Stabilní poměr izotopů - Stable isotope ratio

Tento článek pojednává o stabilních poměrech izotopů. Obecnou kategorii stabilních nuklidů viz Stabilní nuklid.
Nukleární fyzika
NuclearReaction.svg
Jádro  · Nukleony  (str, n ) · Jaderná hmota  · Jaderná síla  · Jaderná struktura  · Jaderná reakce

Termín stabilní izotop má podobný význam jako stabilní nuklid, ale přednostně se používá, když mluvíme o nuklidech konkrétního prvku. Proto množné číslo stabilní izotopy obvykle se odkazuje na izotopy stejného prvku. Relativní počet těchto stabilních izotopů lze měřit experimentálně (izotopová analýza ), čímž se získá poměr izotopů, který lze použít jako výzkumný nástroj. Teoreticky by takové stabilní izotopy mohly zahrnovat radiogenní dceřiné produkty radioaktivního rozpadu používané v radiometrické datování. Avšak výraz poměr stabilních izotopů se výhodně používá k označení izotopů, jejichž relativní množství je ovlivněno izotopová frakcionace v přírodě. Toto pole se nazývá stabilní izotopová geochemie.

Stabilní izotopové poměry

Viz také: Frakcionace izotopů

Měření poměrů přirozeně se vyskytujících stabilních izotopů (izotopová analýza ) hraje důležitou roli v izotopová geochemie, ale stabilní izotopy (většinou uhlík, dusík, kyslík a síra ) nacházejí uplatnění také v ekologických a biologických studiích. Jiní pracovníci použili poměry izotopů kyslíku k rekonstrukci historických atmosférických teplot, což z nich dělá důležité nástroje paleoklimatologie.

Tyto izotopové systémy pro lehčí prvky, které vykazují více než jeden prvotní izotop pro každý prvek byly mnoho let zkoumány za účelem studia procesů frakcionace izotopů v přírodních systémech. Dlouhá historie studia těchto prvků je zčásti proto, že poměry stabilních izotopů v těchto lehkých a těkavých prvcích lze měřit relativně snadno. Nedávné pokroky v hmotnostní spektrometrie s poměrem izotopů (tj. hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem s více kolektory) nyní umožňují měření izotopových poměrů v těžších stabilních prvcích, jako je žehlička, měď, zinek, molybden, atd.

Aplikace

Rozdíly v poměru izotopů kyslíku a vodíku mají uplatnění v hydrologie protože většina vzorků bude ležet mezi dvěma extrémy, oceánskou vodou a arktickým / antarktickým sněhem.[1] Vzhledem k tomu, vzorek vody z vodonosná vrstva, a dostatečně citlivý nástroj pro měření odchylek v izotopovém poměru vodíku ve vzorku, je možné odvodit zdroj, ať už jde o oceánskou vodu prosakující do zvodnělé vrstvy nebo srážky prosakující do zvodnělé vrstvy, a dokonce odhadnout podíly z každý zdroj.[2] Stabilní izotopologové vody se také používají k dělení vodních zdrojů pro transpiraci rostlin a doplňování podzemní vody.[3][4]

Další aplikace je v měření paleoteploty pro paleoklimatologie. Například jedna technika je založena na variacích v izotopové frakcionaci kyslíku biologickými systémy s teplotou.[5] Druhy Foraminifera začlenit kyslík tak jako uhličitan vápenatý v jejich ulitách. Poměr izotopů kyslíku kyslík-16 a kyslík-18 zabudovaný do uhličitanu vápenatého se mění s teplotou a izotopovým složením vody ve vodě. Tento kyslík zůstává „fixován“ v uhličitanu vápenatém, když umírá forminifera, padá na mořské dno a jeho skořápka se stává součástí sedimentu. Je možné vybrat standardní druhy forminifery z řezů sedimentační kolonou a mapováním změn v poměru izotopů kyslíku odvodit teplotu, s níž se Forminifera setkala během života, pokud lze omezit změny izotopového složení kyslíku ve vodě.[6] Vztahy paleoteploty také umožnily použít izotopové poměry z uhličitanu vápenatého ve skořápkách barnacle k odvození oblastí pohybu a hledání potravy mořských želv a velryb, na kterých některé korýše rostou.[7]

v ekologie, poměry izotopů uhlíku a dusíku jsou široce používány k určení široké stravy mnoha volně se pohybujících zvířat. Byly použity k určení široké stravy mořských ptáků ak identifikaci zeměpisných oblastí, kde jednotlivci tráví období rozmnožování a nehnízení u mořských ptáků [8] a pěvci. [9] Četné ekologické studie také využily izotopové analýzy k pochopení migrace, struktury potravinového webu, stravy a využívání zdrojů u mořských želv.[10] Stanovení stravy vodních živočichů pomocí stabilních izotopů bylo obzvláště běžné, protože přímé pozorování je obtížné,[11] také umožňují vědcům měřit, jak mohou lidské interakce s divočinou, jako je rybolov, změnit přirozenou stravu.[12]

Ve forenzní vědě výzkum naznačuje, že rozdíly v určitých poměrech izotopů v drogách pocházejících z rostlinných zdrojů (konopí, kokain ) lze použít ke stanovení kontinentu původu drogy.[13]

Ve vědě o potravinách se používá ke stanovení složení piva,[14] omáčka shoyu[15] a krmivo pro psy.[16]

Má také aplikace v „dopingová kontrola ", rozlišovat mezi endogenní a exogenní (syntetický ) zdroje hormony.[17][18]

Přesné měření stabilních poměrů izotopů závisí na správných postupech analýzy, přípravy a skladování vzorků[19].

Chondrit meteority jsou klasifikovány pomocí poměrů izotopů kyslíku. Kromě toho neobvyklý podpis uhlík-13 potvrzuje suchozemský původ organických sloučenin nalezených v uhlíkaté chondrity, jako v Murchisonův meteorit.

Výše popsané použití stabilních poměrů izotopů se týká měření přirozeně se vyskytujících poměrů. Vědecký výzkum se také opírá o měření stabilních poměrů izotopů, které byly uměle narušeny zavedením izotopově obohaceného materiálu do studované látky, procesu nebo systému. Ředění izotopů zahrnuje přidání obohaceného stabilního izotopu k látce za účelem kvantifikace množství této látky měřením výsledných poměrů izotopů. Izotopové značení používá obohacený izotop k označení látky za účelem sledování jejího postupu například prostřednictvím chemické reakce, metabolické cesty nebo biologického systému. Některé aplikace značení izotopů se k dosažení tohoto cíle spoléhají na měření stabilních poměrů izotopů.

Viz také

Bibliografie

Reference

  1. ^ Han LF, Gröning M, Aggarwal P, Helliker BR (2006). "Spolehlivé stanovení poměrů izotopů kyslíku a vodíku v atmosférické vodní páře adsorbované na molekulárním sítu 3A". Rapid Commun. Hmotnostní spektrum. 20 (23): 3612–8. Bibcode:2006RCMS ... 20.3612H. doi:10,1002 / rcm. 2772. PMID  17091470.
  2. ^ Weldeab S, Lea DW, Schneider RR, Andersen N (2007). „155 000 let západoafrického monzunu a oceánského tepelného vývoje“. Věda. 316 (5829): 1303–7. Bibcode:2007Sci ... 316.1303W. doi:10.1126 / science.1140461. PMID  17540896. S2CID  1667564.
  3. ^ Dobře, Stephen P .; Nikdo, Davide; Bowen, Gabriel (10.7.2015). „Hydrologická konektivita omezuje rozdělení globálních toků pozemské vody“. Věda. 349 (6244): 175–177. Bibcode:2015Sci ... 349..175G. doi:10.1126 / science.aaa5931. ISSN  0036-8075. PMID  26160944.
  4. ^ Evaristo, Jaivime; Jasechko, Scott; McDonnell, Jeffrey J. (2015). "Globální oddělení transpirace rostlin od podzemní vody a toku". Příroda. 525 (7567): 91–94. Bibcode:2015 Natur.525 ... 91E. doi:10.1038 / příroda14983. PMID  26333467. S2CID  4467297.
  5. ^ Tolosa I, Lopez JF, Bentaleb I, Fontugne M, Grimalt JO (1999). „Monitorování poměru izotopů uhlíku - plynová chromatografie hmotnostní spektrometrická měření v mořském prostředí: zdroje biomarkerů a aplikace paleoklimatu“. Sci. Celkem prostředí. 237–238: 473–81. Bibcode:1999ScTEn.237..473T. doi:10.1016 / S0048-9697 (99) 00159-X. PMID  10568296.
  6. ^ Shen JJ, You CF (2003). „Desetinásobné zlepšení přesnosti izotopové analýzy boru negativní hmotnostní spektrometrií s tepelnou ionizací“. Anální. Chem. 75 (9): 1972–7. doi:10.1021 / ac020589f. PMID  12720329.
  7. ^ Pearson, Ryan M .; van de Merwe, Jason P .; Gagan, Michael K .; Limpus, Colin J .; Connolly, Rod M. (2019). „Rozlišování mezi obživou mořských želv pomocí stabilních izotopů od komenzálních lastur“. Vědecké zprávy. 9 (1): 6565. Bibcode:2019NatSR ... 9.6565P. doi:10.1038 / s41598-019-42983-4. ISSN  2045-2322. PMC  6483986. PMID  31024029.
  8. ^ Graña Grilli, M .; Cherel, Y. (2017). „Skuas (Stercorarius spp.) peří těl těla během období rozmnožování i mezi rozmnožováním: důsledky pro stabilní vyšetřování izotopů u mořských ptáků “. Ibis. 159 (2): 266–271. doi:10.1111 / ibi.12441. S2CID  88836874.
  9. ^ Franzoi, A .; Bontempo, L .; Kardynal, K.J .; Camin, F .; Pedrini, P .; Hobson, K.A. (2020). „Původ a načasování migrace dvou druhů pěvců přes jižní Alpy: závěry z více stabilních izotopů (δ 2H, 5 13C, 5 15N, 5 34S) a vyzváněcí data ". Ibis. 162 (2): 293–306. doi:10.1111 / ibi.12717.
  10. ^ Pearson, RM; van de Merwe, JP; Limpus, CJ; Connolly, RM (2017). „Nové zaměření na studie izotopů mořské želvy potřebné pro splnění priorit ochrany“. Série pokroku v ekologii moří. 583: 259–271. Bibcode:2017MEPS..583..259P. doi:10,3 354 / meps12353. ISSN  0171-8630. S2CID  3947779.
  11. ^ Gutmann Roberts, Catherine; Britton, J. Robert (01.09.2018). „Trofické interakce v nížinné říční rybí komunitě napadené evropskou parmou Barbus barbus (Actinopterygii, Cyprinidae)“. Hydrobiologia. 819 (1): 259–273. doi:10.1007 / s10750-018-3644-6. ISSN  1573-5117.
  12. ^ Gutmann Roberts, Catherine; Bašić, čaj; Trigo, Fatima Amat; Britton, J. Robert (2017). „Trofické důsledky dotací rybářských říčních kaprovitých rybářům na základě živin získaných z moří“ (PDF). Sladkovodní biologie. 62 (5): 894–905. doi:10.1111 / fwb.12910. ISSN  1365-2427.
  13. ^ Casale J, Casale E, Collins M, Morello D, Cathapermal S, Panicker S (2006). „Stabilní izotopové analýzy heroinu zachyceného z obchodní lodi Pong Su“. J. Forensic Sci. 51 (3): 603–6. doi:10.1111 / j.1556-4029.2006.00123.x. PMID  16696708. S2CID  38051016.
  14. ^ Brooks, J. Renée; Buchmann, Nina; Phillips, Sue; Ehleringer, Bruce; Evans, R. David; Lott, Mike; Martinelli, Luiz A .; Pockman, William T .; Sandquist, Darren; Sparks, Jed P .; Sperry, Lynda; Williams, Dave; Ehleringer, James R. (říjen 2002). „Těžké a lehké pivo: uhlíkový izotopový přístup k detekci uhlíku C4 v pivech různých původů, stylů a cen“. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 50 (22): 6413–6418. doi:10.1021 / jf020594k. PMID  12381126. S2CID  18600025.
  15. ^ Morais, M.C .; Pellegrinetti, T. A.; Sturion, L.C .; Sattolo, T.M.S .; Martinelli, L.A. (únor 2019). "Stabilní uhlíkové izotopové složení naznačuje velkou přítomnost kukuřice v brazilských sójových omáčkách (shoyu)". Journal of Food Composition and Analysis. doi:10.1016 / j.jfca.2019.01.020.
  16. ^ Galera, Leonardo de Aro; Abdalla Filho, Adibe Luiz; Reis, Luiza Santos; Souza, Janaina Leite de; Hernandez, Yeleine Almoza; Martinelli, Luiz Antonio (20. února 2019). „Uhlíkové a dusíkové izotopové složení komerčního krmiva pro psy v Brazílii“. PeerJ. 7: e5828. doi:10,7717 / peerj.5828. PMC  6387582. PMID  30809425.
  17. ^ Autor, A (2012). "Stabilní analýza poměru izotopů ve sportovním antidopingu". Testování a analýza drog. 4 (12): 893–896. doi:10,1002 / dta.1399. PMID  22972693.
  18. ^ Cawley, Adam T .; Kazlauskas, Rymantas; Trout, Graham J .; Rogerson, Jill H .; George, Adrian V. (1985). „Izotopová frakcionace endogenních anabolických androgenních steroidů a její vztah k dopingové kontrole ve sportu“. Journal of Chromatographic Science. 43 (1): 32–38. doi:10.1093 / chromsci / 43.1.32. PMID  15808004.
  19. ^ Tsang, Man-Yin; Yao, Weiqi; Tse, Kevin (2020). Kim, Il-Nam (ed.). „Oxidované stříbrné poháry mohou zkosit výsledky izotopů kyslíku u malých vzorků“. Experimentální výsledky. 1: e12. doi:10.1017 / exp.2020.15. ISSN  2516-712X.