Co nám prozradí analýza izotopových poměrů

Znáte původ svého vína, medu nebo sýra? Nepodvedl vás prodejce? Jaké informace o změnách klimatu mohou být uloženy ve vzorku antarktického ledu? Tyto i další podobné otázky nám pomáhá zodpovědět analýza izotopových poměrů – fascinující nástroj, který spojuje chemii, biologii a geologické vědy a který nyní zažívá revoluci díky hmotnostní spektrometrii ESI-Orbitrap.

Izotopy prvků nejsou jen čísla v periodické tabulce; jsou klíčem k příběhům, které nám molekuly mohou vyprávět. Analýza stabilních izotopů se již dlouhá léta používá například k určování geografického původu potravin, odhalování falšování výrobků nebo studiu historických změn klimatu. Využíváme k tomu informace o poměrech stabilních izotopů prvků v molekulách – hovoříme o tzv. izotopokulách, izotopicky substituovaných molekulách.

Tento obor, který propojuje chemii s paleovědami, forenzní vědou, biologií, geologií nebo třeba potravinářstvím, byl donedávna pevně svázán s jednou zásadní analytickou technologií – hmotnostní spektrometrií izotopových poměrů (IRMS, isotope ratio mass spectrometry).¹⁾ Tradiční přístupy využívající IRMS se však neobejdou bez rozkladu zkoumaných vzorků na jednoduché plyny a vyžadují složitou přípravu. Chceme-li například zjistit, zda je láhev tequily, kterou jsme dostali pod vánoční stromeček, skutečně originál, musíme nejprve přeměnit uhlík v molekulách etanolu na oxid uhličitý (CO₂) a analyzovat teprve ten. Pokud chceme určit zdroj znečištění dusičnany (NO₃⁻) ve vzorcích vody ze studny na chalupě, musíme nejprve vodou nakrmit denitrifikační bakterie, které dusičnan využijí jako zdroj energie a vrátí nám jeho atomy zpátky ve formě oxidu dusného, N₂O. Získané plyny jsou následně analyzovány pomocí již zmiňované IRMS, případně laserové spektroskopie (TDLAS, tunable diode laser absorption spectroscopy).

Schéma principu fungování hmotnostní spektrometrie ESI-Orbitrap. Analyt ve vzorku je nejprve ionizován pomocí elektrosprejové ionizace. Pomocí kvadrupólového hmotnostního filtru vybereme oblast poměru hmotnosti a náboje molekul m/z, kde leží námi studovaný analyt a jeho izotopokuly. V iontové pasti se nashromáždí potřebný počet iontů, které jsou poté poslány do Orbitrapu na hmotnostní analýzu. Získaný signál (indukovaný elektrický proud) je zpracován pomocí Fourierovy transformace a převeden na hmotnostní spektrum.

Schéma Kristýna Lapčíková

Co kdybychom ale mohli měřit izotopy přímo v původních molekulách? Bez nutnosti rozkladu na plyny a bez ztráty původní informace o tom, jak jsou izotopy v rámci molekul rozloženy? Právě tuto možnost nyní přináší technologie hmotnostní spektrometrie ESI-Orbitrap.