En química , los isotopólogos son moléculas que se diferencian únicamente en su composición isotópica . [1] Tienen la misma fórmula química y disposición de enlace de los átomos , pero al menos un átomo tiene un número diferente de neutrones que el padre.
Un ejemplo es el agua , cuyos isótopos relacionados con el hidrógeno son: "agua ligera" (HOH o H 2 O ), " agua semipesada " con el isótopo de deuterio en igual proporción que el protio (HDO o 1 H 2 HO ), " agua pesada " agua " con dos isótopos de deuterio de hidrógeno por molécula ( D 2 O o 2 H 2 O ), y " agua superpesada " o agua tritiada ( T 2 O o 3 H 2 O , así como HTO [ 1 H 3 HO ] y DTO [ 2 H 3 HO] , donde algunos o todos los átomos de hidrógeno se reemplazan con el isótopo radiactivo de tritio ). Los isotopólogos del agua relacionados con el oxígeno incluyen la forma comúnmente disponible de agua con oxígeno pesado ( H 2 18 O ) y la versión más difícil de separar con el isótopo 17 O. Ambos elementos pueden ser reemplazados por isótopos, por ejemplo en el isotopólogo del agua doblemente marcado D 2 18 O . En conjunto, hay 9 isotopólogos de agua estables diferentes, [2] y 9 isotopólogos radiactivos que involucran tritio, [3] para un total de 18. Sin embargo, solo ciertas proporciones son posibles en la mezcla, debido al intercambio predominante de hidrógeno.
Los átomos de los diferentes isótopos pueden estar en cualquier parte de una molécula, por lo que la diferencia está en la fórmula química neta. Si un compuesto tiene varios átomos del mismo elemento, cualquiera de ellos podría ser el alterado, y seguiría siendo el mismo isotopólogo. Cuando se consideran las diferentes ubicaciones de un mismo elemento isotópicamente modificado, se utiliza el término isotopómero , propuesto por primera vez por Seeman y Paine en 1992. [4] [5] La isotopomería es análoga a la isomería constitucional de diferentes elementos en una estructura. Dependiendo de la fórmula y de la simetría de la estructura, puede haber varios isotopómeros de un isotopólogo. Por ejemplo, el etanol tiene la fórmula molecular C 2 H 6 O . El etanol monodeuterado, C 2 H 5 DO , es un isotopólogo del mismo. Las fórmulas estructurales CH 3 −CH 2 −O−D y CH 2 D −CH 2 −O−H son dos isotopómeros de ese isotopólogo.
Los isotopólogos simplemente sustituidos pueden usarse para experimentos de resonancia magnética nuclear , donde los solventes deuterados como el cloroformo deuterado (CDCl 3 ) no interfieren con las señales de 1 H de los solutos, y en investigaciones del efecto isotópico cinético .
En el campo de la geoquímica de isótopos estables , los isotopólogos de moléculas simples que contienen isótopos pesados raros de carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre se utilizan para rastrear el equilibrio y los procesos cinéticos en entornos naturales y en el pasado de la Tierra .
La medición de la abundancia de isótopos agrupados (isotopólogos doblemente sustituidos) de gases se ha utilizado en el campo de la geoquímica de isótopos estables para rastrear el equilibrio y los procesos cinéticos en el entorno inaccesible mediante el análisis de isotopólogos simplemente sustituidos.
