Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПРИМЕНЕНИЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В КОНТРОЛЕ ПРОИЗВОДСТВА 13С МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА

Бреева Н.В. 1
1 OОО «Химвэй Лимитед»
Препараты на основе тяжелого изотопа углерода 13 в настоящее время находят широкое применение для диагностики различных заболеваний и неинвазивных исследований. Одним из основных методов производства тяжелого изотопа углерода является низкотемпературная ректификация монооксида углерода. Смесь изотопов углерода с содержанием 13С 1,104 % ат. разделяют в каскаде ректификационных насадочных колонн. Процесс ректификации осуществляется в области криогенных температур (порядка 80 К) при давлении, близком к атмосферному (оптимальное давление 86,6 кПа). Cтатья посвящена масс-спектрометрическому анализу монооксида углерода изотопно обогащенного по 13С и 18О. Пренебрежение содержанием молекул 12С17О и 13С17О в обогащенном СО не приводит к существенным ошибкам при расчете концентраций 18О и 13С по данным масс-спектрометрического анализа. Расчет скорости гомомолекулярного изотопного обмена СО: 13С16О + 12С18О↔13С18О + 12С16О по отношению I30/I31, как это обычно делается в случае СО с меньшими концентрациями тяжелых изотопов, для сильно обогащенного СО может приводить к ошибочным результатам. Результаты исследования могут быть использованы при проведении научно-исследовательских работ для анализа изотопного состава углерода в виде СО и в производстве углерода 13 методом низкотемпературной ректификации.
масс-спектрометрический анализ СО
анализ изотопного состава углерода в виде СО
низкотемпературная ректификация монооксида углерода
1. Рапопорт С.А., Шубина Н.А. С-Дыхательный тест – возможности и ограничения в диагностике заболеваний органов пищеварения. М.: Медицинское информационное агентство, 2014. 240 с.
2. Плавник Р.Г., Невмержицкий В.И., Буторова Л.И., Плавник Т.Э. Сравнительная оценка масс-спектрометрии и инфракрасной спектрометрии при проведении 13С-уреазного дыхательного теста на helicobacter pylori // Клиническая медицина. 2015. № 9. Т. 23. С. 42–45.
3. Зельвенский Я.Д., Хорошилов А.В. Получение стабильных изотопов углерода криогенной ректификацией оксида углерода // Химическая промышленность.1999. № 4. С. 25–31.
4. Григорьев Г.Ю., Устинов А.Л. Медицинские изотопы: О-18, С-13, XE-129. М., 2009. 133 с.
5. Бреева Н.В. Реакция окисления СО и изотопный обмен в молекулах СО на диоксиде церия // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия. 2018. № 1. С. 28–36.

Углерод имеет два стабильных изотопа 12С и 13С, последний содержится в природном углероде в количестве 1,108 % ат. У углерода есть долгоживущий β-радиоактивный изотоп 14С, который используется как меченый атом (период полураспада 5568 лет). В связи с широким применением изотопных методов в медицине и биологии, потребность в стабильных изотопах углерода в последнее время неуклонно растет и измеряется десятками килограммов в год и более. Среди современных биомедицинских применений особо следует отметить использование меченых стабильным изотопом углерода 13С препаратов для целей неинвазивных (без вторжения в организм) исследований организма, в частности для диагностики и сопровождения терапии целого ряда гастроэнтерологических заболеваний с помощью дыхательных тестов [1; 2]. Этот подход активно развивается в настоящее время как альтернатива применению в медицинской диагностике радиоактивного изотопа углерода 14С. Метод введения препаратов 13С с последующим контролем изотопного состава выдыхаемого СО2 широко используется для диагностики Helicobacter Pilori при клинических исследованиях.

Из многочисленных соединений углерода практическое применение в качестве рабочего вещества для разделения изотопов углерода методом ректификации получил монооксид углерода СО. Нормальная температура кипения СО Ткип. = 81,61 К, температура плавления Тпл = 68,09 К, теплота испарения 6040 Дж/моль, плотность жидкости при нормальной температуре кипения 740 кг/м3 [3].

По Джонсону [3] для определения коэффициента разделения изотопов углерода при равновесии жидкость – пар α (в системе 12С 16О-13С16О) в интервале температуры 68,2–81,2 К можно пользоваться уравнением:

breev01.wmf (1)

Тяжелым изотопом 13С обогащается жидкая фаза. В качестве хладагента используется жидкий азот.

Присутствие в оксиде углерода молекул 13С16О и12С18О, менее летучих, чем 12С16С, и чрезвычайно малая в условиях криогенной ректификации скорость реакции изотопного обмена 13С16О + 12С18О↔13С18О + 12С16О вызывает разбавление нижнего продукта углеродом 12С, что не позволяет непосредственно получить ректификацией СО продукт с концентрацией 13С более 92 %. Для того чтобы добиться более высокой концентрации 13С и осуществить одновременно концентрирование по 13С и 18О, необходимо предварительно провести в соответствующих условиях указанную выше реакцию изотопного обмена, с получением наиболее летучей и наименее летучей форм СО. Однако в условиях ректификации эта реакция не протекает с достаточной скоростью.

Первая каскадная установка для получения изотопа 13С методом низкотемпературной ректификации СО была создана в 50-х годах в Англии. Установка работала с питанием 20 л/час СО и производила 0,42 г/сутки углерода с концентрацией 13С до 60–70 %. На расстоянии 0,35 м от нижнего конца второй колонны периодически отбиралось некоторое количество газа, путем термической диссоциации СО устанавливалось изотопное равновесие: 13С16О + 12С18О↔13С18О + 12С16О и затем смесь 13С18О, 12С16О подавалась обратно в колонну. Таким образом, искусственно было достигнуто обогащение 13С от 60 до 70 %.

Компанией Prochem (Англия) методом ректификации СО была получена концентрация 13С до 97,7 %. На колонне длиной 12,5 м и диаметром 19 мм в качестве исходного продукта использовали смесь следующего изотопного состава: 13С16О-90,4 %, 12С18О-6,2 %, 13С18О-0,5 %, 12С16О-2,9 %. В результате отбора было получено: 13С16О-92,4 %, 12С18О-2,1 %, 13С18О-5,36 %, 12С16О-0,14 %. Таким образом, за счет компонента 13С18О была увеличена концентрация 13С до 97,7 % [3].

В дальнейшем были созданы установки криогенной ректификации СО в США в Лос-Аламосе в 1969 г., большей производительности в 1979–1980 гг. там же, в СССР – НИИ стабильных изотопов [3].

В 2002 г. на площадке РНЦ «Курчатовский институт» был создан экспериментальный модуль получения углерода 13С методом криогенной ректификации СО. Модуль состоит из двух ступеней с высотой насадочного слоя около 39 м в каждой. В отборе первой ступени можно получить 13С с концентрацией 25–30 %, в отборе второй ступени можно получить до 92 % 13С. Начальное обогащение производилось лазерным методом [4].

Целью исследования являлась разработка лабораторной методики анализа изотопно обогащенного по углероду 13 и кислороду 18 монооксида углерода масс-спектрометрическим методом. Определение погрешностей анализа и устранение их влияния.

Материалы и методы исследования

Масс-спектрометрический изотопный анализ – это количественное определение содержания изотопов вещества в исследуемом объекте, являющемся специально подготовленным химическим соединением анализируемого элемента. Исследуемый образец при масс-спектрометрическом изотопном анализе – это газ (или пар легколетучей жидкости). Близость физико-химических свойств и потенциалов ионизации изотопов одного элемента предопределяет выбор методов ионизации, используемых в изотопном анализе. Практически для изотопного анализа газовых проб идеальным является электронный удар, для чего энергия ионизирующих электронов выбирается в диапазоне 70–100 эВ, что обеспечивает не только высокую эффективность, но и равную вероятность ионизации для всех изотопов элемента.

Источниками ошибок в масс-спектрометрическом анализе являются: фракционирование при натекании газа в ионный источник и откачке его диффузионными насосами, изотопные эффекты в ионном источнике, «вольт-эффект».

При изотопном анализе различие измеряемых ионных токов очень велико, что может приводить к существенным ошибкам. Причинами ошибок могут быть непостоянство сопротивления на входе усилителя, нестабильность полей, нелинейность усилителя измерительного прибора. К ошибкам приводит неполное разделение пиков ионного тока (недостаточная разрешающая способность прибора).

