Изотопный анализ

редактировать
Магнитный секторный масс-спектрометр, используемый для анализа изотопного соотношения посредством термической ионизации

Изотопный анализ - это определение изотопной сигнатуры, содержания определенных стабильных изотопов и химических элементов в органических и неорганических соединениях. Изотопный анализ может использоваться для понимания потока энергии через пищевую сеть, для реконструкции прошлых экологических и климатических условий, для исследования рациона людей и животных в прошлом, для аутентификации пищевых продуктов и множества других физических, геологических, палеонтологических и химических процессы. Отношения стабильных изотопов измеряются с помощью масс-спектрометрии, которая разделяет различные изотопы элемента на основе их отношения массы к заряду.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 пораженная ткань
  • 2 Приложения
    • 2.1 Археология
      • 2.1.1 Реконструкция древних диет
      • 2.1.2 Поиск археологических материалов
    • 2.2 Экология
      • 2.2.1 Анализ стабильных изотопов в водных экосистемах
        • 2.2.1.1 Углерод-13
        • 2.2.1.2 Сера-34
        • 2.2.1.3 Азот-15
        • 2.2.1.4 Кислород-18
        • 2.2.1.5 Водород-2
    • 2.3 Судебная медицина
    • 2.4 Прослеживаемость
    • 2.5 Геология
    • 2.6 Гидрология
    • 2.7 Палеоклиматология
  • 3 ссылки
  • 4 Внешние ссылки

Пораженная ткань

Изотопный кислород является включен в организм главным образом через рот и в этот момент он используется в образовании, для целей, археологических костей и зубов. Кислород входит в состав гидроксикарбонатного апатита костей и зубной эмали.

Кость постоянно реконструируется на протяжении всей жизни человека. Хотя скорость оборота изотопного кислорода в гидроксиапатите полностью не известна, предполагается, что она аналогична скорости обмена коллагена ; примерно 10 лет. Следовательно, если человек остается в регионе в течение 10 лет или дольше, отношения изотопного кислорода в костном гидроксиапатите будут отражать отношения кислорода, присутствующие в этом регионе.

Зубы не подвергаются постоянному ремоделированию, поэтому их изотопные отношения кислорода остаются постоянными с момента образования. Соотношение изотопного кислорода в зубах представляет собой соотношение региона, в котором человек родился и вырос. При наличии молочных зубов также можно определить возраст, в котором ребенок был отлучен от груди. Производство грудного молока зависит от воды тела матери, которая имеет более высокий уровень 18 O из-за преимущественной потери 16 O с потом, мочой и водяным паром с выдохом.

Хотя зубы более устойчивы к химическим и физическим изменениям с течением времени, они оба подвержены пост-депозиционному диагенезу. Таким образом, изотопный анализ использует более устойчивые фосфатные группы, а не менее распространенные гидроксильные группы или более вероятные диагенетические карбонатные группы.

Приложения

Изотопный анализ широко применяется в естественных науках. К ним относятся многочисленные приложения в биологии, науках о Земле и окружающей среде.

Археология

Реконструкция древних диет

Археологические материалы, такие как кости, органические остатки, волосы или морские раковины, могут служить субстратами для изотопного анализа. Соотношения изотопов углерода, азота и цинка используются для исследования рациона людей в прошлом; Эти изотопные системы могут использоваться с другими, такими как стронций или кислород, для ответа на вопросы о перемещениях населения и культурных взаимодействиях, таких как торговля.

Изотопы углерода анализируются в археологии, чтобы определить источник углерода в основе пищевой цепи. Изучая соотношение изотопов 12 C / 13 C, можно определить, питались ли животные и люди преимущественно растениями C3 или C4. Потенциальные источники пищи C3 включают пшеницу, рис, клубни, фрукты, орехи и многие овощи, в то время как источники пищи C4 включают просо и сахарный тростник. Отношения изотопов углерода также можно использовать для различения морских, пресноводных и наземных источников пищи.

Соотношение изотопов углерода можно измерить в костном коллагене или костном минерале ( гидроксилапатите ), и каждую из этих фракций кости можно проанализировать, чтобы пролить свет на различные компоненты диеты. Углерод в костном коллагене преимущественно поступает из пищевого белка, в то время как углерод, содержащийся в костном минерале, поступает из всего потребляемого с пищей углерода, включая углеводы, липиды и белок.

Чтобы получить точное представление о палеодиетах, важно понимать процессы диагенеза, которые могут повлиять на исходный изотопный сигнал. Для исследователя также важно знать вариации изотопов у людей, между людьми и во времени.

Поиск археологических материалов

Изотопный анализ был особенно полезен в археологии как средство характеристики. Характеристика артефактов включает определение изотопного состава возможных исходных материалов, таких как металлические рудные тела, и сравнение этих данных с изотопным составом проанализированных артефактов. Широкий спектр археологических материалов, таких как металлы, стекло и пигменты на основе свинца, был получен с использованием изотопных характеристик. В частности, в Средиземноморье бронзового века изотопный анализ свинца был полезным инструментом для определения источников металлов и важным индикатором моделей торговли. Однако интерпретация данных по изотопу свинца часто вызывает споры и сталкивается с многочисленными инструментальными и методологическими проблемами. Такие проблемы, как смешивание и повторное использование металлов из разных источников, ограниченность надежных данных и загрязнение образцов, могут быть трудными проблемами при интерпретации.

Экология

Все биологически активные элементы существуют в нескольких различных изотопных формах, две или более из которых являются стабильными. Например, большая часть углерода присутствует в виде 12 ° C, при этом примерно 1% составляет 13 ° C. Соотношение двух изотопов может быть изменено биологическими и геофизическими процессами, и экологи могут использовать эти различия различными способами. Основными элементами, используемыми в изотопной экологии, являются углерод, азот, кислород, водород и сера, а также кремний, железо и стронций.

Анализ стабильных изотопов в водных экосистемах

Стабильные изотопы стали популярным методом понимания водных экосистем, поскольку они могут помочь ученым понять ссылки на источники и обработать информацию в морских пищевых сетях. Эти анализы также могут быть использованы в определенной степени в наземных системах. Определенные изотопы могут означать отдельных первичных продуцентов, формирующих основу пищевых сетей и позиционирования на трофическом уровне. Составы стабильных изотопов выражаются через дельта-значения (δ) в пермил (), то есть отличия в частях на тысячу от стандарта. Они выражают долю изотопа в образце. Значения выражаются как:

δX = [( образец R / стандарт R) - 1] × 10 3

где X представляет собой представляющий интерес изотоп (например, 13 C), а R представляет собой соотношение представляющего интерес изотопа и его естественной формы (например, 13 C / 12 C). Более высокие (или менее отрицательные) значения дельты указывают на увеличение интересующего изотопа в образце по сравнению со стандартом, а более низкие (или более отрицательные) значения указывают на уменьшение. Стандартными эталонными материалами для углерода, азота и серы являются известняк Пи-Ди-Беламнит, газообразный азот в атмосфере и метеорит Каньон-Диабло соответственно. Анализ обычно проводится с помощью масс-спектрометра, обнаруживающего небольшие различия между газообразными элементами. Анализ образца может стоить от 30 до 100 долларов. Стабильные изотопы помогают ученым анализировать рационы животных и пищевые сети, исследуя ткани животных, которые несут фиксированное изотопное обогащение или истощение по сравнению с рационом. Мышечные или белковые фракции стали наиболее распространенной животной тканью, используемой для исследования изотопов, потому что они представляют собой ассимилированные питательные вещества в их рационе. Основное преимущество использования анализа стабильных изотопов по сравнению с наблюдениями за содержимым желудка заключается в том, что независимо от того, в каком состоянии находится желудок животного (пустой или нет), изотопные индикаторы в тканях дадут нам понимание его трофического положения и источника пищи.. Тремя основными изотопами, используемыми в анализе трофической сети водных экосистем, являются 13 C, 15 N и 34 S. Хотя все три указывают на информацию о трофической динамике, обычно проводят анализ по крайней мере двух из трех ранее упомянутых изотопов для лучшего понимания морские трофические взаимодействия и для более сильных результатов.

