Метод изотопной масс-спектрометрии для идентификации алкогольных напитков опробован достаточно давно. Ещё в 80-е годы прошлого века этим методом японские специалисты определяли подлинность саке. В те же годы IRMS начали использовать для экспертизы вин, спиртов и соков. Во Франции уже более десяти лет производители дорогих марочных вин, опираясь на этот метод, защищают свою продукцию от подделок.

На изотопный состав кислорода и особенно водорода в винах влияет время сбора винограда, а по изотопам углерода выявляют в вине примеси спиртов, полученных из кукурузы и сахарного тростника. Уже 30 лет назад было известно, что изотопный состав синтетического спирта (получаемого гидролизом этилена) очень сильно отличается от изотопного состава спиртов, получаемых брожением, что позволяет безошибочно их различать.

В состав воды может входить шесть изотопов: три изотопа водорода и три — кислорода. Из них радиоактивен только тритий, содержание которого в природе крайне мало. В состав этилового спирта помимо кислорода и водорода входит также углерод, представленный двумя стабильными и одним радиоактивным изотопом.

В изотопном анализе природных объектов, как правило, рассматривают отношения 2D/1H (где 2D — тяжёлый изотоп водорода дейтерий), 180/160 и 13С/12С. На практике вместо самих отношений удобнее использовать величины изотопных сдвигов, которые измеряют в промилле (один промилле — одна тысячная доля, или 0,1 процента, обозначается %о) и рассчитывают как отношение разницы концентраций изотопа в объекте и стандарте к концентрации его в стандарте (например, для водорода и кислорода используют Венский стандарт океанической воды VSMOW). Изотопные сдвиги водорода, кислорода и углерода обозначают соответственно как бН, 60 и бС.

Кукуруза – не чета пшенице

Но каким же образом формируются различия в составе природных объектов?

Состав водных природных объектов зависит от удаленности морей и океанов и рельефа местности. На рисунке показано фракционирование изотопов водорода в атмосферном водяном цикле

Соотношение стабильных изотопов лёгких элементов (в первую очередь водорода, углерода и кислорода) у объектов природного происхождения зависит от места его нахождения, климата, особенностей биохимических процессов, протекающих в растениях и бактериях, и техногенных процессов. Пример техногенного влияния — изменение изотопного состава окружающей среды (воздуха, почвы, растений и т.д.) при сжигании ископаемого топлива.

Географический фактор связан в первую очередь с удалённостью региона, где формируется природный объект, от морей и океанов. Так, в центральных областях континентов водные источники содержат, как правило, меньшие количества тяжёлых изотопов, чем в прибрежных морских районах. Большое влияние на изотопный состав природных вод оказывает рельеф местности. Склоны высоких горных хребтов служат барьерами, на которых многократно осаждается и вновь испаряется вода, переносимая в виде дождя или снега.

Биохимическое воздействие в основном обусловлено различиями в механизме фотосинтеза у разных типов растений и бактерий, а именно особенностями механизма усвоения углекислого газа и воды в ходе биосинтеза. Одна из реакций процесса усвоения углекислого газа и воды протекает при участии фермента RuBisCO (рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа), который обладает избирательностью по отношению к изотопу углерода 12С. Для так называемых С3-растений основа накопления органической массы — пентозофосфатный цикл Кальвина, в котором образуется фосфоглицериновая кислота, содержащая цепочку из трёх атомов углерода. Высокие абсолютные величины углеродных изотопных сдвигов в С3-растениях связаны как раз с изотопной селективностью фермента RuBisCO. К С3-типу относят большинство диких и культурных растений, произрастающих в Средней полосе России, в том числе рис, пшеницу, рожь, ячмень, картофель, свёклу, виноград, яблоню, а также цитрусовые.

С4-растения предварительно связывают углекислый газ в четырёхуглеродные молекулы щавелево-уксусной кислоты в клетках, не содержащих фермент RuBisCO. Затем образуются молекулы яблочной либо аспарагиновой кислоты. Они транспортируются в клетки сосудов и их тканей, по которым доставляются вода и питательные вещества в растении. В этих клетках осуществляется тот же цикл Кальвина и производятся органические вещества. Эта схема фотосинтеза более эффективна и производительна, однако требует большего количества солнечной энергии. Ферменты, участвующие в реакциях связывания углекислого газа у С4-растений, обладают существенно меньшей изотопной селективностью, чем RuBisCO, поэтому продукты реакций характеризуются меньшими величинами изотопных сдвигов. Эта разница позволяет легко отличить их от биомассы С3-растений. К растениям С4-типа относят кукурузу, сахарный тростник, сахарное сорго, просо, амарантовые, баклажаны, некоторые сорняки.

Третья группа — так называемые САМ-растения (от английского Crassulacean acid metabolism — «метаболизм кислот по типу толстянковых»). Эти растения накапливают углекислый газ ночью по С4-механизму, после чего днём в процессе фотосинтеза расходуют его на синтез органических веществ по циклу Кальвина в тех же самых клетках (в отличие от С4-растений). САМ-фотосинтез происходит у суккулентов — растений, имеющих специальные ткани для запаса воды (агавы, кактусов и др.), а также у ананаса и некоторых других, в первую очередь пустынных и тропических растений. Величины изотопных сдвигов накопленного ими органического вещества находятся между значениями, характерными для С3- и С4-типов растений.

