Isotopisk signatur - Isotopic signature

En isotopisk signatur (også isotopisk fingeravtrykk ) er et forhold mellom ikke-radiogene " stabile isotoper ", stabile radiogene isotoper eller ustabile radioaktive isotoper av bestemte elementer i et undersøkt materiale. Forholdet mellom isotoper i et prøvemateriale måles ved massespektrometri i isotopforholdet mot et isotopisk referansemateriale . Denne prosessen kalles isotopanalyse .

Stabile isotoper

Den atommassen for forskjellige isotoper påvirke deres kjemisk kinetiske oppførsel, noe som fører til naturlige isotop separasjonsprosesser.

Karbonisotoper

Algal gruppe δ 13 C -område
HCO 3 -bruk av rødalger −22,5 ‰ til −9,6 ‰
CO 2 -brukende rødalger −34,5 ‰ til −29,9 ‰
Brunalger −20,8 ‰ til −10,5 ‰
Grønne alger −20,3 ‰ til −8,8 ‰

For eksempel har forskjellige kilder og vasker av metan ulik affinitet for 12 C og 13 C isotoper, noe som gjør det mulig å skille mellom forskjellige kilder ved 13 C/ 12 C forholdet i metan i luften. I geokjemi , paleoklimatologiske og paleo dette forhold kalles δ 13 C . Forholdet beregnes med hensyn til Pee Dee Belemnite (PDB) -standarden :

På samme måte viser karbon i uorganiske karbonater liten isotopfraksjonering, mens karbon i materialer som stammer fra fotosyntese er oppbrukt av de tyngre isotopene. I tillegg er det to plantetyper med forskjellige biokjemiske veier; den C3 bundet karbon , hvor den isotop separasjonseffekten blir mer uttalt, C4-plante , hvor det tyngre 13 C er mindre oppbrukt, og CAM-fotosyntese (CAM) planter, hvor effekten er lignende, men mindre utpreget enn med C 4 planter. Isotopfraksjonering i planter er forårsaket av fysiske (langsommere diffusjon av 13 C i plantevev på grunn av økt atomvekt) og biokjemiske (preferanse for 12 C av to enzymer: RuBisCO og fosfoenolpyruvat -karboksylase ) faktorer. De forskjellige isotopforholdene for de to planteslagene forplanter seg gjennom næringskjeden , og dermed er det mulig å bestemme om hoveddiet til et menneske eller et dyr hovedsakelig består av C 3 -planter ( ris , hvete , soyabønner , poteter ) eller C 4 planter ( mais eller maisfôret storfekjøtt ) ved isotopanalyse av kjøtt og benkollagen (men for å få mer nøyaktige bestemmelser må karbonisotopfraksjonering også tas i betraktning, siden flere studier har rapportert betydelig 13 C-diskriminering under biologisk nedbrytning av enkle og komplekse underlag). Innen C3 -anlegg er prosesser som regulerer endringer i δ 13 C godt forstått, spesielt på bladnivå, men også under veddannelse. Mange nyere studier kombinerer isotopfraksjonering av bladnivåer med årlige mønstre av tredannelse (dvs. treringen δ 13 C) for å kvantifisere virkningen av klimatiske variasjoner og atmosfærisk sammensetning på fysiologiske prosesser av individuelle trær og skogbestand. Den neste forståelsesfasen, i det minste i terrestriske økosystemer, ser ut til å være kombinasjonen av flere isotopiske fullmakter for å dechiffrere interaksjoner mellom planter, jord og atmosfæren, og forutsi hvordan endringer i arealbruk vil påvirke klimaendringene. På samme måte inneholder marin fisk mer 13 C enn ferskvannsfisk, med verdier som tilsvarer henholdsvis C 4 og C 3 plantene.

Forholdet mellom karbon-13 og karbon-12 isotoper i disse plantetypene er som følger:

  • C 4 planter: -16 til -10 ‰
  • CAM -anlegg: -20 til -10 ‰
  • C 3 planter: -33 til -24 ‰

Kalksteiner dannet ved nedbør i havet fra atmosfærisk karbondioksid inneholder en normal andel på 13 C. Omvendt stammer kalsitt som finnes i saltkupler fra karbondioksid dannet ved oksidasjon av petroleum , som på grunn av plantens opprinnelse er 13 C-utarmet. Laget av kalkstein avsatt ved Permian extinction 252 Mya kan identifiseres ved 1% fall i 13 C/ 12 C.

Den 14 C isotop er viktig å skille biosynthetized materialer fra menneskeskapte seg. Biogene kjemikalier er avledet fra biosfærisk karbon, som inneholder 14 C. Karbon i kunstig laget kjemikalier er vanligvis avledet fra fossilt brensel som kull eller petroleum , der 14 C opprinnelig tilstede har forfallet under påvisbare grenser. Mengden på 14 C som for tiden er tilstede i en prøve indikerer derfor andelen karbon av biogen opprinnelse.

Nitrogenisotoper

Nitrogen-15 , eller 15 N, brukes ofte i landbruks- og medisinsk forskning, for eksempel i Meselson – Stahl-eksperimentet for å fastslå arten av DNA-replikasjon . En utvidelse av denne forskning resulterte i utvikling av DNA-baserte stabil isotop-undersøkelser, noe som tillater undersøkelse av koblinger mellom metabolsk funksjon og taksonomiske identitet av mikroorganismer i miljøet, uten behov for kulturen isolasjon. Proteiner kan merkes isotopisk ved å dyrke dem i et medium som inneholder 15 N som den eneste nitrogenkilden, f.eks. I kvantitativ proteomikk som SILAC .

Nitrogen-15 brukes mye for å spore mineralske nitrogenforbindelser (spesielt gjødsel ) i miljøet. Når det kombineres med bruk av andre isotopiske etiketter, er 15 N også et veldig viktig sporstoff for å beskrive skjebnen til nitrogenholdige organiske forurensninger . Nitrogen-15-sporing er en viktig metode som brukes i biogeokjemi .

Forholdet mellom stabile nitrogenisotoper, 15 N/ 14 N eller δ 15 N , har en tendens til å øke med trofisk nivå , slik at planteetere har høyere nitrogenisotopverdier enn planter , og kjøttetere har høyere nitrogenisotopverdier enn planteetere. Avhengig av vevet som undersøkes, har det en tendens til å være en økning på 3-4 deler per tusen for hver økning i trofisk nivå. Vev og hår av veganere derfor inneholde betydelig lavere δ 15 N enn kroppen på mennesker som spiser hovedsakelig kjøtt. På samme måte gir et terrestrisk kosthold en annen signatur enn et marinbasert kosthold. Isotopisk analyse av hår er en viktig informasjonskilde for arkeologer , og gir ledetråder om de gamle diettene og forskjellige kulturelle holdninger til matkilder.

En rekke andre miljømessige og fysiologiske faktorer kan påvirke nitrogenisotop -sammensetningen ved foten av næringsvevet (dvs. i planter) eller på nivået til individuelle dyr. For eksempel, i tørre områder, har nitrogensyklusen en tendens til å være mer 'åpen' og utsatt for tap av 14 N, og øke δ 15 N i jord og planter. Dette fører til relativt høye δ 15 N -verdier i planter og dyr i varme og tørre økosystemer i forhold til kjøligere og fuktigere økosystemer. Videre har forhøyede δ 15 N vært knyttet til den foretrukne utskillelsen av 14N og reutilisering av allerede beriket 15N vev i kroppen under langvarige vannspenningsforhold eller utilstrekkelig proteininntak.

δ 15 N gir også et diagnostisk verktøy innen planetarisk vitenskap ettersom forholdet som vises i atmosfærer og overflatematerialer "er nært knyttet til forholdene under hvilke materialer dannes".

Oksygenisotoper

Oksygen kommer i tre varianter, men 17 O er så sjelden at det er veldig vanskelig å oppdage (~ 0,04% rikelig). Forholdet mellom 18 O/ 16 O i vann avhenger av fordampningsmengden vannet opplevde (ettersom 18 O er tyngre og derfor mindre sannsynlig å fordampe). Ettersom dampespenningen avhenger av konsentrasjonen av oppløste salter, viser forholdet 18 O / 16 O korrelasjon med vannets saltinnhold og temperatur. Etter hvert som oksygen blir bygget inn i skallene til kalsiumkarbonatutskillende organismer, viser slike sedimenter en kronologisk oversikt over temperatur og saltholdighet i vannet i området.

Oksygenisotopforholdet i atmosfæren varierer forutsigbart med årstid og geografisk plassering; f.eks. er det en forskjell på 2% mellom 18 O-rik nedbør i Montana og 18 O-utarmet nedbør i Florida Keys. Denne variabiliteten kan brukes til omtrentlig bestemmelse av et geografisk opprinnelsessted for et materiale; f.eks. er det mulig å bestemme hvor en forsendelse av uranoksid ble produsert. Utvekslingshastigheten til overflateisotoper med miljøet må tas i betraktning.

De oksygenisotopiske signaturene til faste prøver (organiske og uorganiske) måles vanligvis med pyrolyse og massespektrometri . Forskere må unngå feil eller langvarig lagring av prøvene for nøyaktige målinger.

Radiogene isotoper

Blyisotoper

Bly består av fire stabile isotoper : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb og 208 Pb. Lokale variasjoner i innholdet av uran / thorium / bly forårsaker en bred lokasjonsspesifikk variasjon av isotopforhold for bly fra forskjellige lokaliteter. Bly som slippes ut i atmosfæren ved industrielle prosesser har en isotopisk sammensetning som er forskjellig fra bly i mineraler. Forbrenning av bensin med tetraetylbly additiv førte til dannelse av allestedsnærværende mikrometerstørrelse bly-rike partikler i bileksos røk ; spesielt i urbane områder er de menneskeskapte blypartiklene mye mer vanlige enn naturlige. Forskjellene i isotopinnhold i partikler som finnes i objekter kan brukes til omtrentlig geolokalisering av objektets opprinnelse.

Radioaktive isotoper

Varme partikler , radioaktive partikler av kjernefysisk nedfall og radioaktivt avfall viser også forskjellige isotopiske signaturer. Radionuklidsammensetningen (og dermed deres alder og opprinnelse) kan bestemmes av massespektrometri eller gammaspektrometri . For eksempel inneholder partikler generert av en kjernefysisk eksplosjon påviselige mengder på 60 Co og 152 Eu . Den Tsjernobyl-ulykken ga ikke ut disse partiklene, men gjorde frigi 125 Sb og 144 Ce . Partikler fra undersjøiske utbrudd vil hovedsakelig bestå av bestrålte havsalter. Forholdene 152 Eu / 155 Eu, 154 Eu / 155 Eu og 238 Pu / 239 Pu er også forskjellige for fusjon og fisjon atomvåpen , noe som gjør det mulig å identifisere varme partikler av ukjent opprinnelse.

applikasjoner

Arkeologiske studier

I arkeologiske studier har stabile isotopforhold blitt brukt til å spore diett innenfor tidsperioden for analysert vev (10–15 år for beinkollagen og intra-årlige perioder for tannemalje bioapatitt) fra individer; "oppskrifter" av næringsmidler (keramiske karrester); dyrkingssteder og plantetyper (kjemiske ekstraksjoner fra sedimenter); og migrasjon av individer (tannmateriale).

Kriminalteknikk

Med fremkomsten av stabilt isotopforhold massespektrometri , finner isotopiske signaturer av materialer økende bruk i rettsmedisin , og skiller opprinnelsen til ellers like materialer og sporer materialene til deres felles kilde. For eksempel kan isotopsignaturene til planter i en grad påvirkes av vekstforholdene, inkludert fuktighet og tilgjengelighet av næringsstoffer. Når det gjelder syntetiske materialer, påvirkes signaturen av forholdene under den kjemiske reaksjonen. Den isotopiske signaturprofilen er nyttig i tilfeller der andre typer profilering, f.eks. Karakterisering av urenheter , ikke er optimale. Elektronikk kombinert med scintillatordetektorer brukes rutinemessig for å evaluere isotopsignaturer og identifisere ukjente kilder.

Det ble publisert en studie som demonstrerte muligheten for å bestemme opprinnelsen til en vanlig brun PSA -emballasje -tape ved å bruke karbon-, oksygen- og hydrogenisotopisk signatur av bakpolymeren, tilsetningsstoffer og lim .

Måling av karbonisotopforhold kan brukes for påvisning av forfalskning av honning . Tilsetning av sukker stammer fra mais eller sukkerrør (C4 -planter) skjevhet i isotopforholdet mellom sukker som finnes i honning, men påvirker ikke isotopforholdet mellom proteiner; i en uforfalsket honning bør karbonisotopforholdet mellom sukker og proteiner stemme overens. Så lavt som 7% tilleggsnivå kan detekteres.

Atomeksplosjoner dannes 10 Vær ved en reaksjon av raske nøytroner med 13 C i karbondioksidet i luften. Dette er en av de historiske indikatorene på tidligere aktivitet på atomprøvesider.

Opprinnelsen til solsystemet

Isotopiske fingeravtrykk brukes til å studere opprinnelsen til materialer i solsystemet. For eksempel, den Moon 's oksygen isotop- forhold synes å være i det vesentlige identisk med Jordens. Oksygenisotopforhold, som kan måles veldig presist, gir en unik og tydelig signatur for hvert solsystemkropp. Ulike oksygenisotopiske signaturer kan indikere opprinnelsen til materiale som kastes ut i verdensrommet. Månens titanisotopforhold ( 50 Ti/ 47 Ti) vises nær jordens (innen 4 ppm). I 2013 ble det utgitt en studie som indikerte at vann i månemagma ikke var "skillbart" fra karbonholdige kondritter og nesten det samme som jordens, basert på sammensetningen av vannisotoper.

Livets opprinnelse

Isotopiske fingeravtrykk som er typiske for liv, bevart i sedimenter, har blitt brukt for å antyde at det eksisterte liv på planeten allerede for 3,85 milliarder år siden.

Se også

Referanser

Videre lesning