การเจือจางด้วยไอโซโทป หลักการและการประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์ทางเคมี

การเจือจางด้วยไอโซโทป (Isotope Dilution Analysis) เป็นวิธีการวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อหาปริมาณของสารที่ต้องการวิเคราะห์ (Analyte) โดยอาศัยการเติมสารมาตรฐานที่มีการเสริมสมรรถนะด้วยไอโซโทป (Isotopically enriched substance) ในปริมาณที่ทราบค่าแน่นอนลงในตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์

หลักการพื้นฐานคือ เมื่อสารมาตรฐานที่มีไอโซโทปเข้มข้นถูกผสมเข้ากับตัวอย่าง จะเกิดการ "เจือจาง" ความเข้มข้นของไอโซโทปนั้น ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของอัตราส่วนไอโซโทปนี้เองที่นำมาใช้ในการคำนวณหาปริมาณสารในตัวอย่าง วิธีนี้ถูกจัดเป็นการวิเคราะห์แบบใช้ มาตรฐานภายใน (Internal Standardisation) เนื่องจากสารมาตรฐานถูกเติมลงไปในตัวอย่างโดยตรง และแตกต่างจากวิธีวิเคราะห์ทั่วไปที่วัดจากความเข้มของสัญญาณ (Signal Intensity) แต่การเจือจางด้วยไอโซโทปจะใช้วัดจาก อัตราส่วนของสัญญาณ (Signal Ratios) ซึ่งทำให้วิธีนี้มีความแม่นยำสูงมากในทางมาตรวิทยา (Metrology)

ประวัติและความเป็นมา

รากฐานของการเจือจางด้วยไอโซโทปมาจาก วิธีเรดิโอเทรเซอร์ (Radiotracer method) ซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 โดย จอร์จ เดอ เฮเวซี (George de Hevesy) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1943

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ในยุคแรกเริ่ม เช่น การหาค่าการละลายของเลดซัลไฟด์ (Lead sulphide) และเลดโครเมต (Lead chromate) ในปี 1913 โดยจอร์จ เดอ เฮเวซี และฟรีดริช อดอล์ฟ พาเนท (Friedrich Adolf Paneth) ต่อมาในช่วงทศวรรษ 1930 เดวิด ริตเทนเบิร์ก (David Rittenberg) นักชีวเคมีชาวสหรัฐอเมริกา ได้บุกเบิกการนำวิธีนี้มาใช้ในทางชีวเคมี เพื่อศึกษาการเผาผลาญของเซลล์ (Cell metabolism) อย่างละเอียด

การเปรียบเทียบเชิงแนวคิด วิธีการทำเครื่องหมายและจับซ้ำ

เพื่อให้เข้าใจง่าย การเจือจางด้วยไอโซโทปมีลักษณะคล้ายกับ วิธีการทำเครื่องหมายและจับซ้ำ (Mark and Recapture method) ที่ใช้ในทางนิเวศวิทยาเพื่อประมาณจำนวนประชากรสัตว์

สมมติว่าต้องการหาจำนวนปลา (nA) ในทะเลสาบแห่งหนึ่ง โดยปลาท้องถิ่นเป็นสีน้ำเงิน นักนิเวศวิทยาเติมปลาสีเหลือง (nB = 5 ตัว) ลงไป เมื่อกลับมาจับปลาอีกครั้งและพบว่าอัตราส่วนปลาสีน้ำเงินต่อปลาสีเหลืองคือ 10:1 จะสามารถคำนวณจำนวนปลาท้องถิ่นได้ดังนี้:

ในทางห้องปฏิบัติการ สถานการณ์จะซับซ้อนกว่าเนื่องจากตัวอย่างอาจมีไอโซโทปทั้งสองชนิดอยู่แล้ว (ทั้งชนิดหลักและชนิดรอง) จึงต้องใช้สมการที่คำนึงถึงอัตราส่วนเริ่มต้นของทั้งในตัวอย่างและในสารมาตรฐาน ดังนี้:

การประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน

ปัจจุบันการเจือจางด้วยไอโซโทปมักใช้ร่วมกับ แมสสเปกโทรเมทรี (Mass Spectrometry) ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูงสุด เช่น:

• สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ: ใช้ในการผลิตวัสดุอ้างอิงรับรอง (Certified Reference Materials - CRMs)
• การวิเคราะห์ที่มีการสูญเสียสารสูง: ใช้ในกรณีที่การสกัดสาร (Recovery) ทำได้ต่ำ เนื่องจากสารมาตรฐานไอโซโทปจะสูญเสียไปพร้อมกับสารที่วิเคราะห์ในอัตราส่วนที่เท่ากัน ทำให้ผลลัพธ์ยังคงแม่นยำ
• การประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์: มีการใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีเพื่อประมาณปริมาตรของเลือดในร่างกาย

วิธีการเจือจางแบบเดี่ยว (Single Dilution Method)

ในการวิเคราะห์แบบเจือจางเดี่ยว จะใช้สารวิเคราะห์ธรรมชาติ (A) ที่รวยด้วยไอโซโทป iA และสารมาตรฐาน (B) ที่รวยด้วยไอโซโทป jA เมื่อผสมกันแล้วจะวัดอัตราส่วนไอโซโทปของส่วนผสม (RAB) ซึ่งสามารถนำมาคำนวณหาปริมาณสารในตัวอย่าง (nA) ได้จากสมการทางคณิตศาสตร์ที่พิจารณาค่าความอุดมสมบูรณ์ของไอโซโทป (Isotopic abundance)