Условия применимости метода

14.09.2012

Возможности применения метода могут быть лимитированы, прежде всего, действием некоторых специфических явлений, которые нарушают постулированную выше тождественность поведения изотопов - это изотопные и радиационные эффекты и явление изотопного обмена. В ряде случаев эти эффекты могут привести к заметным отклонениям от ожидаемого поведения, поэтому условия постановки эксперимента следует подбирать так, чтобы данные эффекты или отсутствовали, или проявились в пределах их естественных флуктуации.
Изотопными эффектами называются проявления различий в свойствах веществ, отличающихся только изотопным составом. Различие изотопов по массам, особенно там, где оно достаточно велико в относительном, а не абсолютном значении (т. е. для изотопов легких элементов и в составе небольших молекул), может сказаться на энергиях колебательных и вращательных движений атомов и молекул, а также на температуре фазовых переходов, плотности, давлении пара, диффузионной подвижности и др. Однако заметными изотопные эффекты становились в очень редких случаях, например при исследованиях легких Н-содержащих газов. Чаще наблюдается проявление кинетических изотопных эффектов, что выражается в различиях скоростей процессов и реакций, и которые вовлечены меченые и немеченые вещества (атомы с более высокой массой характеризуются меньшей подвижностью), однако и эти эффекты характерны лишь для сравнительно малых молекул. Отдельные сообщения о заметном проявлении изотопных эффектов в биохимических реакциях, например в процессах ассимиляции СО2, детально изучавшихся с применением радиоактивного 12С, на поверку оказывались следствием методических ошибок (артефактов).
Радиационные эффекты - влияние собственного радиоактивного излучения метки на изучаемые процессы (например, нарост и развитие экспериментальных растений) возможно лишь при введении в эксперимент чрезмерно большой активности, в чем, как правило, нет никакой надобности: индикаторные количества радиоактивного изотопа, необходимые для детектирования метки, не способны оказывать существенного радиационного воздействия. Однако иногда приходится сталкиваться с заметным действием радиоактивной метки на само исходное меченое вещество, которое способно привести к радиационному саморазложению веществ, особенно химически лабильных, в случае использования метки с максимально высокой удельной активностью.
Изотопный обмен - это проявление процессов самопроизвольного перераспределения изотопов данного элемента между его различными формами (атомными, ионными, молекулярными, фазовыми) при сохранении неизменным общего химического состояния вещества в системе. В отличие от изотопного и радиационного эффектов, наблюдаемых нечасто, проявления изотопного обмена довольно обычны в большинстве реальных условий. Изотопный обмен может происходить как в гомогенных (газы, растворы), так и в гетерогенных (почва, биологические ткани и др.) системах, механизмами обмена могут быть самые различные химические и физико-химические процессы, такие как диссоциация-ассоциация молекул (9.6), внутримолекулярные перегруппировки, обратимые химические реакции (9.7, 9.8), окислительно-восстановительные реакции, обмен электронами (9.9), растворение кристаллизация, испарение-конденсация, молекулярная диффузия и т. д.

Легко подвержены изотопному обмену неорганические вещества в формах, способных к диссоциации. В органических молекулах легко обмениваются изотопы водорода, но при условии наличия свободных электронных пар у элемента, с которым связан водород, т. е. в связях О-Н, S-H, Р-Н, N-Н3, но не в связях ОН, Si-H, В-Н, N-H4. Возможен обмен водородом в ароматических соединениях, при наличии π-электронных связей, но он практически нереален в алифатических цепях. Не проявляется также обмен у различных форм азотсодержащих веществ, таких как молекулярный азот, нитраты/нитриты, аммоний, азот аминокислот. В сложных молекулах обмен легче осуществляется на периферических атомах, чем на внутренних; в частности, отсутствуют механизмы изотопного обмена в норфиринах между центральными атомами Mg и Fe и свободными ионами Mg2+ и Fe3+ (в молекулах хлорофилла и гемоглобина).
Явления изотопного обмена в одних случаях облегчают выполнение эксперимента, в других же могут его значительно осложнить. Например, затруднительно изучать превращение меченого вещества А• в продукт В, если в изучаемой системе часть вещества А присутствует также в некоторой иной, возможно, скрытой форме - А', и обе эти формы вещества способны к изотопному обмену друг с другом

Метка от исходного вещества будет перераспределяться в обоих возможных направлениях, следовательно, оценки количества продукта или скорости его образования окажутся неточными, особенно если размеры общего обменного фонда по веществу А не поддаются учету.
Другие сложности применения метода изотопных индикаторов, помимо ограничений, вызванных тремя рассмотренными выше эффектами, зависят в основном от некоторых особенностей поведения изотопных веществ, особенно радиоактивных, обусловленных присутствием их в объекте (или в растворе) в ультрамикромалых концентрациях. В работе с растворами нередки случаи потери метки или другие помехи в основном от таких явлений, как адсорбция, соосаждение, образование радиоколлоидов. Существует множество способов для того, чтобы избежать нежелательных явлений такого рода. Один из таких способов - введение в систему дополнительного количества не радиоактивного носителя.