изотополог

В химии изотопологи — это молекулы , различающиеся только изотопным составом. ^[1] Они имеют одинаковую химическую формулу и расположение связей атомов , но по крайней мере один атом имеет другое количество нейтронов , чем родительский.

Примером является вода , родственные водороду изотопологи которой: «легкая вода» (HOH или H ₂ O ), « полутяжелая вода » с изотопом дейтерия в равной пропорции к протию (HDO или ¹ЧАС ²HO ), « тяжелая вода » с двумя изотопами дейтерия водорода на молекулу ( Д ₂ О или ²H ₂ O ) и «сверхтяжелая вода» или тритиевая вода ( Т ₂ О или ³H ₂ O , а также HTO [ ¹ЧАС ³ХО] и ДТО [ ²ЧАС ³HO] , где некоторые или все атомы водорода заменены радиоактивным изотопом трития ). Изотопологи воды, связанные с кислородом, включают общедоступную форму воды с тяжелым кислородом ( Ч ₂¹⁸O ) и более трудную для разделения версию с ¹⁷О изотоп. Оба элемента могут быть заменены изотопами, например, в дважды меченном изотопологе воды. D_Д2¹⁸О. Всего существует 9 различных стабильных изотопологов воды. ^[2] и 9 радиоактивных изотопологов, включающих тритий, ^[3] всего 18. Однако в смеси возможны только определенные соотношения из-за преобладающей замены водорода.

Атом(ы) другого изотопа могут находиться где угодно в молекуле, поэтому разница заключается в чистой химической формуле. Если в соединении имеется несколько атомов одного и того же элемента, любой из них может быть измененным, и это все равно будет тот же изотополог. При рассмотрении различных местоположений одного и того же изотопно-модифицированного элемента используется термин изотопомер , впервые предложенный Симаном и Пейном в 1992 году. ^[4]^[5] Изотопомерия аналогична конституционной изомерии различных элементов в структуре. В зависимости от формулы и симметрии структуры у одного изотополога может быть несколько изотопомеров. Например, этанол имеет молекулярную формулу С ₂ Н ₆ О . Монодейтерированный этанол, C ₂ H ₅ DO является его изотопологом. Структурные формулы СН ₃ -СН ₂ -О-Д и CH ₂ D-CH ₂ -O-H представляют собой два изотопомера этого изотополога.

Однозамещенные изотопологи

Приложения аналитической химии

Однозамещенные изотопологи могут использоваться в экспериментах по ядерному магнитному резонансу , где дейтерированные растворители, такие как дейтерированный хлороформ (CDCl ₃ ), не мешают растворенным веществам. ¹H-сигналы и в исследованиях кинетического изотопного эффекта .

Геохимические применения

В области геохимии стабильных изотопов изотопологи простых молекул, содержащих редкие тяжелые изотопы углерода, кислорода, водорода, азота и серы, используются для отслеживания равновесных и кинетических процессов в природных средах и в прошлом Земли .

Двузамещенные изотопологи

Измерение содержания слипшихся изотопов (дважды замещенных изотопологов) газов использовалось в области геохимии стабильных изотопов для отслеживания равновесных и кинетических процессов в среде, недоступной при анализе только однозамещенных изотопологов.

В настоящее время измеренные дважды замещенные изотопологи включают:

Углекислый газ : ^[6] ¹³С ¹⁸ТО ¹⁶ТО
Метан : ^[7] ¹³Ч ₃ Д ^[8]^[9] и ¹²Ч ₂ Д ₂
Кислород : ^[10] ¹⁸О ₂ и ¹⁷ТО ¹⁸ТО
Азот : ^[11] ¹⁵№ ₂
Закись азота : ¹⁴Н ¹⁵Н ¹⁸О и ¹⁵Н ¹⁴Н ¹⁸ТО ^[12]

