спектрометрии.
Высокотемпературный преобразователь/элементный анализатор (TC/EA)
TC/EA (или HTC, высокотемпературное превращение; HTP, высокотемпературный пиролиз ; HTCR, высокотемпературное восстановление углерода) — это метод подготовки «в режиме онлайн» или «непрерывного потока», обычно с последующим детектированием IRMS.
Это «массовый» метод, который измеряет весь водород в образце и обеспечивает средний изотопный сигнал. Взвешенный образец помещают в оловянную или серебряную капсулу и опускают в пиролизную трубку TC/EA. Трубка изготовлена из стеклоуглерода с заполнением из стеклоуглерода, поэтому изотопы кислорода можно измерять одновременно без обмена кислорода с керамической поверхностью (Al₂O₃).
Затем молекулы восстанавливаются до CO и H₂ при высокой температуре (>1400 °C) в реакторе. Газообразные продукты разделяются с помощью газовой хроматографии (ГХ) с использованием гелия в качестве газа-носителя, затем через интерфейс раздельного потока и детектируются с помощью IRMS. Метод TC/EA может быть проблематичным для органических соединений с галогенами или азотом из-за конкуренции между продуктами пиролиза (например, HCl и HCN) и образованием H₂. Он подвержен загрязнению водой, поэтому образцы необходимо тщательно высушивать.
Адаптация этого метода заключается в определении не обмениваемого (связь C-H) и обмениваемого водорода (связанного такими элементами, как O, S и N) в органическом веществе. Образцы уравновешиваются с водой в герметичных каруселях автосамплера при 115 °C в равновесии с водой, далее переносятся в пиролизный элементный анализ с последующим измерением методом ИК-масс-спектрометрии.
Метод TC/EA является быстрым и достаточно точным (~1 ‰). Ранее он был ограничен твёрдыми образцами; однако впоследствии автосамплер был усовершенствован для жидкостей. Недостатком метода TC/EA является относительно большой объем образца (~ мг), который меньше, чем при автономном сжигании/восстановлении, но больше, чем при ГХ/пиролизе. Он не может разделять различные соединения, как это делает ГХ/пиролиз, и поэтому можно получить только среднее значение для всего образца, что также является недостатком для некоторых исследований.
Газовая хроматография/пиролиз (ГХ/пиролиз) Газовая хроматография (ГХ/пиролиз)—метод онлайн-подготовки с последующим детектированием ИК-МС. Позволяет разделять аналиты перед измерением и, таким образом, предоставлять информацию об изотопном составе каждого отдельного соединения. После разделения в ГХ образцы преобразуются в более мелкие газообразные молекулы для изотопных измерений. ГХ/пиролиз использует пиролизный интерфейс между ГХ и ИК-МС для преобразования H и O в молекулах в H₂ и CO. Метод ГХ-ИК-МС был впервые предложен Мэтьюзом и Хейсом в конце 1970-х годов и впоследствии использовался для δC, δN, δS, δO (δ— изотопное отношение в образце относительно стандартного, выраженное в промилле ‰). В качестве газа-носителя используется гелий. Однако разделение сигнала DH (m/z=3) от хвоста He было проблематичным из-за его интенсивности. В начале 1990-х годов были предприняты интенсивные усилия по решению трудностей измерения δD методом ГХ/пиролиз-ИКМС. В 1999 году Хилькерт разработал надёжный метод, интегрировав высокотемпературное преобразование (ТП) в ГХ-ИКМС и добавив предварительный электростатический сектор и линзу замедления перед коллектором чашки с m/z=3. Этот метод ГХ/пиролиз-ИКМС, основанный на ТП, в настоящее время широко используется для измерения δD. Коммерческие продукты ГХ-ИКМС включают в себя как интерфейсы сжигания, так и пиролиза, что позволяет одновременно измерять δ C и δD.
Существенным преимуществом метода ГХ/пиролиза для измерения гидрофобности является возможность разделения различных соединений в образцах. Наименьший размер образца ~200 нг. Высокая точность 1-5 ‰. Но этот метод относительно медленный и ограничен образцами, которые могут быть использованы в системе ГХ.
Лазерная спектроскопия
Лазерная спектроскопия (, CRDS) позволяет непосредственно измерять изотопный состав H /H, O / O и O / O в воде или метане. О разработке CRDS впервые сообщили в 1988 году . Впервые лазерная спектроскопия для анализа изотопов водорода была использована в 1994 году. Измерили CHD/CH в атмосферном метане используя спектроскопию с перестраиваемым диодным лазером на основе соли свинца. В 1999 году Керстел успешно применил эту методику для определения HIC в воде.
Система состоит из лазера и резонатора, оснащённого зеркалами с высокой степенью отражения. Лазерный свет вводится в резонатор, где происходит резонанс за счёт конструктивной интерференции. Затем лазер выключается. Измеряется затухание интенсивности света. В присутствии образца воды фотопоглощение изотопологами воды подчиняется кинетическому закону . Оптический спектр получают путем регистрации времени затухания спектральных характеристик HO, представляющих интерес, при определённой длине волны лазера. Концентрация каждого изотополога пропорциональна площади под каждой измеренной спектральной характеристикой изотополога.
Лазерная спектроскопия может быть использована в полевых условиях для измерения состава проб воды. Можно одновременно определить H / H и O/O. Объем пробы— < 1 мкл для воды, точность— ~ 1 ‰. Однако этим прибором можно измерить только одно конкретное соединение. Присутствующие органические соединения (например, этанол) могут мешать.
SNIF-NMR H-специфическое фракционирование природных изотопов с помощью ядерного магнитного резонанса (H- ) —тип ЯМР, специализирующийся на измерении концентрации дейтерия в органических молекулах при естественном содержании изотопов. Спектры ЯМР позволяют различать атомы водорода в различных химических средах (например, порядок атомов углерода, с которыми связывается водород, соседние функциональные группы и даже геминальные положения метиленовых групп), что важно для . Химический сдвиг (в единицах частоты) дейтерия в 6,5 раз ниже, чем у протия. Для обеспечения достаточного разрешения для разделения пиков дейтерия используются приборы с высоким магнитным полем (~11,4 Тл) . Использование ЯМР для изучения изотопов водорода в природных продуктах было впервые предложено Жераром Мартином в 1980-х годах . Измерение D/H ЯМР иногда сочетается с измерением ИК-МС для создания эталонного стандарта. Чувствительность SNIF-ЯМР относительно низкая, обычно требуется ~1 ммоль образцов для каждого измерения. Точность по отношению к изотопному соотношению также низка по сравнению с масс-спектрометрией. Погрешность около 50-200 ‰ в зависимости от соединения. Этот метод позволяет различать только большие вариации D/H в законсервированных материалах. В 2007 году Филипп Лесо усовершенствовал этот метод с помощью двумерной ЯМР-спектроскопии, используя хиральные жидкие кристаллы (ХЖК) вместо изотропных растворителей для растворения органических молекул. Измерялись квадрупольные дублеты для каждого неэквивалентного атома дейтерия.
Основное применение H-SNIF-ЯМР — это определение источника происхождения, криминалистика и исследования биосинтетических путей . При измерении сахаров используется преобразование в этанол путем ферментации. Несколько исследований доказали, что изотопы водорода в метильных и метиленовых положениях образующегося этанола не зависят ни от скорости ферментации, ни от среды. Другой пример — исследование монотерпенов. С 1980-х годов исследование α-пинена методом SNIF-ЯМР выявило значительные вариации D/H в зависимости от его положения. Положение ex- С2 имеет сильное истощение (~-750 ‰), что противоречило принятому в то время биосинтетическому механизму (мевалонатному механизму) .
В соотношении D6 /D6 молекул глюкозы было обнаружено, что стереохимическое распределение дитетериума коррелирует с соотношением фотодыхания/фотосинтеза, которое определяется удобрением .
При исследовании длинноцепочечных жирных кислот было обнаружено, что чётные атомы водорода, которые, как считается происходят из положения C2 ацетильной группы, более обогащены дейтерием, чем нечётные атомы водорода, происходящие из положения C1 ацетильной группы . Было сообщено о сильном во время десатурации олеиновой кислоты в линолевую кислоту .
SNIF-ЯМР позволяет измерять и не разрушает образцы. Метод H SNIF-ЯМР хорош для промышленной идентификации источников и в криминалистике, а также в изучении биохимических процессов. Применение H SNIF-ЯМР в геологии носит спорадический характер и требует изучения.
Масс-спектрометрия изотопного отношения неповрежденных молекул Масс-спектрометрия, в частности (ГХ-МС) и газовая хроматография-времяпролётная (ГХ-ТОФ)—распространённые методы анализа . Этот метод основан на ионизации и анализе целой органической молекулы. Он не работает для изотопов водорода естественного содержания, поскольку обычные масс-спектрометры не обладают достаточной разрешающей способностью по массе для измерения изотопологов C/D целых органических молекул или молекулярных фрагментов с естественным содержанием. Для разрешения единственного пика изотополога с замещением D в любых углеводородах необходимо, по крайней мере, исключить единственный пик изотополога с замещением 13С, который находится на той же кардинальной массе, но на 0,0029 а. е.м легче и на порядки более распространён.
Новые приборы имеют ту же структуру, что и любые традиционные масс-спектрометры с ионным источником газа, но включают в себя новые функции, такие как больший магнитный сектор, двойные фокусирующие сектора, квадрупольный масс-фильтр и многоколлекторные устройства (Nu Panorama и Thermo Scientific 253 Ultra).