Углерод-13

Изотопы углерода помогают нам определить первичный источник продукции, ответственный за поток энергии в экосистеме. Перенос 13 C через трофические уровни остается относительно таким же, за исключением небольшого увеличения (обогащение lt;1 ‰). Значительные различия δ 13 C между животными указывают на то, что они имеют разные источники пищи или что их пищевые сети основаны на разных первичных продуцентах (т.е. на разных видах фитопланктона, болотных травах). Поскольку δ 13 C указывает на первоначальный источник первичных продуцентов, изотопы также могут помочь нам определить изменения в рационе, как краткосрочные, так и долгосрочные или постоянные. Эти сдвиги могут даже коррелировать с сезонными изменениями, отражающими численность фитопланктона. Ученые обнаружили, что значения δ 13 C в популяциях фитопланктона могут находиться в широком диапазоне географических регионов. Хотя не совсем ясно, почему это может быть, существует несколько гипотез этого явления. К ним относятся изотопы в пулах растворенного неорганического углерода (DIC), которые могут варьироваться в зависимости от температуры и местоположения, и темпы роста фитопланктона могут влиять на поглощение ими изотопов. δ 13 C использовался для определения миграции молоди животных из защищенных прибрежных районов в прибрежные районы путем изучения изменений в их рационах. В исследовании Fry (1983) изучался изотопный состав молоди креветок на равнинах южного Техаса. Фрай обнаружил, что в начале исследования у креветок изотопные значения δ 13 C = от -11 до -14 ‰ и 6-8 ‰ для δ 15 N и δ 34 S. По мере созревания креветок и миграции в море изотопные значения изменились на те, которые напоминают морские организмы (δ 13 C = -15 ‰, δ 15 N = 11,5 ‰ и δ 34 S = 16 ‰).

Сера-34

Хотя между трофическими уровнями нет обогащения по 34 S, стабильный изотоп может быть полезен для различения производителей бентоса и пелагии, а также производителей болот и фитопланктона. Подобно 13 C, он также помогает различать фитопланктон, являющийся основными производителями пищевых сетей. Различия между сульфатами и сульфидами морской воды (около 21 против -10) помогают ученым в различении. Серы, как правило, больше в менее аэробных областях, таких как бентосные системы и болотные растения, чем в пелагических и более аэробных системах. Таким образом, в придонных системах, есть меньшие δ 34 S значение.

Азот-15

Изотопы азота указывают на положение организмов на трофическом уровне (отражающее время отбора образцов ткани). Имеется более крупный компонент обогащения с δ 15 N, потому что его удерживание выше, чем у 14 N. Это можно увидеть, проанализировав отходы организмов. Моча крупного рогатого скота показала, что есть истощение 15 N по сравнению с рационом. Когда организмы поедают друг друга, изотопы 15 N передаются хищникам. Таким образом, организмы, находящиеся выше в трофической пирамиде, накопили более высокие уровни 15 N (и более высокие значения δ 15 N) по сравнению с их добычей и другими до них в пищевой сети. Многочисленные исследования морских экосистем показали, что в среднем существует 3,2 обогащения 15 N по сравнению с рационом между видами различных трофических уровней в экосистемах. В Балтийском море Hansson et al. (1997) обнаружили, что при анализе различных существ (таких как твердые частицы органического вещества (фитопланктон), зоопланктон, мизиды, килька, корюшка и сельдь) было очевидное разделение на 2,4 ‰ между потребителями и их очевидной добычей.

В дополнение к трофическому расположению организмов, значения δ 15 N стали широко использоваться для разграничения между наземными и естественными источниками питательных веществ. По мере того, как вода перемещается из септиков в водоносные горизонты, богатая азотом вода доставляется в прибрежные районы. Нитрат в сточных водах имеет более высокие концентрации на 15 N, чем нитрат, который содержится в естественных почвах в прибрежных зонах. Для бактерий удобнее поглощать 14 N, а не 15 N, потому что это более легкий элемент и легче усваивается. Таким образом, из-за предпочтения бактерий при выполнении биогеохимических процессов, таких как денитрификация и улетучивание аммиака, 14 N удаляется из воды быстрее, чем 15 N, в результате чего более 15 N попадает в водоносный горизонт. 15 N составляет примерно 10-20 ‰ в отличие от естественных 15 N значений 2-8. Неорганический азот, который выбрасывается из септиков и других сточных вод человеческого происхождения, обычно имеет форму. После того, как азот входит в эстуарии через грунтовые воды, полагают, что, поскольку есть более 15 Н на входе, что также будет более 15 N в бассейне неорганического азота доставлены и что это улавливается более производители занимают N. Несмотря на то, 14 N легче усвоить, потому что 15 N намного больше, и все равно будет усваиваться большее количество, чем обычно. Эти уровни δ 15 N можно исследовать у существ, которые живут в этом районе и не мигрируют (таких как макрофиты, моллюски и даже некоторые рыбы). Этот метод определения высоких уровней поступления азота становится все более популярным методом мониторинга поступления питательных веществ в эстуарии и прибрежные экосистемы. Менеджеры по охране окружающей среды все больше и больше озабочены измерением антропогенного поступления питательных веществ в устья рек, поскольку избыток питательных веществ может привести к эвтрофикации и гипоксическим явлениям, полностью уничтожающим организмы на территории. NH 4 + {\ displaystyle {\ ce {NH4 +}}}

Кислород-18

Анализ соотношения 18 О до 16 О в оболочках в моллюске Колорадо Delta был использован для оценки исторической степени устья в Колорадо дельте реки до строительства плотин выше по течению.