Аналитические требования

Из-за относительной редкости тяжелых изотопов C, H и O масс-спектрометрия изотопного отношения (IRMS) дважды замещенных соединений требует больших объемов пробы газа и более длительного времени анализа, чем традиционные измерения стабильных изотопов, что требует чрезвычайно стабильного оборудования. . Кроме того, дваждызамещенные изотопологи часто подвергаются изобарным помехам, как в метановой системе, где ¹³CH_CH5⁺ и ¹²Ч ₃ Д ⁺ ионы мешают измерению ¹²Ч ₂ Д ₂⁺ и ¹³Ч ₃ Д ⁺ виды с массой 18. Измерение таких видов требует либо очень высокой разрешающей способности по массе, чтобы отделить одну изобару от другой, ^[13] или моделирование вклада мешающих видов в численность интересующих видов. Эти аналитические проблемы значительны: первая публикация, точно измеряющая двузамещенные изотопологи, появилась только в 2004 году, хотя измерения однозамещенных изотопологов проводились десятилетиями ранее. ^[14]

В качестве альтернативы более традиционным приборам IRMS с газовым источником, перестраиваемая диодная лазерная абсорбционная спектроскопия также стала методом измерения дважды замещенных частиц, свободных от изобарических помех, и была применена к изотопологу метана. ¹³Ч ₃ Д.

Равновесное фракционирование

При замене легкого изотопа тяжелым изотопом (например, ¹³С для ¹²C) связь между двумя атомами будет колебаться медленнее, тем самым снижая нулевую энергию связи и стабилизируя молекулу. ^[15] Таким образом, изотополог с дважды замещенной связью несколько более термодинамически стабилен, что приводит к более высокой распространенности дважды замещенных (или «слипшихся») частиц, чем предсказывает статистическое содержание каждого тяжелого изотопа (известное как стохастическое распределение изотопы). Этот эффект увеличивается по величине с понижением температуры, поэтому численность слипшихся частиц связана с температурой, при которой газ образовался или уравновесился. ^[16] Измеряя численность слипшихся частиц в стандартных газах, образующихся в равновесии при известных температурах, термометр можно откалибровать и применить к образцам с неизвестным содержанием.

Кинетическое фракционирование

На содержание многократно замещенных изотопологов также могут влиять кинетические процессы. Что касается однозамещенных изотопологов, отклонения от термодинамического равновесия в двузамещенных соединениях могут указывать на наличие конкретной реакции. Было показано, что фотохимия , происходящая в атмосфере, изменяет содержание ¹⁸O ₂ из равновесия, как и фотосинтез . ^[17] Измерения ¹³СН ₃ Д и ¹²CH ₂ D ₂ может идентифицировать микробную переработку метана и использовался для демонстрации значения квантового туннелирования в образовании метана, а также смешивания и уравновешивания нескольких резервуаров метана . Вариации относительного содержания двух изотопологов N ₂ O ¹⁴Н ¹⁵Н ¹⁸О и ¹⁵Н ¹⁴Н ¹⁸O может определить, был ли N ₂ O произведен бактериальной денитрификацией или бактериальной нитрификацией .

Множественные замещенные изотопологи

Биохимические применения

Множественные замещенные изотопологи могут использоваться для экспериментов по ядерному магнитному резонансу или масс-спектрометрии, где изотопологи используются для выяснения метаболических путей в качественном (обнаружение новых путей) или количественном (определение количественной доли пути) подходе. Популярным примером в биохимии является использование единообразно меченой глюкозы (U- ¹³C-глюкоза), которая метаболизируется исследуемым организмом (например, бактерией, растением или животным) и чьи признаки впоследствии могут быть обнаружены в вновь образованных аминокислотах или продуктах метаболического цикла.

Приложения масс-спектрометрии

Являющиеся результатом либо природных изотопов , либо искусственной изотопной маркировки , изотопологи могут использоваться в различных масс-спектрометрии приложениях .

Применение природных изотопологов

Относительная масс-спектральная интенсивность природных изотопологов, рассчитываемая по дробному содержанию составляющих элементов, используется специалистами по масс-спектрометрии при количественном анализе и идентификации неизвестных соединений:

Определить наиболее вероятные молекулярные формулы неизвестного соединения на основе соответствия между наблюдаемой картиной содержания изотопов в эксперименте и ожидаемой картиной содержания изотопов для данных молекулярных формул. ^[18]^[19]^[20]
Расширить диапазон линейного динамического отклика масс-спектрометра за счет отслеживания нескольких изотопологов, причем изотополог с более низким содержанием по-прежнему генерирует линейный отклик, даже если изотопологи с более высоким содержанием дают насыщенные сигналы. ^[21]^[22]

Применение изотопной маркировки

Соединение, помеченное заменой определенных атомов соответствующими изотопами, может облегчить использование следующих методов масс-спектрометрии:

Анализ метаболических потоков (MFA) ^[23]
Стабильные изотопно-меченные внутренние стандарты для количественного анализа ^[24]

См. также

Ссылки

^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (1994) « Изотополог ». дои : 10.1351/goldbook.I03351
^ Девять стабильных изотопологов Ч ₂¹⁶Ой , ЧАС ¹⁶ОТ , D_Д2¹⁶Ой , Ч ₂¹⁷Ой , ЧАС ¹⁷ОТ , D_Д2¹⁷Ой , Ч ₂¹⁸Ой , ЧАС ¹⁸ОТ , D_Д2¹⁸ТО
^ Девять тритиевых изотопологов ЧАС ¹⁶OT , Д ¹⁶OT , T_Т2¹⁶Ой , ЧАС ¹⁷OT , Д ¹⁷OT , T_Т2¹⁷Ой , ЧАС ¹⁸OT , Д ¹⁸OT , T_Т2¹⁸ТО
^ Симан, Джеффри И.; Секор, Генри В.; Дисселькамп, Р.; Бернштейн, ER (1992). «Конформационный анализ посредством селективного изотопного замещения: сверхзвуковая струйная спектроскопия определение минимальной энергетической конформации о-ксилола». Журнал Химического общества, Chemical Communications (9): 713. doi : 10.1039/C39920000713 .
^ Симан, Джеффри И.; Пейн, III, Джон Б. (7 декабря 1992 г.). «Письмо в редакцию: «Изотопомеры, изотопологи» » . Новости химии и техники . 70 (2). Американское химическое общество. doi : 10.1021/cen-v070n049.p002 . Проверено 28 августа 2020 г.
^ Гош, Просенджит и др. " ¹³С– ¹⁸O-связи в карбонатных минералах: новый вид палеотермометра». Geochimica et Cosmochimica Acta 70.6 (2006): 1439–1456.
^ Янг ЭД, Коль И.Э., Шервуд Лоллар Б., Этиопа Г., Рамбл Д. III, Ли С., Хагнегахдар М.А., Шойбле Э.А., Маккейн К.А., Фустукос Д.И., Сатклиф К., Уорр О., Баллентайн С.Дж., Онстотт Т.К. , Хосгормес Х., Нойбек А., Маркес Х.М., Перес-Родригес И., Роу А.Р., ЛаРоу Д.Э., Магнабоско К., Юнг Л.И., Эш Дж.Л. и Бриндзия Л.Т. (2017) «Относительное содержание разрешенных ¹²СН ₂ Д ₂ и ¹³CH ₃ D и механизмы, контролирующие порядок изотопных связей в абиотическом и биотическом газе метане». Geochimica et Cosmochimica Acta 203, 235–264.
^ Оно, Шухэй (2014). «Измерение дважды замещенного изотополога метана, ¹³CH ₃ D, методом перестраиваемой инфракрасной лазерной спектроскопии прямого поглощения». Аналитическая химия . 86 (13): 6487–6494. doi : 10.1021/ac5010579 . hdl : 1721.1/98875 . PMID 24895840 .
^ Столпер, Д.А.; Сешнс, Алабама; Феррейра, А.А.; Нето, Э.В. Сантос; Шиммельманн, А.; Шуста, СС; Валентин, ДЛ; Эйлер, Дж. М. (2014). «Комбинированный ¹³Слипание C–D и D–D в метане: методы и предварительные результаты». Geochim. Cosmochim. Acta . 126 : 169–191. Bibcode : 2014GeCoA.126..169S . doi : 10.1016/j.gca.2013.10.045 .
^ Юнг, Л.Ю.; Янг, ЭД; Шойбле, Е.А. (2012). «Измерения ¹⁸ТО ¹⁸О и ¹⁷ТО ¹⁸O в атмосфере и роль реакций изотопного обмена». Journal of Geophysical Research . 117 (D18): D18306. Bibcode : 2012JGRD..11718306Y . doi : 10.1029/2012JD017992 .
^ Янг, ЭД; Рамбл, Д. III; Фридман, П.; Миллс, М. (2016). «Масс-спектрометр соотношения изотопов с большим радиусом и высоким массовым разрешением для анализа редких изотопологов O ₂ , N ₂ , CH ₄ и других газов» . Международный журнал масс-спектрометрии . 401 : 1–10. Бибкод : 2016IJMSp.401....1Y . дои : 10.1016/j.ijms.2016.01.006 .
^ Мадьяр, П.М., Орфан, В.Дж., и Эйлер, Дж.М. (2016) Измерение редких изотопологов закиси азота с помощью многоколлекторной масс-спектрометрии высокого разрешения. Быстрая коммуникация. Масс-спектрометр., 30: 1923–1940.
^ Эйлер, Джон М.; и др. (2013). «Масс-спектрометр высокого разрешения изотопного соотношения газового источника». Международный журнал масс-спектрометрии . 335 : 45–56. Бибкод : 2013IJMSp.335...45E . дои : 10.1016/j.ijms.2012.10.014 .
^ Эйлер, Дж. М.; Шойбле, Э. (2004). " ¹⁸ТО ¹³С ¹⁶Или в атмосфере Земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 68 (23): 4767–4777. Bibcode : 2004GeCoA..68.4767E . doi : 10.1016/j.gca.2004.05.035 .
^ Юри, Х.К., 1947. Термодинамические свойства изотопных веществ. Дж. Хим. Соц. Лондон 1947, 561–581.
^ Ван, З.; Шойбле, Э.А.; Эйлер, Дж. М. (2004). «Равновесная термодинамика многозамещенных изотопологов молекулярных газов». Геохим. Космохим. Акта . 68 (23): 4779–4797. Бибкод : 2004GeCoA..68.4779W . дои : 10.1016/j.gca.2004.05.039 .
^ Юнг, Л.Ю.; Эш, Дж.Л.; Янг, ЭД (2015). «Биологические признаки в слипшихся изотопах O ₂ » . Наука . 348 (6233): 431–434. Бибкод : 2015Sci...348..431Y . дои : 10.1126/science.aaa6284 . ПМИД 25908819 .
^ Бёккер, С. (2009). «СИРИУС: Разложение изотопных структур для идентификации метаболитов» . Биоинформатика . 25 (2): 218–224. doi : 10.1093/биоинформатика/btn603 . ПМК 2639009 . ПМИД 19015140 .
^ Ван, Юндон (2010). «Концепция спектральной точности для МС». Анальный. Хим . 82 (17): 7055–7062. дои : 10.1021/ac100888b . ПМИД 20684651 .
^ Блюк, Лес. «Роль встречающихся в природе стабильных изотопов в масс-спектрометрии, Часть I: Теория». Спектроскопия . 23 (10): 36. ПМИД 23772100 .
^ Лю, Ханхуэй (2011). «Расширение линейного динамического диапазона для мониторинга множественных реакций в количественной жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии с использованием естественных изотопологических переходов». Таланта . 87 : 307–310. дои : 10.1016/j.talanta.2011.09.063 .
^ Бах, Тхань (2022). «Важность использования естественных изотопологических переходов в расширении линейного динамического диапазона анализа ЖХ-МС/МС для анализа фармакокинетических образцов малых молекул - мини-обзор» . Журнал фармацевтических наук . 111 (5): 1245–1249. дои : 10.1016/j.xphs.2021.12.012 . ПМК 9018470 . ПМИД 34919967 .
^ Ван, Юджуэ (2020). «Анализ метаболических потоков, связывающий маркировку изотопов и метаболические потоки» . Метаболиты . 10 (11): 447. doi : 10.3390/metabo10110447 . ПМЦ 7694648 . ПМИД 33172051 .
^ Стоквис, Эллен (2005). «Стабильные меченные изотопами внутренние стандарты в количественном биоанализе с использованием жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии: необходимость или нет?». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 19 (3): 401–407. дои : 10.1002/rcm.1790 . ПМИД 15645520 .

Внешние ссылки

Дробное содержание атмосферных изотопологов , SpectralCalc.com

[1] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (1994) « Изотополог ». дои : 10.1351/goldbook.I03351

[2] Девять стабильных изотопологов Ч ₂¹⁶Ой , ЧАС ¹⁶ОТ , D_Д2¹⁶Ой , Ч ₂¹⁷Ой , ЧАС ¹⁷ОТ , D_Д2¹⁷Ой , Ч ₂¹⁸Ой , ЧАС ¹⁸ОТ , D_Д2¹⁸ТО

[3] Девять тритиевых изотопологов ЧАС ¹⁶OT , Д ¹⁶OT , T_Т2¹⁶Ой , ЧАС ¹⁷OT , Д ¹⁷OT , T_Т2¹⁷Ой , ЧАС ¹⁸OT , Д ¹⁸OT , T_Т2¹⁸ТО

[Seeman-4] Симан, Джеффри И.; Секор, Генри В.; Дисселькамп, Р.; Бернштейн, ER (1992). «Конформационный анализ посредством селективного изотопного замещения: сверхзвуковая струйная спектроскопия определение минимальной энергетической конформации о-ксилола». Журнал Химического общества, Chemical Communications (9): 713. doi : 10.1039/C39920000713 .

[5] Симан, Джеффри И.; Пейн, III, Джон Б. (7 декабря 1992 г.). «Письмо в редакцию: «Изотопомеры, изотопологи» » . Новости химии и техники . 70 (2). Американское химическое общество. doi : 10.1021/cen-v070n049.p002 . Проверено 28 августа 2020 г.

[6] Гош, Просенджит и др. " ¹³С– ¹⁸O-связи в карбонатных минералах: новый вид палеотермометра». Geochimica et Cosmochimica Acta 70.6 (2006): 1439–1456.

[7] Янг ЭД, Коль И.Э., Шервуд Лоллар Б., Этиопа Г., Рамбл Д. III, Ли С., Хагнегахдар М.А., Шойбле Э.А., Маккейн К.А., Фустукос Д.И., Сатклиф К., Уорр О., Баллентайн С.Дж., Онстотт Т.К. , Хосгормес Х., Нойбек А., Маркес Х.М., Перес-Родригес И., Роу А.Р., ЛаРоу Д.Э., Магнабоско К., Юнг Л.И., Эш Дж.Л. и Бриндзия Л.Т. (2017) «Относительное содержание разрешенных ¹²СН ₂ Д ₂ и ¹³CH ₃ D и механизмы, контролирующие порядок изотопных связей в абиотическом и биотическом газе метане». Geochimica et Cosmochimica Acta 203, 235–264.

[8] Оно, Шухэй (2014). «Измерение дважды замещенного изотополога метана, ¹³CH ₃ D, методом перестраиваемой инфракрасной лазерной спектроскопии прямого поглощения». Аналитическая химия . 86 (13): 6487–6494. doi : 10.1021/ac5010579 . hdl : 1721.1/98875 . PMID 24895840 .

[9] Столпер, Д.А.; Сешнс, Алабама; Феррейра, А.А.; Нето, Э.В. Сантос; Шиммельманн, А.; Шуста, СС; Валентин, ДЛ; Эйлер, Дж. М. (2014). «Комбинированный ¹³Слипание C–D и D–D в метане: методы и предварительные результаты». Geochim. Cosmochim. Acta . 126 : 169–191. Bibcode : 2014GeCoA.126..169S . doi : 10.1016/j.gca.2013.10.045 .

[10] Юнг, Л.Ю.; Янг, ЭД; Шойбле, Е.А. (2012). «Измерения ¹⁸ТО ¹⁸О и ¹⁷ТО ¹⁸O в атмосфере и роль реакций изотопного обмена». Journal of Geophysical Research . 117 (D18): D18306. Bibcode : 2012JGRD..11718306Y . doi : 10.1029/2012JD017992 .

[11] Янг, ЭД; Рамбл, Д. III; Фридман, П.; Миллс, М. (2016). «Масс-спектрометр соотношения изотопов с большим радиусом и высоким массовым разрешением для анализа редких изотопологов O ₂ , N ₂ , CH ₄ и других газов» . Международный журнал масс-спектрометрии . 401 : 1–10. Бибкод : 2016IJMSp.401....1Y . дои : 10.1016/j.ijms.2016.01.006 .

[12] Мадьяр, П.М., Орфан, В.Дж., и Эйлер, Дж.М. (2016) Измерение редких изотопологов закиси азота с помощью многоколлекторной масс-спектрометрии высокого разрешения. Быстрая коммуникация. Масс-спектрометр., 30: 1923–1940.

[13] Эйлер, Джон М.; и др. (2013). «Масс-спектрометр высокого разрешения изотопного соотношения газового источника». Международный журнал масс-спектрометрии . 335 : 45–56. Бибкод : 2013IJMSp.335...45E . дои : 10.1016/j.ijms.2012.10.014 .

[14] Эйлер, Дж. М.; Шойбле, Э. (2004). " ¹⁸ТО ¹³С ¹⁶Или в атмосфере Земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 68 (23): 4767–4777. Bibcode : 2004GeCoA..68.4767E . doi : 10.1016/j.gca.2004.05.035 .

[15] Юри, Х.К., 1947. Термодинамические свойства изотопных веществ. Дж. Хим. Соц. Лондон 1947, 561–581.

[16] Ван, З.; Шойбле, Э.А.; Эйлер, Дж. М. (2004). «Равновесная термодинамика многозамещенных изотопологов молекулярных газов». Геохим. Космохим. Акта . 68 (23): 4779–4797. Бибкод : 2004GeCoA..68.4779W . дои : 10.1016/j.gca.2004.05.039 .

[17] Юнг, Л.Ю.; Эш, Дж.Л.; Янг, ЭД (2015). «Биологические признаки в слипшихся изотопах O ₂ » . Наука . 348 (6233): 431–434. Бибкод : 2015Sci...348..431Y . дои : 10.1126/science.aaa6284 . ПМИД 25908819 .

[18] Бёккер, С. (2009). «СИРИУС: Разложение изотопных структур для идентификации метаболитов» . Биоинформатика . 25 (2): 218–224. doi : 10.1093/биоинформатика/btn603 . ПМК 2639009 . ПМИД 19015140 .

[19] Ван, Юндон (2010). «Концепция спектральной точности для МС». Анальный. Хим . 82 (17): 7055–7062. дои : 10.1021/ac100888b . ПМИД 20684651 .

[20] Блюк, Лес. «Роль встречающихся в природе стабильных изотопов в масс-спектрометрии, Часть I: Теория». Спектроскопия . 23 (10): 36. ПМИД 23772100 .

[21] Лю, Ханхуэй (2011). «Расширение линейного динамического диапазона для мониторинга множественных реакций в количественной жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии с использованием естественных изотопологических переходов». Таланта . 87 : 307–310. дои : 10.1016/j.talanta.2011.09.063 .

[22] Бах, Тхань (2022). «Важность использования естественных изотопологических переходов в расширении линейного динамического диапазона анализа ЖХ-МС/МС для анализа фармакокинетических образцов малых молекул - мини-обзор» . Журнал фармацевтических наук . 111 (5): 1245–1249. дои : 10.1016/j.xphs.2021.12.012 . ПМК 9018470 . ПМИД 34919967 .

[23] Ван, Юджуэ (2020). «Анализ метаболических потоков, связывающий маркировку изотопов и метаболические потоки» . Метаболиты . 10 (11): 447. doi : 10.3390/metabo10110447 . ПМЦ 7694648 . ПМИД 33172051 .

[24] Стоквис, Эллен (2005). «Стабильные меченные изотопами внутренние стандарты в количественном биоанализе с использованием жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии: необходимость или нет?». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 19 (3): 401–407. дои : 10.1002/rcm.1790 . ПМИД 15645520 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]