Войти
Изотопная подпись (также изотопное отпечатков пальцев) представляет собой отношение не-радиогенных « изотопов стабильных », стабильные радиогенные изотопы или неустойчивые радиоактивные изотопы отдельных элементов в исследуемом материале. Отношения изотопов в материале образца измеряются масс-спектрометрией изотопного отношения относительно изотопного эталонного материала. Этот процесс называется изотопным анализом.
Атомная масса различных изотопов влияет на их химическое кинетическое поведение, что приводит к естественным разделению изотопов процессам.
| Группа водорослей | диапазон δ 13 C |
|---|---|
| HCO 3 - с использованием красных водорослей | От −22,5 ‰ до −9,6 ‰ |
| CO 2 -содержащие красные водоросли | От −34,5 ‰ до −29,9 ‰ |
| Бурые водоросли | От −20,8 до −10,5 ‰ |
| Зеленые водоросли | От −20,3 ‰ до −8,8 ‰ |
Например, разные источники и поглотители метана имеют разное сродство к изотопам 12 C и 13 C, что позволяет различать разные источники по соотношению 13 C / 12 C в метане в воздухе. В геохимии, палеоклиматологии и paleoceanography это отношение называется δ 13 С. Коэффициент рассчитывается по отношению к Пи - Ди белемнита (PDB) стандарт :
Точно так же углерод в неорганических карбонатах демонстрирует небольшое изотопное фракционирование, в то время как углерод в материалах, полученных в результате фотосинтеза, обеднен более тяжелыми изотопами. Кроме того, есть два типа растений с разными биохимическими путями; фиксации С3 углерода, где эффект разделения изотопов более выражен, С4 фиксации углерода, где тяжелее 13 С менее истощены, и Crassulacean кислота Метаболизм (САМ) растения, где эффект подобен, но менее выражены, чем у С 4 растений. Изотопное фракционирование в растениях вызывается физическими (более медленная диффузия 13 C в тканях растений из-за увеличения атомной массы) и биохимическими (предпочтение 12 C двумя ферментами: RuBisCO и фосфоенолпируваткарбоксилазой ) факторами. Различные соотношения изотопов для двух видов растений распространяются по пищевой цепочке, поэтому можно определить, состоит ли основной рацион человека или животного в основном из растений C 3 ( рис, пшеница, соевые бобы, картофель ) или C 4 растений ( кукуруза или говядина, откормленная кукурузой ) с помощью изотопного анализа их мяса и костного коллагена (однако для получения более точных определений необходимо также учитывать изотопное фракционирование углерода, поскольку в нескольких исследованиях сообщалось о значительной дискриминации 13 C во время биодеградации простые и сложные подложки). Внутри растений C3 процессы, регулирующие изменения δ 13 C, хорошо изучены, особенно на уровне листа, но также и во время формирования древесины. Во многих недавних исследованиях изотопное фракционирование на уровне листьев сочетается с годовыми моделями формирования древесины (т. Е. Древесным кольцом δ 13 C) для количественной оценки воздействия климатических изменений и состава атмосферы на физиологические процессы отдельных деревьев и лесных насаждений. Следующим этапом понимания, по крайней мере, в наземных экосистемах, кажется, будет комбинация нескольких изотопных прокси для расшифровки взаимодействий между растениями, почвой и атмосферой и прогнозирования того, как изменения в землепользовании повлияют на изменение климата. Точно так же морская рыба содержит больше 13 C, чем пресноводная рыба, со значениями, приближенными к C 4 и C 3 растениям соответственно.
Соотношение изотопов углерода-13 и углерода-12 в этих типах растений следующее:
Известняки, образованный путем осаждения в море из двуокиси углерода в атмосфере содержат нормальное соотношение 13 C. Наоборот, кальцит найдены в соляных куполах берут начало из диоксида углерода, образованного окислением из нефти, который из - за его растительное происхождение составляет 13 С-истощенно. Слой известняка, отложившийся во время пермского вымирания 252 млн лет назад, можно определить по падению на 1% 13 C / 12 C.