Водород-2

Отношение 2 H, также известного как дейтерий, к 1 H было изучено как в тканях растений, так и в тканях животных. Изотопы водорода в растительной ткани коррелируют с местными значениями воды, но варьируются в зависимости от фракционирования во время фотосинтеза, транспирации и других процессов образования целлюлозы. Исследование соотношений изотопов в тканях растений, растущих на небольшой территории в Техасе, показало, что ткани растений CAM были обогащены дейтерием по сравнению с растениями C4. Соотношения изотопов водорода в тканях животных отражают диету, включая питьевую воду, и использовались для изучения миграции птиц и водных пищевых сетей.

Криминалистика

Одним из последних достижений судебной медицины является изотопный анализ прядей волос. Волосы имеют заметную скорость роста 9-11 мм в месяц или 15 см в год. Рост человеческих волос в первую очередь зависит от диеты, особенно от потребления питьевой воды. Стабильные соотношения изотопов питьевой воды зависят от местоположения и геологии, через которую вода просачивается. Вариации 87 Sr, 88 Sr и изотопов кислорода во всем мире различны. Эти различия в соотношении изотопов затем биологически «устанавливаются» в наших волосах по мере их роста, и поэтому стало возможным идентифицировать недавние географические истории с помощью анализа прядей волос. Например, с помощью анализа волос можно определить, был ли подозреваемый в терроризме недавно в определенном месте. Этот анализ волос - неинвазивный метод, который становится очень популярным в случаях, когда ДНК или другие традиционные методы не дают ответа.

Судебные следователи могут использовать изотопный анализ, чтобы определить, имеют ли два или более образца взрывчатых веществ общее происхождение. Большинство взрывчатых веществ содержат атомы углерода, водорода, азота и кислорода, поэтому сравнение их относительного содержания изотопов может выявить их общее происхождение. Исследователи также показали, что анализ соотношений 12 C / 13 C позволяет определить страну происхождения данного взрывчатого вещества.

Стабильный изотопный анализ также использовался для определения маршрутов незаконного оборота наркотиков. Изотопные содержания морфина, выращенного из мака в Юго-Восточной Азии, отличаются от изотопов, выращенных в маке, выращиваемом в Юго-Западной Азии. То же самое относится к кокаину, полученному из Боливии и Колумбии.

Прослеживаемость

См. Также: Прослеживаемость

Стабильный изотопный анализ также использовался для отслеживания географического происхождения продуктов питания и древесины, а также для отслеживания источников и судьбы нитратов в окружающей среде.

Геология

Основная статья: Изотопная геохимия

Гидрология

В изотопной гидрологии стабильные изотопы воды ( 2 H и 18 O) используются для оценки источника, возраста и путей потока воды, протекающей через экосистемы. Основные эффекты, которые изменяют состав стабильных изотопов воды, - это испарение и конденсация. Изменчивость изотопов воды используется для изучения источников воды в ручьях и реках, скорости испарения, пополнения запасов подземных вод и других гидрологических процессов.

Палеоклиматология

Отношение 18 O к 16 O во льду и глубоководных кернах зависит от температуры и может использоваться в качестве косвенной меры для реконструкции изменения климата. В более холодные периоды истории Земли ( ледниковые периоды ), например, во время ледниковых периодов, 16 O преимущественно испаряется из более холодных океанов, оставляя позади более тяжелые и более вялые 18 O. Организмы, такие как фораминиферы, которые объединяют кислород, растворенный в окружающей воде, с углеродом и кальцием для создания своих панцирей, поэтому имеют зависящее от температуры отношение 18 O к 16 O. Когда эти организмы умирают, они оседают на морском дне, сохраняя долгую и бесценную историю глобального изменения климата на протяжении большей части четвертичного периода. Точно так же ледяные керны на суше обогащены более тяжелым 18 O по сравнению с 16 O во время более теплых климатических фаз ( межледниковья ), поскольку больше энергии доступно для испарения более тяжелого изотопа 18 O. Таким образом, запись изотопа кислорода, сохраненная в ледяных кернах, является «зеркалом» записи, содержащейся в океанических отложениях.

Кислородные изотопы сохраняют учет эффектов циклов Миланковича на изменении климата в течение четвертичного периода, обнажив примерно 100000 лет цикличность в климате Земли.

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2024-01-09 03:09:58
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте