Ізотопний підпис
Ізотопний підпис[1] [2] [3] [4] [5] (абоізотопна сигнатура[6] [7] [8] ) — специфічне співвідношення нерадіоактивних «стабільних ізотопів або щодо стабільних радіоактивних ізотопів або нестійких радіоактивних ізотопів певних хімічних елементів у досліджуваному матеріалі. Співвідношення ізотопів у зразку досліджують за допомогою ізотопної мас-спектрометрії. також ізотопний аналіз.
Зміст
Атомна маса різних ізотопів впливає на їхню кінетичну поведінку при хімічних реакціях, що призводить до процесів їх поділу.
Ізотопи вуглецю
| Червоні водорості, які використовують HCO − 3 | −22,5 ‰ до −9,6 ‰ |
| Червоні водорості, які використовують CO2 | −34,5 ‰ до −29,9 ‰ |
| Бурі водорості | −20,8 ‰ до −10,5 ‰ |
| Зелені водорості | −20,3 ‰ до −8,8 ‰ |
Наприклад, різні джерела метану, що потрапляє в атмосферу, мають різне співвідношення ізотопів 12 C і 13 C, що дозволяє відрізняти внесок різних джерел метану цього співвідношення. У геохімії, палеокліматології та палеоокеанографії це відношення називається δ 13 C.
Аналогічно вуглець у карбонатах неорганічного походження характеризується низьким рівнем ізотопного фракціонування, тоді як вуглець у речовинах та матеріалах, пов'язаних у своєму походженні з фотосинтезом, збіднений на важкий ізотоп вуглецю порівняно з атмосферою. Крім того, у рослин існує кілька варіантів біохімічних шляхів фіксації вуглецю, фотосинтезу, що розрізняються за рівнем фракціонування ізотопів 12 C і 13 C. З одного боку, це С3-фотосинтез (Цикл Кальвіна), при якому ефект поділуізотопів є більш вираженим, з іншого - С4-фотосинтез (Цикл Хетча-Слека-Карпілова), продукти якого багатші більш важкими атомами вуглецю 13 C і CAM-фотосинтез (англ. Crassulaceae acid metabolism - кислотний метаболізм товстянкових), менш виражені, ніж у С4-фотосинтетиків. Відмінні співвідношення ізотопів, характерні для основних двох типів фотосинтезуючих рослин, поширюються по харчовому ланцюгу, і за допомогою ізотопного аналізу тканин і колагену кісток їх можна визначити, отримавши відповідь на питання, чи складався основний раціон людини або тварини переважно з С3-рослин (рис, пшениця, соєві боби, картопля) або С4-рослин (кукурудза або яловичина, отримана в результаті відгодівлі корів кукурудзою). Так само, морські риби містять більше 13 C, ніж прісноводні, порядок відмінностей схожий з таким у С4- і С3-фотосинтетиків відповідно.
Співвідношення ізотопів вуглецю 13 C і 12 C у цих видів рослин виглядає наступним чином [10] :
- Рослини з С3-фотосинтезом: від −33 до −24 ‰
- Рослини з С4-фотосинтезом: від −16 до −10 ‰
- Рослини з CAM-фотосинтезом: від −20 до −10 ‰
Вапняки, що є морськими осадовими породами, і утворення яких йде за участю атмосферного вуглекислого газу, містять нормальну пропорцію 13 C. З іншого боку кальцити, що знаходяться в соляних куполах, походять від діоксиду вуглецю, що виник при окисленні нафти, яка в силу свого біо 13 C.
Ізотопи азоту
Співвідношення 15 N/ 14 N має тенденцію до збільшення з підвищенням трофічного рівня екологічної піраміди. Наприклад, травоїдні мають більш високі значення вмісту ізотопу азоту 15 N, ніж рослини, а хижакимають вищі значення, ніж травоїдні. Залежно від досліджуваного типу тканини тваринного співвідношення 15 N/ 14 N збільшується на 3—4 ‰ кожному трофічному рівні. Ряд інших екологічних та фізіологічних факторів також можуть впливати на ізотопний склад азоту в основі харчової мережі (тобто в рослинах) або на рівні окремих тварин. Наприклад, у посушливих районах кругообіг азоту має до більшої «відкритості» і схильність до втрати азоту (14 N, зокрема) [11] . Це призводить до відносно вищих значень δ 15 N в рослинах і тваринах у спекотних і посушливих екосистемах порівняно з більш прохолодними та вологими екосистемами [12] .
Оскільки співвідношення 15 N/ 14 N збільшується на 3—4 ‰ кожному трофічному рівні, тканини, зокрема волосся, веганів містять значно нижчий відсоток 15 N, ніж органи людей, які їдять переважно м'ясо. Ізотопний аналіз волосся є важливим джерелом інформації для археологів, підказуючи про древні харчові раціони. Харчові раціони, пов'язані з продуктами континентального походження, призводять до іншого ізотопного підпису, ніж дієта, що складається з їжі морського походження. Це використовується під час аналізу культурних зв'язків древніх народів із різними джерелами харчування [13] .
Співвідношення стабільних ізотопів азоту також служить діагностичним інструментом у планетології, оскільки це співвідношення, що виявляється в атмосферах планет і в речовині на їх поверхнях «тісно пов'язане з умовами, в яких утворюється речовина» [14].
Ізотопи кисню
Кисень існує у трьох варіантах, але 17 O настільки рідкісний, що його дуже важко виявити (концентрації
0,04%) [15] . Співвідношення 18 O/ 16 O у воді залежить від тривалості випаровування, якомупіддавалася дана маса води (18 O важче і, отже, з меншою ймовірністю випаровується). Так як швидкість випаровування негативно пов'язана з концентрацією розчинених солей [16] і позитивно з температурою, співвідношення 18 O/16 O демонструє кореляцію з комбінованим показником солоності та температури води. Таким чином, багатовікові відкладення черепашника можуть бути джерелом даних по динаміці температури та солоності води в даному районі, отриманих із співвідношення ізотопів кисню в карбонаті кальцію раковин.
Співвідношення ізотопів кисню в атмосфері передбачувано змінюється з часом року та географічного положення; наприклад багаті 18 O опади у Монтані та 18 O-збіднені опади у Флорида-Кіс відрізняються на 2 %. Ця мінливість може бути використана визначення приблизного району географічного походження матеріалу. Таким чином, можна визначити, наприклад, де був вироблений даний оксид урану. Швидкість обміну поверхневих ізотопів із навколишнім середовищем має бути прийнята до уваги [17] .
Ізотопи свинцю
Свинець містить чотири стабільні ізотопи: 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb і 208 Pb. Варіації в різних районах співвідношення уран/торій/свинець - причина широкої локально-специфічної мінливості ізотопного співвідношення свинцю, характерного для різних географічних областей та пунктів. Свинець, що викидається в атмосферу в результаті діяльності промисловості, має інший ізотопний склад, ніж свинець у мінералах. Використання бензину зі свинцевими присадками призвело до поширення мікронних свинцево-багатих частинок в автомобільних вихлопних газах. Особливо у містах свинцеве забруднення антропогенного походження зустрічається набагато частіше, ніж природне. Відмінності ізотопного складу у часткахсвинцю, виявлених на об'єкті, можуть бути використані для приблизного визначення його місця походження [17] .
Радіоактивні частинки, частинки радіоактивних опадів і радіоактивних відходів також мають різні ізотопні підписи. Їхній радіонуклідний склад (і, отже, їх вік і походження) можна визначити за допомогою мас-спектрометрії або за допомогою гамма-спектрометрії. Наприклад, частинки, що утворилися в результаті ядерного вибуху, будуть містити кількості 60 Co і 152 Eu. У викидах при Чорнобильській аварії ці елементи були відсутні, але були 125 Sb та 144 Ce. Радіоактивне забруднення в результаті підводних випробувань складатиметься в основному з опромінених морських солей. Співвідношення 152 Eu/ 155 Eu, 154 Eu/ 155 Eu та 238 Pu/ 239 Pu також різні при ядерних та термоядерних вибухах, що дозволяє ідентифікувати радіоактивні частинки невідомого походження.
Криміналістика
З появою мас-спектрометрії стабільних ізотопів ізотопні підписи матеріалів знаходять дедалі ширше застосування у криміналістиці. За допомогою цього методу можна з'ясувати походження тієї чи іншої подібної речовини або простежити шлях зразків із їхнього загального джерела. Наприклад, на ізотопні підписи рослин можуть певною мірою впливати умови зростання, у тому числі наявність вологи та доступність поживних речовин. У разі синтетичних матеріалів підпис знаходиться під впливом умов, в яких протікала хімічна реакція. Профілювання по ізотопному підпису корисне у випадках, коли інші види профілювання, наприклад характеристика домішок, є оптимальними. Електроніка в поєднанні з сцинтиляційними детекторами зазвичай використовуються для оцінки ізотопних підписів та ідентифікації невідомих джерелпевних речовин. (один із прикладів - Ізотопний індетифікатор - SAM 940 Defender)
Вимірювання співвідношення ізотопів вуглецю може бути використане виявлення фальсифікації меду. Додавання цукру, виробленого з кукурудзи або цукрової тростини (рослин з С4-фотосинтезом) перекошує ізотопні співвідношення цукрів, присутніх у меді, але не впливає на ізотопні співвідношення білків; в чистому меді вуглецеві ізотопні співвідношення цукрів і білків повинні збігатися [19] . Добавки можуть бути виявлені, починаючи з 7% рівня [20] .
Ядерні вибухи призводять до утворення 10 Be в результаті взаємодії швидких нейтронів з 13 C діоксиду вуглецю повітря. Це один із історичних індикаторів колишньої діяльності на ядерних полігонах [21] .