14 С изотопом важно при выделении biosynthetized материалов из искусственных единиц. Биогенные химические вещества получают из биосферного углерода, который содержит 14 C. Углерод в искусственно созданных химикатах обычно получают из ископаемых видов топлива, таких как уголь или нефть, где изначально присутствующий 14 C снизился ниже определяемых пределов. Таким образом, количество 14 C, присутствующее в настоящее время в образце, указывает на долю углерода биогенного происхождения.
Азот-15, или 15 N, часто используется в сельскохозяйственных и медицинских исследованиях, например, в эксперименте Мезельсона-Шталя, чтобы установить природу репликации ДНК. Расширение этого исследования привело к развитию исследования стабильных изотопов на основе ДНК, которое позволяет изучать связи между метаболической функцией и таксономической идентичностью микроорганизмов в окружающей среде без необходимости выделения культур. Белки могут быть помечены изотопами путем культивирования их в среде, содержащей 15 н. В качестве единственного источника азота, например, в количественной протеомике, такой как SILAC.
Азот-15 широко используется для отслеживания минеральных соединений азота (особенно удобрений ) в окружающей среде. В сочетании с использованием других изотопных меток 15 N также является очень важным индикатором для описания судьбы азотистых органических загрязнителей. Отслеживание азота-15 - важный метод, используемый в биогеохимии.
Отношение стабильных изотопов азота, 15 N / 14 N или δ 15 N, имеет тенденцию увеличиваться с увеличением трофического уровня, так что травоядные животные имеют более высокие значения изотопов азота, чем растения, а плотоядные животные имеют более высокие значения изотопов азота, чем травоядные. В зависимости от исследуемой ткани, наблюдается увеличение на 3-4 части на тысячу с каждым повышением трофического уровня. Ткани и волосы из веганов поэтому содержат значительно ниже δ 15 N, чем тела людей, которые едят в основном мясо. Точно так же диета на суше производит другую сигнатуру, чем диета на основе морской воды. Изотопный анализ волос - важный источник информации для археологов, позволяющий понять древние диеты и различное отношение культур к источникам пищи.
Ряд других экологических и физиологических факторов может влиять на изотопный состав азота в основе пищевой сети (т.е. в растениях) или на уровне отдельных животных. Например, в засушливых регионах азотный цикл имеет тенденцию быть более «открытым» и склонен к потере 14 N, увеличивая δ 15 N в почвах и растениях. Это приводит к относительно высоким значениям δ 15 N у растений и животных в жарких и засушливых экосистемах по сравнению с более прохладными и влажными экосистемами. Кроме того, повышенный δ 15 N был связан с преимущественным выделением 14N и повторным использованием уже обогащенных 15N тканей в организме в условиях длительного водного стресса или недостаточного потребления белка.
δ 15 N также является диагностическим инструментом в планетологии, поскольку соотношение, проявляемое в атмосфере и материалах поверхности, «тесно связано с условиями, в которых образуются материалы».
Кислород бывает трех видов, но 17 O настолько редок, что его очень трудно обнаружить (содержание ~ 0,04%). Соотношение 18 O / 16 O в воде зависит от количества испарения воды (поскольку 18 O тяжелее и поэтому менее вероятно испарение). Поскольку давление пара зависит от концентрации растворенных солей, соотношение 18 O / 16 O показывает корреляцию с соленостью и температурой воды. Поскольку кислород проникает в оболочки организмов, выделяющих карбонат кальция, такие отложения подтверждают хронологическую запись температуры и солености воды в этом районе.
Соотношение изотопов кислорода в атмосфере предсказуемо меняется в зависимости от времени года и географического положения; например, существует разница в 2% между осадками, богатыми 18 O в Монтане, и осадками, обедненными 18 O во Флорида-Кис. Эту изменчивость можно использовать для приблизительного определения географического местоположения происхождения материала; например, можно определить, где была произведена партия оксида урана. Следует учитывать скорость обмена поверхностных изотопов с окружающей средой.
Изотопные характеристики кислорода твердых образцов (органических и неорганических) обычно измеряются пиролизом и масс-спектрометрией. Исследователям необходимо избегать ненадлежащего или длительного хранения образцов для точных измерений.
