Изотопного разбавления метод

ИЗОТОПНОГО РАЗБАВЛЕНИЯ МЕТОД, метод количественного химического анализа, основанный на использовании стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Концентрацию определяемого химического элемента (или образуемых им соединений) находят пользуясь эталоном (изотопным индикатором, трассёром), в качестве которого выступает анализируемый элемент с искусственно смещённым изотопным составом. Впервые изотопного разбавления метод - с использованием радиоактивных изотопов - предложен в 1932 независимо Г. Хевеши и российским радиохимиком И. Е. Стариком.

При проведении анализа с использованием радиоизотопов к раствору с неизвестной массовой концентрацией определяемого химического элемента m_х добавляют известное количество эталонного раствора с концентрацией m₀ того же химическая элемента. Предварительно в эталонный раствор вводят очень малое (по сравнению с m₀) количество радиоизотопа исследуемого элемента и определяют удельную активность радиоизотопа (число распадов в единицу времени а₀, отнесённое к концентрации m₀): А₀ = а₀/m₀. Для достижения равномерного распределения радиоизотопа тщательно перемешивают смесь эталонного и анализируемого растворов; удельная активность радиоизотопа в полученной смеси: А_с =  а₀/(m₀ + m_х). Отбирают из смеси произвольное количество раствора с содержанием определяемого элемента m_у и находят удельную активность радиоизотопа: А_у = а_у/m_у. Полученное значение А_у равно значению А_с для смеси: а_у/m_у =  а₀/(m₀ + m_х). Отсюда А_у = А₀/( 1 + m_х/m₀) и m_х = m₀(А₀/А_у -1). Таким образом, определение концентрации исследуемого элемента сводится к измерению удельной активности двух растворов - эталонного и его смеси с анализируемым.

В другом варианте изотопного разбавления метод - с использованием стабильных изотопов - при определении концентрации химического элемента в качестве эталона применяют такой же элемент, но с искусственно максимально смещёнными соотношениями концентраций его стабильных изотопов (такие препараты производят промышленным способом). С помощью масс-спектрометра измеряют изотопный состав эталона и находят атомную долю какого-либо из изотопов b_i. Определяют изотопный состав элемента, концентрацию которого нужно оценить, и находят атомную долю выбранного изотопа a_i. Известное количество эталона β смешивают с неизвестным количеством Х определяемого элемента. Делают изотопный анализ элемента в смеси и находят в ней атомную долю выбранного изотопа ci. Число атомов изотопа в смеси равно b_iß + a_iX и одновременно c_i(Х + β). Уравнение b_iß + α_iХ = c_i(Х + β) позволяет вычислить концентрацию определяемого элемента: Х = ß(b_i-c_i)/(c_i-a_i).

Изотопного разбавления метод применим для анализа любого из элементов, состоящих из двух или более изотопов. Используется для определения малых количеств веществ (например, при изучении растворимости плохо растворимых веществ, определении элементов-примесей в полупроводниковых материалах), для исследования радиоактивных веществ, сложных смесей органических соединений (например, аминокислот, лекарственных средств) и пр.

Один из вариантов изотопного разбавления метода - нейтронно-активационный - используют в изотопной геологии для определения радиогенных изотопов ⁴⁰Ar (из ⁴⁰К), ^136-131Хе и ^86-83Kr (продукты спонтанного деления ²³⁸U), концентрация которых необходима для расчёта изотопного геологического возраста минералов. Исследуемый минерал облучают быстрыми (в случае калий-аргонового метода) или тепловыми (в случае уран-ксенонового метода) нейтронами, под действием которых в структуре минерала генерируются изотопы-трассёры: из ³⁹К - относительно долгоживущий ³⁹Ar, из ²³⁵U - стабильные изотопы Хе и Кr, но в иных, чем при спонтанном делении ²³⁸U, соотношениях. Применение этого метода не требует знания концентраций изотопов, достаточно знания изотопных соотношений, что значительно уменьшает погрешность анализа.

Все варианты изотопного разбавления метода сочетают очень высокую чувствительность (до 10-12 г для твёрдого вещества, 10-15 г для газов) с низкой погрешностью анализа (доли %) и позволяют проводить исследование без количественного выделения анализируемого объекта из смеси.

Лит.: Несмеянов А. Н. Радиохимия. 2-е изд. М., 1978; Фор Г. Основы изотопной геологии. М., 1989.