stringtranslate.com

Соотношение стабильных изотопов

Термин стабильный изотоп имеет значение, похожее на стабильный нуклид , но предпочтительно используется, когда речь идет о нуклидах определенного элемента. Следовательно, множественная форма стабильные изотопы обычно относится к изотопам того же элемента. Относительное содержание таких стабильных изотопов может быть измерено экспериментально ( изотопный анализ ), что дает изотопное соотношение, которое может быть использовано в качестве исследовательского инструмента. Теоретически, такие стабильные изотопы могут включать радиогенные дочерние продукты радиоактивного распада, используемые в радиометрическом датировании . Однако выражение стабильное изотопное соотношение предпочтительно используется для обозначения изотопов, относительное содержание которых зависит от фракционирования изотопов в природе. Эта область называется геохимией стабильных изотопов .

Соотношения стабильных изотопов

Измерение соотношений природных стабильных изотопов ( изотопный анализ ) играет важную роль в изотопной геохимии , но стабильные изотопы (в основном водород , углерод , азот , кислород и сера ) также находят применение в экологических и биологических исследованиях. Другие исследователи использовали соотношения изотопов кислорода для реконструкции исторических атмосферных температур, что делает их важными инструментами для палеоклиматологии .

Эти изотопные системы для более легких элементов, которые демонстрируют более одного первичного изотопа для каждого элемента, изучаются в течение многих лет с целью изучения процессов фракционирования изотопов в природных системах. Долгая история изучения этих элементов отчасти объясняется тем, что пропорции стабильных изотопов в этих легких и летучих элементах сравнительно легко измерить. Однако недавние достижения в области масс-спектрометрии изотопных отношений (т. е. масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с несколькими коллекторами) теперь позволяют измерять изотопные отношения в более тяжелых стабильных элементах, таких как железо , медь , цинк , молибден и т. д.

Приложения

Изменения в соотношении изотопов кислорода и водорода имеют применение в гидрологии, поскольку большинство образцов лежат между двумя крайностями: океанской водой и арктическим/антарктическим снегом. [1] Имея образец воды из водоносного горизонта и достаточно чувствительный инструмент для измерения изменения в соотношении изотопов водорода в образце, можно сделать вывод об источнике, будь то океанская вода или осадки, просачивающиеся в водоносный горизонт, и даже оценить пропорции из каждого источника. [2] Стабильные изотопологи воды также используются для разделения источников воды для транспирации растений и пополнения подземных вод . [3] [4]

Другое применение — измерение палеотемпературы для палеоклиматологии . Например, один из методов основан на изменении изотопного фракционирования кислорода биологическими системами в зависимости от температуры. [5] Виды фораминифер включают кислород в виде карбоната кальция в своих раковинах. Соотношение изотопов кислорода кислорода-16 и кислорода-18, включенных в карбонат кальция, меняется в зависимости от температуры и изотопного состава кислорода воды. Этот кислород остается «фиксированным» в карбонате кальция, когда фораминифера умирает, падает на морское дно, а ее раковина становится частью осадка. Можно выбрать стандартные виды фораминифер из разрезов через колонку осадка и, картируя изменение изотопного соотношения кислорода, вывести температуру, с которой Фораминифера сталкивалась в течение жизни, если изменения в изотопном составе кислорода воды могут быть ограничены. [6] Палеотемпературные соотношения также позволили использовать изотопные соотношения карбоната кальция в раковинах морских желудей для определения перемещений и мест обитания морских черепах и китов, на которых растут некоторые морские желуди. [7]

В экологии соотношения изотопов углерода и азота широко используются для определения общих рационов многих свободно перемещающихся животных. Они использовались для определения общих рационов морских птиц и для выявления географических областей, где особи проводят сезон размножения и не сезон размножения у морских птиц [8] и воробьиных. [9] Многочисленные экологические исследования также использовали изотопный анализ для понимания миграции, структуры пищевой цепи, рациона и использования ресурсов, [10] таких как изотопы водорода для измерения того, сколько энергии от прибрежных деревьев поддерживает рост рыб в водных местообитаниях. [11] Определение рациона водных животных с использованием стабильных изотопов было особенно распространено, поскольку прямые наблюдения затруднительны. [12] Они также позволяют исследователям измерять, как взаимодействие человека с дикой природой, например, рыбная ловля, может изменять естественный рацион. [13]

В судебной медицине исследования показывают, что изменение определенных изотопных соотношений в наркотиках, полученных из растительных источников ( каннабис , кокаин ), может быть использовано для определения континента происхождения наркотика. [14]

В пищевой науке анализ соотношения стабильных изотопов использовался для определения состава пива [15] , соуса сёю [16] и корма для собак [17] .

Анализ соотношения стабильных изотопов также применяется в допинг-контроле , чтобы различать эндогенные и экзогенные ( синтетические ) источники гормонов . [18] [19]

Точное измерение соотношений стабильных изотопов зависит от правильных процедур анализа, подготовки и хранения образцов. [20]

Метеориты- хондриты классифицируются с использованием соотношений изотопов кислорода. Кроме того, необычная сигнатура углерода-13 подтверждает неземное происхождение органических соединений, обнаруженных в углеродистых хондритах , как в метеорите Мурчисон .

Описанное выше использование стабильных изотопных соотношений относится к измерениям естественных соотношений. Научные исследования также опираются на измерение стабильных изотопных соотношений, которые были искусственно нарушены введением изотопно обогащенного материала в исследуемое вещество, процесс или систему. Изотопное разбавление включает добавление обогащенного стабильного изотопа к веществу для количественной оценки количества этого вещества путем измерения полученных изотопных соотношений. Изотопная маркировка использует обогащенный изотоп для маркировки вещества с целью отслеживания его прогресса, например, через химическую реакцию, метаболический путь или биологическую систему. Некоторые приложения изотопной маркировки опираются на измерение стабильных изотопных соотношений для достижения этой цели.

Смотрите также

Библиография

Ссылки

  1. ^ Han LF, Gröning M, Aggarwal P, Helliker BR (2006). «Надежное определение соотношений изотопов кислорода и водорода в атмосферном водяном паре, адсорбированном на молекулярном сите 3A». Rapid Commun. Mass Spectrom . 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 лет муссона Западной Африки и термической эволюции океана». Science . 316 (5829): 1303–7. Bibcode :2007Sci...316.1303W. doi :10.1126/science.1140461. PMID  17540896. S2CID  1667564.
  3. ^ Good, Stephen P.; Noone, David; Bowen, Gabriel (2015-07-10). «Гидрологическая связанность ограничивает разделение глобальных потоков наземной воды». Science . 349 (6244): 175–177. Bibcode :2015Sci...349..175G. doi : 10.1126/science.aaa5931 . ISSN  0036-8075. PMID  26160944.
  4. ^ Эваристо, Хаивиме; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (2015). «Глобальное разделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Nature . 525 (7567): 91–94. Bibcode :2015Natur.525...91E. doi :10.1038/nature14983. PMID  26333467. S2CID  4467297.
  5. ^ Tolosa I, Lopez JF, Bentaleb I, Fontugne M, Grimalt JO (1999). "Мониторинг соотношения изотопов углерода - масс-спектрометрические измерения с помощью газовой хроматографии в морской среде: источники биомаркеров и палеоклиматические приложения". Sci. Total Environ . 237–238: 473–81. Bibcode :1999ScTEn.237..473T. doi :10.1016/S0048-9697(99)00159-X. PMID  10568296.
  6. ^ Shen JJ, You CF (2003). «Десятикратное улучшение точности изотопного анализа бора с помощью масс-спектрометрии с отрицательной термической ионизацией». Anal. Chem . 75 (9): 1972–7. doi :10.1021/ac020589f. PMID  12720329.
  7. ^ Пирсон, Райан М.; ван де Мерве, Джейсон П.; Гаган, Майкл К.; Лимпус, Колин Дж.; Коннолли, Род М. (2019). «Различение районов кормления морских черепах с использованием стабильных изотопов из раковин морских желудей». Scientific Reports . 9 (1): 6565. Bibcode :2019NatSR...9.6565P. doi :10.1038/s41598-019-42983-4. ISSN  2045-2322. PMC 6483986 . PMID  31024029. 
  8. ^ Гранья Грилли, М.; Черель, И. (2017). «Поморники ( Stercorarius spp.) линяют перьями во время размножения и межвидового размножения: последствия для исследований стабильных изотопов у морских птиц». Ibis . 159 (2): 266–271. doi :10.1111/ibi.12441. hdl : 11336/100443 . S2CID  88836874.
  9. ^ Franzoi, A.; Bontempo, L.; Kardynal, KJ; Camin, F.; Pedrini, P.; Hobson, KA (2020). «Натальное происхождение и сроки миграции двух видов воробьиных через Южные Альпы: выводы из нескольких стабильных изотопов (δ 2H, δ 13C, δ 15N, δ 34S) и данных кольцевания». Ibis . 162 (2): 293–306. doi : 10.1111/ibi.12717 .
  10. ^ Pearson, RM; van de Merwe, JP; Limpus, CJ; Connolly, RM (2017). «Необходимо пересмотреть изотопные исследования морских черепах для соответствия приоритетам сохранения». Серия «Прогресс морской экологии» . 583 : 259–271. Bibcode : 2017MEPS..583..259P. doi : 10.3354/meps12353. hdl : 10072/373398 . ISSN  0171-8630. S2CID  3947779.
  11. ^ Дусетт, Ричард Р.; Маркс, Джейн К.; Блинн, Дин В.; Кэрон, Мелани; Хангейт, Брюс А. (июнь 2007 г.). «Измерение наземных субсидий водным пищевым цепям с использованием стабильных изотопов водорода». Экология . 88 (6): 1587–1592. doi :10.1890/06-1184. ISSN  0012-9658. PMID  17601150.
  12. ^ Гутманн Робертс, Кэтрин; Бриттон, Дж. Роберт (2018-09-01). «Трофические взаимодействия в сообществе рыб равнинной реки, вторгшихся в европейский усач Barbus barbus (Actinopterygii, Cyprinidae)». Hydrobiologia . 819 (1): 259–273. doi : 10.1007/s10750-018-3644-6 . ISSN  1573-5117.
  13. ^ Гутманн Робертс, Кэтрин; Башич, Теа; Триго, Фатима Амат; Бриттон, Дж. Роберт (2017). «Трофические последствия для речных карповых рыб субсидий рыболовам на основе питательных веществ морского происхождения» (PDF) . Freshwater Biology . 62 (5): 894–905. doi :10.1111/fwb.12910. ISSN  1365-2427. S2CID  90349366.
  14. ^ Casale J, Casale E, Collins M, Morello D, Cathapermal S, Panicker S (2006). «Анализ стабильных изотопов героина, изъятого с торгового судна Pong Su». J. Forensic Sci . 51 (3): 603–6. doi :10.1111/j.1556-4029.2006.00123.x. PMID  16696708. S2CID  38051016.
  15. ^ Брукс, Дж. Рене; Бухманн, Нина; Филлипс, Сью; Элерингер, Брюс; Эванс, Р. Дэвид; Лотт, Майк; Мартинелли, Луис А.; Покман, Уильям Т.; Сандквист, Даррен; Спаркс, Джед П.; Сперри, Линда; Уильямс, Дэйв; Элерингер, Джеймс Р. (октябрь 2002 г.). «Тяжелое и легкое пиво: подход с использованием изотопов углерода для обнаружения углерода C4 в пиве разного происхождения, стилей и цен». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 50 (22): 6413–6418. doi :10.1021/jf020594k. PMID  12381126. S2CID  18600025.
  16. ^ Morais, MC; Pellegrinetti, TA; Sturion, LC; Sattolo, TMS; Martinelli, LA (февраль 2019 г.). «Стабильный изотопный состав углерода указывает на большое присутствие кукурузы в бразильских соевых соусах (сёю)». Журнал состава и анализа пищевых продуктов . doi : 10.1016/j.jfca.2019.01.020. S2CID  242358379.
  17. ^ Галера, Леонардо де Аро; Абдалла Фильо, Адибе Луис; Рейс, Луиза Сантос; Соуза, Джанайна Лейте де; Эрнандес, Елейн Альмоза; Мартинелли, Луис Антонио (20 февраля 2019 г.). «Изотопный состав углерода и азота коммерческих кормов для собак в Бразилии». ПерДж . 7 : е5828. дои : 10.7717/peerj.5828 . ПМК 6387582 . ПМИД  30809425. 
  18. ^ Автор, А (2012). «Анализ соотношения стабильных изотопов в спортивной борьбе с допингом». Тестирование и анализ наркотиков . 4 (12): 893–896. doi :10.1002/dta.1399. PMID  22972693. {{cite journal}}: |last1=имеет общее название ( помощь )
  19. ^ Коули, Адам Т.; Казлаускас, Римантас; Траут, Грэм Дж.; Роджерсон, Джилл Х.; Джордж, Адриан В. (1985). «Изотопное фракционирование эндогенных анаболических андрогенных стероидов и его связь с допинг-контролем в спорте». Журнал хроматографической науки . 43 (1): 32–38. doi :10.1093/chromsci/43.1.32. PMID  15808004.
  20. ^ Цанг, Ман-Инь; Яо, Вэйци; Це, Кевин (2020). Ким, Иль-Нам (ред.). «Окисленные серебряные чашки могут искажать результаты изотопного анализа кислорода небольших образцов». Экспериментальные результаты . 1 : e12. doi : 10.1017/exp.2020.15 . ISSN  2516-712X.