Свинец состоит из четырех стабильных изотопов : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb. Локальные вариации содержания урана / тория / свинца вызывают широкие вариации изотопных соотношений свинца из разных мест в зависимости от местности. Свинец, выбрасываемый в атмосферу в результате промышленных процессов, имеет изотопный состав, отличный от свинца в минералах. Сжигание бензина с добавкой тетраэтилсвинца привело к образованию в дыму выхлопных газов автомобилей повсеместных частиц с высоким содержанием свинца микрометрового размера ; особенно в городских районах искусственные частицы свинца встречаются гораздо чаще, чем природные. Различия в изотопном составе частиц, обнаруженных в объектах, можно использовать для приблизительной геолокации происхождения объекта.
Горячие частицы, радиоактивные частицы ядерных осадков и радиоактивные отходы также демонстрируют отчетливые изотопные сигнатуры. Их радионуклидный состав (и, следовательно, их возраст и происхождение) можно определить с помощью масс-спектрометрии или гамма-спектрометрии. Например, частицы, образовавшиеся в результате ядерного взрыва, содержат обнаруживаемые количества 60 Co и 152 Eu. В результате аварии на Чернобыльской АЭС эти частицы не были выброшены, но были выделены 125 Sb и 144 Ce. Частицы от подводных взрывов будут состоять в основном из облученных морских солей. Отношения 152 Eu / 155 Eu, 154 Eu / 155 Eu и 238 Pu / 239 Pu также различаются для ядерного оружия термоядерного и ядерного деления, что позволяет идентифицировать горячие частицы неизвестного происхождения.
В археологических исследованиях отношения стабильных изотопов использовались для отслеживания диеты в течение периода времени формирования анализируемых тканей (10–15 лет для костного коллагена и внутригодовые периоды для биоапатита зубной эмали) от людей; «рецепты» продуктов питания (остатки керамических сосудов); места выращивания и виды выращиваемых растений (химическая экстракция из донных отложений); и миграция людей (стоматологический материал).
С появлением масс-спектрометрии со стабильным соотношением изотопов изотопные сигнатуры материалов находят все более широкое применение в криминалистике, позволяя определять происхождение материалов, похожих на них, и отслеживать их общий источник. Например, на изотопные характеристики растений могут в определенной степени влиять условия роста, включая влажность и доступность питательных веществ. В случае синтетических материалов на сигнатуру влияют условия химической реакции. Профилирование изотопной сигнатуры полезно в случаях, когда другие виды профилирования, например определение характеристик примесей, не являются оптимальными. Электроника в сочетании со сцинтилляционными детекторами обычно используется для оценки изотопных сигнатур и идентификации неизвестных источников.
Было опубликовано исследование, демонстрирующее возможность определения происхождения обычной коричневой упаковочной ленты PSA с использованием изотопных сигнатур углерода, кислорода и водорода полимерной основы, добавок и клея.
Измерение изотопных отношений углерода может быть использовано для обнаружения фальсификации из меда. Добавление сахаров из кукурузы или сахарного тростника (растения C4) искажает изотопное соотношение сахаров, присутствующих в меде, но не влияет на изотопное соотношение белков; в чистом меде изотопные отношения углерода сахаров и белков должны совпадать. Может быть обнаружен даже 7% уровень добавления.
Ядерные взрывы образуют 10 Be в результате реакции быстрых нейтронов с 13 C в двуокиси углерода в воздухе. Это один из исторических индикаторов прошлой деятельности на ядерных полигонах.
Изотопные отпечатки пальцев используются для изучения происхождения материалов в Солнечной системе. Так, например, Луны «ю.ш. изотопные кислородные отношения кажутся по существу идентична земной. Отношения изотопов кислорода, которые можно измерить очень точно, дают уникальную и отличную характеристику для каждого тела солнечной системы. Различные изотопные сигнатуры кислорода могут указывать на происхождение материала, выброшенного в космос. Соотношение изотопов титана на Луне ( 50 Ti / 47 Ti) похоже на земное (в пределах 4 частей на миллион). В 2013 году было опубликовано исследование, которое показало, что вода в лунной магме «неотличима» от углеродистых хондритов и почти такая же, как на Земле, исходя из состава изотопов воды.
Изотопные отпечатки пальцев, типичные для жизни, сохранившиеся в отложениях, позволяют предположить, что жизнь существовала на планете уже 3,85 миллиарда лет назад.
‰