Результаты анализа могут быть сильно искажены за счет фона прибора. Введение поправок на фон осуществляется путем вычитания высоты пика фона из высоты соответствующего пика в масс-спектре анализируемого вещества.

К серьезным ошибкам может приводить загрязнение пробы веществами, массовые пики которых совпадают с пиками анализируемого соединения. Поэтому требуется проверка на содержание в пробе примесей и оценка их влияния на результаты анализа.

Возможны ошибки за счет уменьшения давления в системе напуска. Систематическую ошибку за счет падения давления, достигающую 1 %, можно исключить, многократно записывая спектр и соединяя на масс-спектрограмме основания и максимумы повторно снятых пиков, соответствующие одному и тому же времени.

В тех случаях, когда интересуются не абсолютной величиной отношения концентраций изотопов, а изменением этого отношения по сравнению со стандартом, многие из перечисленных выше ошибок автоматически устраняются. Относительная ошибка анализа в большинстве случаев не превышает 1 %.

Масс-спектр изотопно обогащенного СО приведен на рисунке.

breev1.tif

Масс-спектр изотопно обогащенного СО

При анализе изотопного состава углерода в СО по ионам с массовыми числами 28(12С16О), 29(13С16О и 12С18О), 30 (12С18О и 13С17О) и 31 (13С18О) следует учитывать, что пики 29 и 30 являются сложными. При равновероятностном распределении изотопных молекул масс-спектр СО можно записать следующим образом:

I28 = I(12C16O),

I29 = I(12C17O) + I(13C16O) = I(12C17O) + I28*x,

I30 = I(12C18O) + I(13C17O) = I(12C18O) + (I29 – I28*x),

I31 = I(13C18O) = [I30 – (I29 – I28*x)*x]*x,

где x = [13C]/[12C], I – интенсивности соответствующих ионных токов.

Величину х можно найти, решив уравнение:

I28*x3 – I29*x2 + I30*x – I31 = 0.

Обозначим I28 = a1, I29 = a2, I30 = a3, I31 = a4.

Если x < 1, то решение основано на следующих соотношениях:

breev02.wmf

breev03.wmf

breev04a.wmf

breev05.wmf

Если Q3 + R2 ≥ 0, то

breev06a.wmf

Если Q3 + R2 < 0, то

breev07.wmf

Определив x, легко разделить сложные пики I29 и I30 и рассчитать концентрации всех изотопных молекул СО.

Так как термодинамический изотопный эффект в реакции гомомолекулярного изотопного обмена СО отсутствует, то константа равновесия гомомолекулярного изотопного обмена равна отношению произведений чисел симметрии (σ) молекул исходных веществ и продуктов реакции: КГМИО = [σ(13C16O)*σ(12C18O)]/[σ(13C18O)*σ(12C16O)] = 1.

Поскольку при изотопном обмене между молекулами монооксида углерода атомные концентрации изотопов не меняются, на основании изотопно уравновешенного газа по масс-спектру исходного обогащенного тяжелыми изотопами СО можно рассчитать в последнем содержание различных изотопных молекул.

Результаты исследования и их обсуждение

Нами был проведен полный изотопный анализ обогащенного тяжелыми изотопами монооксида углерода. Анализ проводили на масс-спектрометре МИ1309. Данный прибор предназначен для периодического анализа изотопного состава газов, жидкостей и твердых веществ и относится к статическим приборам с геометрической фокусировкой.

Результаты анализа монооксида углерода приведены в табл. 1, из которой видно, что в обогащенном продукте содержатся в основном молекулы 13С16О (87,73 %) и 12С18О (9,7 %). Присутствие последних снижает максимально достижимую концентрацию изотопа 13С. Атомные концентрации тяжелых изотопов в обогащенном СО равны: [13C] = 0,8859, [17O] = 0,0027, [18O] = 0,1052.

Таблица 1

Молекулярный состав СО

Молекула

Молекулярная масса

СО природного изотопного состава

Обогащенный СО

С0

С∞

С∞-С0

1

12С16О

28

0,986534

0,0148

0,1018

+ 0,0870

2

13С16О

29

0,011053

0,8773

0,7903

–0,0870

3

12С17О

29

0,000370

0,0023

0,0003

–0,0020

4

29

0,011423

0,8796

0,7906

–0,0890

5

13С17О

30

0,000004

0,0004

0,0024

+ 0,0020

6

12С18О

30

0,002016

0,0970

0,0120

–0,0850

7

30

0,002020

0,0974

0,0144

–0,0830

8

13С18О

31

0,000023

0,0082

0,0932

+ 0,0850

Для получения 99 % по 13С монооксида углерода в модуле конечного концентрирования, необходимо предварительно провести изотопное уравновешивание по реакции:

13С16О + 12С18О↔13С18О + 12С16О (1)

в каталитическом реакторе изотопного обмена. В данной работе изотопное уравновешивание проводили статическим методом с принудительной циркуляцией газа на высокоактивном катализаторе НТК-10-2ФМ по методике, описанной в работе [5].

Параллельно с реакцией (1) идут реакции:

12С17О + 13С16О↔12С16О + 13С17О, (2)

12С18О + 13С17О↔12С17О + 13С18О. (3)

Пренебрежение содержанием молекул 12С17О и 13С17О в обогащенном СО не приводит к существенным ошибкам при расчете концентраций 18О и 13С по данным масс-спектрометрического анализа ([13С] = 0,8878, [18O] = 0,1056). Однако расчет скорости гомомолекулярного обмена СО реакции (1) по отношению к I30/I31, как это обычно делается в случае СО с меньшими концентрациями тяжелых изотопов, для сильно обогащенного СО может приводить к ошибочным результатам. При уравновешивании в результате одновременного протекания реакций (1)–(3) составляющие суммарного ионного тока массы 30 меняются в противоположном направлении: I(13C17O) увеличивается, I(12C18O) уменьшается, что приводит к существенному различию величин I30/I31 и [12C18O]/[13C18O] в уравновешенном газе (табл. 2).

Таблица 2

Влияние содержания 17О в СО на расчет отношений концентраций изотопных молекул СО по пикам ионного тока

Обогащенный СО

12C16O/13C16O

breev08.wmf

12C18O/13C18O

breev09.wmf

1

до уравновешивания

0,0169

0,0168

11,83

11,88

2

после уравновешивания

0,1288

0,1288

0,1288

0,1545

Одним из возможных источников ошибок в анализе СО может являться загрязнение анализируемой пробы воздухом из-за наложения пиков 14N2 и 14N15N на пики 12С16О и 13С16О и СО2, при ионизации которой образуются ионы СО+. Если количество примесей невелико, то зная распределение интенсивностей в масс-спектрах воздуха и СО2 при тех же условиях ионизации, можно ввести соответствующие поправки. Например, измерив высоту пика I32 можно рассчитать количество атмосферного азота в пробе:

%атм. азота = breev10.wmf

где

breev11.wmf

определяется из масс-спектра воздуха. Хотя содержание азота в воздухе в 4 раза больше содержания кислорода, неправильно считать, что К = 4, так как вероятность ионизации азота и кислорода различна. Отношение интенсивностей I28/I32 при анализе воздуха зависит также и от других факторов. Величину этого отношения необходимо определять экспериментально.

Заключение

В результате данного исследования была разработана лабораторная методика анализа изотопно обогащенного по углероду 13 и кислороду 18 монооксида углерода масс-спектрометрическим методом. Наличие изотопных молекул 12С17О и 13С17О в обогащенном СО не приводит к существенным ошибкам при расчете концентраций 18О и 13С. Значительную ошибку в результаты анализа может внести примесь атмосферного воздуха, попавшая в пробу. Если количество попавшей примеси атмосферного воздуха невелико, то можно сделать соответствующую поправку, внесение которой не оказывает влияние на показатель точности результатов определения углерода 13 и кислорода 18 в пробе.


Библиографическая ссылка

Бреева Н.В. ПРИМЕНЕНИЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В КОНТРОЛЕ ПРОИЗВОДСТВА 13С МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 3-2. – С. 122-126;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37080 (дата обращения: 24.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074