Izotopový podpis [1] [2] [3] [4] [5] (nebo izotopový podpis [6] [7] [8] ) je specifický poměr neradioaktivních "stabilních izotopů " nebo relativně stabilních radioaktivních izotopů nebo nestabilních radioaktivní izotopy určitých chemických prvků ve studovaném materiálu. Izotopové poměry ve vzorku jsou zkoumány pomocí izotopové hmotnostní spektrometrie . Viz také analýza izotopů .
Atomová hmotnost různých izotopů ovlivňuje jejich kinetické chování při chemických reakcích, což vede k jejich separačním procesům .
| skupina řas | Rozsah δ 13 C [9] |
|---|---|
| Červené řasy pomocí HCO− 3 |
-22,5‰ až -9,6‰ |
| Červené řasy pomocí CO2 |
-34,5‰ až -29,9‰ |
| hnědé řasy | -20,8‰ až -10,5‰ |
| zelené řasy | -20,3‰ až -8,8‰ |
Například různé zdroje metanu vstupujícího do atmosféry mají různé poměry izotopů 12C a 13C , což umožňuje rozlišit příspěvek různých zdrojů metanu tímto poměrem. V geochemii , paleoklimatologii a paleooceanografii se tento poměr nazývá δ 13 C.
Podobně uhlík v uhličitanech anorganického původu se vyznačuje nízkou úrovní izotopové frakcionace, zatímco uhlík v látkách a materiálech spojených jejich původem s fotosyntézou je ve srovnání s atmosférou ochuzen o izotop těžkého uhlíku. Kromě toho mají rostliny několik možností pro biochemické cesty fixace uhlíku a fotosyntézy , které se liší úrovní frakcionace izotopů 12C a 13C . Na jedné straně jde o C 3 -fotosyntézu (Calvinův cyklus) , u které je efekt separace izotopů výraznější, na druhé straně o C 4 -fotosyntézu (Hatch-Slack-Karpilovův cyklus), jejíž produkty jsou bohatší na těžší atomy uhlíku 13 C a CAM -fotosyntéza ( ang. Crassulaceae acid metabolism - kyselý metabolismus Crassulaceae ), jejíž výsledky jsou podobné, ale méně výrazné než u C 4 -fotosyntetiky. Rozdílné izotopové poměry charakteristické pro hlavní dva typy fotosyntetických rostlin jsou distribuovány podél potravního řetězce a pomocí izotopové analýzy tkání a kostního kolagenu je lze určit, což odpovídá na otázku, zda se hlavní potrava člověka nebo zvířete skládala hlavně rostlin C3 ( obr . , pšenice , sója , brambory ) nebo rostlin C4 ( kukuřice nebo hovězí maso získané výkrmem krav kukuřicí). Podobně mořské ryby obsahují více 13C než sladkovodní ryby, přičemž pořadí rozdílu je podobné jako u fotosyntetik C4 a C3 .
Poměr izotopů uhlíku 13 C a 12 C v těchto rostlinných druzích je následující [10] :
Vápence, které jsou mořskými sedimentárními horninami a k jejichž tvorbě dochází za účasti atmosférického oxidu uhličitého, obsahují normální podíl 13 C. Naproti tomu vápence umístěné v solných dómech pocházejí z oxidu uhličitého, který vznikl oxidací ropa, která je díky svému bioorganickému původu ochuzena o 13 c.
Radioaktivní izotop 14 C je důležitý pro odlišení biosyntetizovaných materiálů od umělých. Biogenní chemikálie mají svůj původ v biosférickém uhlíku, který obsahuje 14C . Uhlík v umělých materiálech je typicky odvozen z fosilních paliv , jako je uhlí nebo ropa , kde původně přítomný 14C klesl pod detekovatelnou úroveň. Proto množství 14 C aktuálně přítomné ve vzorku udává podíl uhlíku moderního biogenního původu.
Poměr 15 N / 14 N má tendenci se zvyšovat s rostoucími trofickými úrovněmi v ekologické pyramidě . Například býložravci mají vyšší hodnoty izotopu dusíku 15N než rostliny a masožravci mají vyšší hodnoty než býložravci. V závislosti na typu studované živočišné tkáně se poměr 15 N / 14 N zvyšuje o 3–4 ‰ na každé trofické úrovni. Řada dalších environmentálních a fyziologických faktorů může také ovlivnit izotopové složení dusíku na bázi potravní sítě (tj. v rostlinách) nebo na úrovni jednotlivých živočichů. Například v suchých oblastech má cyklus dusíku tendenci být více „otevřený“ a náchylný ke ztrátě dusíku ( zejména 14N) [ 11 ] . To má za následek relativně vyšší hodnoty δ 15 N u rostlin a živočichů v horkých a suchých ekosystémech ve srovnání s chladnějšími a vlhčími ekosystémy [12] .
Protože se poměr 15N/14N zvyšuje o 3–4 ‰ na každé trofické úrovni, tkáně, zejména vlasy , veganů obsahují výrazně nižší procento 15N než orgány lidí, kteří jedí převážně maso. Izotopová analýza vlasů je důležitým zdrojem informací pro archeology a poskytuje vodítka o starověké stravě. Diety spojené s potravinami kontinentálního původu mají za následek jiný izotopický podpis než dieta sestávající z potravin mořského původu. Tento fenomén se využívá při analýze kulturních vazeb starověkých národů s různými zdroji potravy [13] .
Poměry stabilních izotopů dusíku také slouží jako diagnostický nástroj v planetární vědě , protože tento poměr, nalezený v atmosférách planet a v hmotě na jejich površích, „úzce souvisí s podmínkami, ve kterých hmota vzniká“ [14 ] .
Kyslík existuje ve třech variantách, ale 17O je tak vzácný, že je velmi obtížné jej detekovat (koncentrace ~ 0,04 %) [15] . Poměr 18 O/ 16 O ve vodě závisí na době trvání odpařování, kterému byla daná masa vody vystavena ( 18 O je těžší, a proto je méně pravděpodobné, že se vypaří). Protože rychlost odpařování negativně souvisí s koncentrací rozpuštěných solí [16] a pozitivně souvisí s teplotou, poměr 18O/16O ukazuje korelaci s kombinovaným měřením slanosti a teploty vody. Staletí stará ložiska lasturových hornin tak mohou sloužit jako zdroj dat o dynamice teploty a salinity vody v dané oblasti, získaných z poměru izotopů kyslíku v uhličitanu vápenatém lastur.
Poměr izotopů kyslíku v atmosféře se předvídatelně mění s ročním obdobím a geografií; například 18 O- bohaté srážky v Montaně a 18 O-ochuzené srážky ve Florida Keys se liší o 2 %. Tato variabilita může být použita k určení přibližné oblasti geografického původu materiálu. Tímto způsobem lze například určit, kde byl daný oxid uranu vyroben . Je třeba vzít v úvahu rychlost výměny povrchových izotopů s okolím [17] .
Olovo obsahuje čtyři stabilní izotopy : 204Pb , 206Pb , 207Pb a 208Pb . Rozdíly v poměru uranu / thoria / olova v různých regionech jsou důvodem pro širokou lokálně specifickou variabilitu poměru izotopů olova charakteristickou pro různé geografické oblasti a body. Olovo vypouštěné do atmosféry v důsledku průmyslové činnosti má jiné izotopové složení než olovo v minerálech. Použití benzinu s přísadami olova vedlo k rozsáhlému výskytu mikronizovaných částic bohatých na olovo ve výfukových plynech automobilů. Zejména ve městech je antropogenní znečištění olovem mnohem častější než přírodním olovem. Rozdíly v izotopovém složení částic olova nalezených na místě lze použít k přiblížení jeho původu [17] .
Radioaktivní částice, částice radioaktivního spadu a radioaktivní odpad mají také různé izotopové podpisy. Jejich radionuklidové složení (a tedy i stáří a původ) lze určit pomocí hmotnostní spektrometrie nebo pomocí gamaspektrometrie. Například částice produkované jaderným výbuchem budou obsahovat detekovatelné množství 60 Co a 152 Eu . V emisích z černobylské havárie tyto prvky chyběly, ale bylo tam 125 Sb a 144 Ce . Radioaktivní kontaminace z testování pod vodou bude sestávat především z ozářených mořských solí. Poměry 152 Eu / 155 Eu, 154 Eu / 155 Eu a 238 Pu / 239 Pu jsou také odlišné u jaderných a termonukleárních výbuchů , což umožňuje identifikovat radioaktivní částice neznámého původu.
S příchodem stabilní izotopové hmotnostní spektrometrie se ve forenzní vědě stále více používají izotopové podpisy materiálů. Pomocí této metody je možné zjistit původ té či oné podobné látky nebo vysledovat cestu vzorků od jejich společného zdroje. Například izotopové znaky rostlin mohou být do určité míry ovlivněny podmínkami růstu, včetně dostupnosti vlhkosti a dostupnosti živin. V případě syntetických materiálů je signatura ovlivněna podmínkami, za kterých k chemické reakci došlo. Profilování izotopového podpisu je užitečné, když jiné profilování, jako je charakterizace nečistot, není optimální. Elektronika spojená se scintilačními detektory se běžně používá k vyhodnocení izotopových signatur a identifikaci neznámých zdrojů určitých látek. (jeden příklad je Isotope Identifier - SAM 940 Defender )
Byla publikována studie prokazující schopnost určit původ konvenční hnědé balicí pásky analýzou uhlíkových, kyslíkových a vodíkových izotopových signatur filmového polymeru, přísad a lepidla [18] .
Měření poměru izotopů uhlíku lze použít k detekci falšování medu. Přidání cukru vyrobeného z kukuřice nebo cukrové třtiny (rostliny s C 4 fotosyntézou ) zkresluje poměry izotopů cukrů přítomných v medu, ale neovlivňuje poměry izotopů bílkovin; v čistém medu musí odpovídat poměr izotopů uhlíku cukrů a bílkovin [19] . Aditiva lze detekovat již v 7 % [20] .
Jaderné výbuchy vedou ke vzniku 10 Be v důsledku interakce rychlých neutronů s 13 C v oxidu uhličitém ve vzduchu. Jedná se o jeden z historických ukazatelů minulých aktivit na jaderných testovacích místech [21] .
Izotopové podpisy se používají ke studiu původu hmoty ve sluneční soustavě [22] . Například poměr izotopů kyslíku na Měsíci se zdá být v zásadě totožný s poměrem na Zemi [23] . Poměry izotopů kyslíku, které lze velmi přesně změřit, dávají každému tělesu ve Sluneční soustavě jedinečný izotopický podpis [24] . Rozdíly v izotopových signaturách kyslíku mohou sloužit jako indikátor původu hmoty, která skončila ve vesmíru [25] . Poměr izotopů titanu ( 50 Ti / 47 Ti) na Měsíci se zjevně také blíží zemskému (do 4 ppm) [26] [27] . V roce 2013 byla zveřejněna studie, která uvádí, že izotopové složení vody v měsíčním magmatu je „nerozlišitelné“ od toho v uhlíkatých chondritech a téměř stejné jako na Zemi [22] [28] .