Определёнными изотопными эффектами сопровождают процессы диффузии углекислого газа и воды через устьица листьев и другие органы растений, а также процессы испарения воды с поверхности клеточных мембран растения и брожения (ферментативного окисления). Если величина 6С в первую очередь определяется механизмом фотосинтеза растений-продуцентов, то на величины 60 и особенно 6Н значительно влияют условия произрастания —температура и влажность. Все эти факторы в совокупности создают в органическом продукте «отпечаток пальца» — индивидуальную информацию о его изотопном составе, который практически невозможно сфальсифицировать.

Вот только один пример. В 1996 году геофизик Тур Стерлинг из университета штата Юта (США) провёл любопытный эксперимент. Работая в Монголии, он собирал в течение нескольких месяцев образцы своих волос после бритья, а затем провёл их изотопный анализ по углероду. Различия изотопного состава продуктов питания в США и в Монголии привели к тому, что волосы учёного во время экспедиции плавно изменили изотопный сдвиг по углероду с-16%о до-23%о. Через три недели после возвращения в США их изотопный состав вновь стал обычным для американца. Любопытно, что в середине своей командировки учёный провёл несколько дней в посольстве США, питаясь американскими продуктами, и даже это заметно отразилось на изотопном составе его волос.

Собрав образцы вод из некоторых морей и рек России и зарубежья, удалось выявить тенденцию: доля тяжёлых изотопов кислорода и водорода выше в водах более тёплых морей с более высоким содержанием солей (плотностью воды). Причём в большей степени это справедливо для величины 60, которая заметно зависит от географической широты места отбора пробы. Из данной тенденции сильно выделяется по своей изотопии вода Мёртвого моря. Возможно, это связано с тем, что оно не сообщается с океаном, а его вода, в отличие от вод других морей, содержит не хлорид натрия, а преимущественно хлорид магния.
 

Изучение изотопного состава вод природных объектов проводилось в разных регионах. Места сбора образцов воды обозначены на карте флажками

Чтобы выяснить, как различаются составы вод одного и того же российского региона, изучили пробы воды в Оренбурге. Город находится на большом удалении от морей и океанов, в степном засушливом районе России, на слиянии рек Урала и Самары, из которых снабжают водой разные районы Оренбурга. Оказалось, что по величине водородного изотопного сдвига местные речные и подземные воды близки между собой, но заметно отличаются от задков, которые оказались позднее дейтерием. Менее ярко выражена эта закономерность в отношении величины изотопного сдвига по  кислороду. Подземные воды по своему изотопному составу заметно отличаются от речной воды, и друг от друга. Причина, видимо, заключается в том, что артезианские водоносные слои нормировались достаточно  давно, а состав речных вод зависит от современных зонных и климатических факторов.

Все образцы оренбургской воды содержали заметно меньшие количества тяжёлых изотопов водорода кислорода, чем московская водопроводная вода, а она, в свою очередь, содержит их меньше, чем любая из морских вод. Это означает, что для изотопного состава воды наиболее значимый фактор - удалённость местности океана.

Ранее в среде криминалистов считалось, что изотопный состав спирта после его разбавления водой существенно меняется счёт протекания реакций изотопного об-на. Действительно, в бинарной системе "этанол - вода» теоретически возможен мен изотопов водорода и кислорода жду молекулами спирта и воды. Тем не нее во ВНИИНМ им. А. А. Бочвара выдвинули предположение, что этиловый спирт в в значительной степени сохраняет изотопный состав даже после длительного контакта с водой. Это предположение требовало проверки.

Эксперимент моделировал ситуацию, при которой изотопные составы (по водороду и кислороду) исходных компонентов смеси существенно отличались, но не выходили пределы естественных природных значений. Этанол был получен ферментативным окислением сахаров С3-растений, произрастающих в центральной части континента. Вода для эксперимента представляла собой дистиллят воды Баренцева моря с повышенным количеством дейтерия. Достаточно большое различие в исходных изотопных составах этанола и воды создавало предпосылки для выявления даже самых незначительных изотопных эффектов, которые могли бы происходить.

Каждая из порций водно-этанольной смеси выдерживалась определённое время в разных условиях, после чего спирт отделяли от воды дистилляцией. В одном из вариантов раствор этанола в воде перед разделением длительно кипятили, в другом

- смесь неделю хранили при низкой температуре. Так создавали разные условия для изотопного обмена: в случае кипячения;

- более благоприятные, а в случае хранения при низкой температуре (где скорость реакций изотопного обмена ниже) — менее благоприятные.

Полученные результаты подтвердили справедливость гипотезы о сохранении состава спирта при разбавлении его водой. Это значит, что, зная исходные изотопные составы этанола и воды и пользуясь несложными формулами расчёта, можно смоделировать величины изотопного сдвига смесей «этанол — вода». Если накопить теперь базу данных изотопного состава спиртов, производимых на разных предприятиях, и вод различного происхождения, можно определять, какое сырьё использовали для получения алкогольной продукции, и географический регион, где она была произведена.

Источник: «Наука и жизнь»