Los isotopólogos doblemente sustituidos medidos actualmente incluyen:
Debido a la relativa rareza de los isótopos pesados de C, H y O, la espectrometría de masas de relación isotópica (IRMS) de especies doblemente sustituidas requiere mayores volúmenes de gas de muestra y tiempos de análisis más prolongados que las mediciones tradicionales de isótopos estables, por lo que requiere instrumentación extremadamente estable. . Además, los isotopólogos doblemente sustituidos a menudo están sujetos a interferencias isobáricas, como en el sistema de metano donde los iones 13 CH 5 + y 12 CH 3 D + interfieren con la medición de las especies 12 CH 2 D 2 + y 13 CH 3 D +. con una masa de 18. Una medición de tales especies requiere un poder de resolución de masas muy alto para separar una isobara de otra, [13] o un modelado de las contribuciones de las especies que interfieren a la abundancia de las especies de interés. Estos desafíos analíticos son importantes: la primera publicación que midió con precisión los isotopólogos doblemente sustituidos no apareció hasta 2004, aunque los isotopólogos simplemente sustituidos se habían medido durante décadas antes. [14]
Como alternativa a los instrumentos IRMS de fuente de gas más convencionales, la espectroscopia de absorción con láser de diodo sintonizable también ha surgido como un método para medir especies doblemente sustituidas libres de interferencias isobáricas, y se ha aplicado al isotopólogo del metano 13 CH 3 D.
Cuando un isótopo ligero se reemplaza por un isótopo pesado (p. ej., 13 C por 12 C), el enlace entre los dos átomos vibrará más lentamente, reduciendo así la energía de punto cero del enlace y actuando para estabilizar la molécula. [15] Por lo tanto, un isotopólogo con un enlace doblemente sustituido es ligeramente más estable termodinámicamente, lo que tenderá a producir una mayor abundancia de especies doblemente sustituidas (o "agrupadas") que la predicha por la abundancia estadística de cada isótopo pesado (conocido como enlace). distribución estocástica de isótopos). Este efecto aumenta en magnitud al disminuir la temperatura, por lo que la abundancia de las especies agrupadas está relacionada con la temperatura a la que se formó o se equilibró el gas. [16] Al medir la abundancia de las especies agrupadas en gases estándar formados en equilibrio a temperaturas conocidas, el termómetro se puede calibrar y aplicar a muestras con abundancias desconocidas.
La abundancia de isotopólogos múltiplemente sustituidos también puede verse afectada por procesos cinéticos. En cuanto a los isotopólogos simplemente sustituidos, las desviaciones del equilibrio termodinámico en una especie doblemente sustituida pueden implicar la presencia de una reacción particular. Se ha demostrado que la fotoquímica que ocurre en la atmósfera altera la abundancia de 18 O 2 desde el equilibrio, al igual que la fotosíntesis . [17] Las mediciones de 13 CH 3 D y 12 CH 2 D 2 pueden identificar el procesamiento microbiano del metano y se han utilizado para demostrar la importancia de los túneles cuánticos en la formación de metano, así como la mezcla y el equilibrio de múltiples depósitos de metano . Las variaciones en las abundancias relativas de los dos isotopólogos de N 2 O 14 N 15 N 18 O y 15 N 14 N 18 O pueden distinguir si el N 2 O ha sido producido por desnitrificación bacteriana o por nitrificación bacteriana .
Se pueden utilizar múltiples isotopólogos sustituidos para experimentos de resonancia magnética nuclear o espectrometría de masas, donde los isotopólogos se utilizan para dilucidar rutas metabólicas en un enfoque cualitativo (detectar nuevas rutas) o cuantitativo (detectar una parte cuantitativa de una ruta). Un ejemplo popular en bioquímica es el uso de glucosa uniformemente marcada (glucosa U- 13 C), que es metabolizada por el organismo bajo investigación (por ejemplo, bacteria, planta o animal) y cuyas firmas pueden detectarse más tarde en aminoácidos recién formados o productos ciclado metabólicamente.
Como resultado de isótopos naturales o del marcaje isotópico artificial , los isotopólogos se pueden utilizar en diversas aplicaciones de espectrometría de masas .
La intensidad espectral de masas relativa de los isotopólogos naturales, calculable a partir de las abundancias fraccionarias de los elementos constituyentes, es explotada por los profesionales de la espectrometría de masas en análisis cuantitativos e identificación de compuestos desconocidos:
Un compuesto etiquetado reemplazando átomos específicos con los isótopos correspondientes puede facilitar los siguientes métodos de espectrometría de masas: