Соотношение стабильных изотопов

Термин «стабильный изотоп» имеет значение, аналогичное понятию «стабильный нуклид» , но предпочтительно используется, когда речь идет о нуклидах определенного элемента. Следовательно, форма множественного числа «стабильные изотопы» обычно относится к изотопам одного и того же элемента. Относительное содержание таких стабильных изотопов можно измерить экспериментально ( изотопный анализ ), получив соотношение изотопов, которое можно использовать в качестве инструмента исследования. Теоретически к таким стабильным изотопам могли бы относиться радиогенные дочерние продукты радиоактивного распада, используемые при радиометрическом датировании . Однако выражение « отношение стабильных изотопов» предпочтительно используется для обозначения изотопов, на относительное содержание которых влияет фракционирование изотопов в природе. Эта область называется геохимией стабильных изотопов .

Соотношения стабильных изотопов

Измерение соотношений встречающихся в природе 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 восстановления исторических температур атмосферы, что сделало их важными инструментами палеоклиматологии .

Эти изотопные системы более легких элементов, которые содержат более одного первичного изотопа для каждого элемента, исследуются в течение многих лет с целью изучения процессов фракционирования изотопов в природных системах. Долгая история изучения этих элементов отчасти объясняется тем, что доли стабильных изотопов в этих легких и летучих элементах относительно легко измерить. Однако недавние достижения в масс-спектрометрии изотопных отношений (т.е. масс-спектрометрия 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 соотношениях изотопов кислорода и водорода находят применение в гидрологии, поскольку большинство образцов находятся между двумя крайностями: океанской водой и арктическим/антарктическим снегом. ^[1] Имея образец воды из водоносного горизонта и достаточно чувствительный инструмент для измерения изменений изотопного соотношения 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 при разделении источников воды для транспирации растений и пополнения подземных вод . ^[3]^[4]

Другое применение - измерение палеотемпературы в палеоклиматологии . Например, один из методов основан на изменении изотопного фракционирования кислорода биологическими системами в зависимости от температуры. ^[5] Виды фораминифер содержат в своих панцирях кислород в виде карбоната кальция . Соотношение изотопов кислорода кислород-16 и кислород-18 , включенных в карбонат кальция, меняется в зависимости от температуры и изотопного состава кислорода воды. Этот кислород остается «закрепленным» в карбонате кальция, когда фораминифера погибает, падает на морское дно, а ее панцирь становится частью осадка. Можно выбрать стандартные виды фораминифер из срезов толщи отложений и, составив карту изменений соотношения изотопов кислорода, определить температуру, с которой форминиферы сталкивались в течение жизни, если можно ограничить изменения изотопного состава кислорода в воде. ^[6] Зависимость палеотемператур также позволила использовать соотношения изотопов карбоната кальция в панцирях ракушек для определения районов передвижения и домашнего кормления морских черепах и китов, на которых растут некоторые ракушки. ^[7]

В экологии соотношения изотопов углерода и азота широко используются для определения широкого рациона многих животных, находящихся на свободном выгуле. Они использовались для определения широкого рациона морских птиц и определения географических районов, где особи проводят сезон размножения и отсутствия размножения морских птиц. ^[8] и воробьиные. ^[9] В многочисленных экологических исследованиях изотопный анализ также использовался для понимания миграции, структуры пищевой сети, диеты и использования ресурсов. ^[10] например, изотопы водорода, чтобы измерить, сколько энергии, исходящей от деревьев, расположенных вдоль ручьев, поддерживается рост рыб в водной среде обитания. ^[11] Определение рациона водных животных с использованием стабильных изотопов получило особое распространение, поскольку прямые наблюдения затруднены. ^[12] Они также позволяют исследователям измерить, как взаимодействие человека с дикой природой, например, рыбалка, может изменить естественный рацион питания. ^[13]

В судебной медицине исследования показывают, что изменение определенных соотношений изотопов в наркотиках, полученных из растительных источников ( каннабис , кокаин ), можно использовать для определения континента происхождения наркотика. ^[14]

В пищевой науке анализ соотношения стабильных изотопов используется для определения состава пива. ^[15] соус сёю ^[16] и корм 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 проб. ^[20]

Хондритовые метеориты классифицируются по соотношению изотопов кислорода. Кроме того, необычная подпись углерода-13 подтверждает неземное происхождение органических соединений, обнаруженных в углистых хондритах , таких как метеорит Мерчисон .

Описанное выше использование соотношений стабильных изотопов относится к измерениям соотношений естественного происхождения. Научные исследования также основаны на измерении соотношений стабильных изотопов, которые были искусственно нарушены введением изотопно-обогащенного материала в исследуемое вещество, процесс или систему. Изотопное разбавление включает добавление к веществу обогащенного стабильного изотопа для количественного определения количества этого вещества путем измерения полученных соотношений изотопов. При маркировке изотопов используется обогащенный изотоп для маркировки вещества, чтобы проследить его продвижение, например, через химическую реакцию, метаболический путь или биологическую систему. Некоторые применения маркировки изотопов для достижения этой цели полагаются на измерение соотношений стабильных изотопов.

См. также

Библиография

Allègre CJ , 2008. Изотопная геология ( издательство Кембриджского университета ).
Фор Г., Mensing TM (2004), Изотопы: принципы и приложения ( John Wiley & Sons ).
Хофс Дж., 2004. Геохимия стабильных изотопов ( Springer Verlag ).
Шарп З., 2006. Принципы геохимии стабильных изотопов ( Прентис Холл ).

Ссылки

^ Хан Л.Ф., Грёнинг М., Аггарвал П., Хелликер Б.Р. (2006). «Надежное определение соотношений изотопов кислорода и водорода в атмосферных водяных парах, адсорбированных на молекулярном сите 3А». Быстрая коммуникация. Масс-спектр . 20 (23): 3612–8. Бибкод : 2006RCMS...20.3612H . дои : 10.1002/rcm.2772 . ПМИД 17091470 .
^ Уэлдеаб С., Леа Д.В., Шнайдер Р.Р., Андерсен Н. (2007). «155 000 лет западноафриканских муссонов и тепловой эволюции океана». Наука . 316 (5829): 1303–7. Бибкод : 2007Sci...316.1303W . дои : 10.1126/science.1140461 . ПМИД 17540896 . S2CID 1667564 .
^ Хорошо, Стивен П.; Никто, Дэвид; Боуэн, Габриэль (10 июля 2015 г.). «Гидрологическая связь ограничивает разделение глобальных потоков наземных вод» . Наука . 349 (6244): 175–177. Бибкод : 2015Sci...349..175G . дои : 10.1126/science.aaa5931 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 26160944 .
^ Эваристо, Хайвиме; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (2015). «Глобальное отделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Природа . 525 (7567): 91–94. Бибкод : 2015Natur.525...91E . дои : 10.1038/nature14983 . ПМИД 26333467 . S2CID 4467297 .
^ Толоса I, Лопес Х.Ф., Бенталеб И., Фонтюнь М., Гримальт Х.О. (1999). «Мониторинг соотношения изотопов углерода - газовая хроматография, масс-спектрометрические измерения в морской среде: источники биомаркеров и палеоклиматические применения». наук. Тотальная среда . 237–238: 473–81. Бибкод : 1999ScTEn.237..473T . дои : 10.1016/S0048-9697(99)00159-X . ПМИД 10568296 .
^ Шен Джей Джей, You CF (2003). «10-кратное улучшение точности изотопного анализа бора с помощью масс-спектрометрии с отрицательной термической ионизацией». Анальный. Хим . 75 (9): 1972–7. дои : 10.1021/ac020589f . ПМИД 12720329 .
^ Пирсон, Райан М.; ван де Мерве, Джейсон П.; Гаган, Майкл К.; Лимпус, Колин Дж.; Коннолли, Род М. (2019). «Различие районов кормления морских черепах с использованием стабильных изотопов из панцирей комменсальных ракушек» . Научные отчеты . 9 (1): 6565. Бибкод : 2019НатСР...9.6565П . дои : 10.1038/s41598-019-42983-4 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6483986 . ПМИД 31024029 .
^ Гранья Грилли, М.; Шерель, Ю. (2017). «Поморники ( Stercorarius spp.) линяют перья на теле как в период размножения, так и в период между размножениями: значение для исследований стабильных изотопов у морских птиц». Ибис . 159 (2): 266–271. дои : 10.1111/ibi.12441 . hdl : 11336/100443 . S2CID 88836874 .
^ Франсой, А.; Бонтемпо, Л.; Кардинал, К.Дж.; Камин, Ф.; Педрини, П.; Хобсон, Калифорния (2020). «Натальное происхождение и время миграции двух видов воробьиных через южные Альпы: выводы на основе множества стабильных изотопов (δ ²Ч, д ¹³С, д ¹⁵Н, д ³⁴S) и данные звонка» . Ibis . 162 (2): 293–306. doi : 10.1111/ibi.12717 .
^ Пирсон, РМ; ван де Мерве, JP; Лимпус, CJ; Коннолли, RM (2017). «Перестройка исследований изотопов морских черепах необходима в соответствии с приоритетами сохранения». Серия «Прогресс в области морской экологии» . 583 : 259–271. Бибкод : 2017MEPS..583..259P . дои : 10.3354/meps12353 . hdl : 10072/373398 . ISSN 0171-8630 . S2CID 3947779 .
^ Дусетт, Ричард Р.; Маркс, Джейн С.; Блинн, Дин В.; Кэрон, Мелани; Хангейт, Брюс А. (июнь 2007 г.). «Измерение наземных субсидий водным пищевым сетям с использованием стабильных изотопов водорода» . Экология . 88 (6): 1587–1592. дои : 10.1890/06-1184 . ISSN 0012-9658 . ПМИД 17601150 .
^ Гутманн Робертс, Кэтрин; Бриттон, Дж. Роберт (01 сентября 2018 г.). «Трофические взаимодействия в сообществе равнинных речных рыб, заселенном европейским усачом Barbus barbus (Actinopterygii, Cyprinidae)» . Гидробиология . 819 (1): 259–273. дои : 10.1007/s10750-018-3644-6 . ISSN 1573-5117 .
^ Гутманн Робертс, Кэтрин; Башич, Чай; Триго, Фатима Амат; Бриттон, Дж. Роберт (2017). «Трофические последствия субсидий рыболовам, основанных на питательных веществах морского происхождения, для речных карповых рыб» (PDF) . Пресноводная биология . 62 (5): 894–905. дои : 10.1111/fwb.12910 . ISSN 1365-2427 . S2CID 90349366 .
^ Казале Дж., Казале Э., Коллинз М., Морелло Д., Катапермал С., Паникер С. (2006). «Анализ стабильных изотопов героина, изъятого с торгового судна Pong Su». Дж. Судебная медицина . 51 (3): 603–6. дои : 10.1111/j.1556-4029.2006.00123.x . ПМИД 16696708 . S2CID 38051016 .
^ Брукс, Дж. Рене; Бухманн, Нина; Филлипс, Сью; Элерингер, Брюс; Эванс, Р. Дэвид; Лотт, Майк; Мартинелли, Луис А.; Покман, Уильям Т.; Сэндквист, Даррен; Спаркс, Джед П.; Сперри, Линда; Уильямс, Дэйв; Элерингер, Джеймс Р. (октябрь 2002 г.). «Тяжелое и легкое пиво: изотопный подход к обнаружению углерода C4 в пиве различного происхождения, стилей и цен». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 50 (22): 6413–6418. дои : 10.1021/jf020594k . ПМИД 12381126 . S2CID 18600025 .
^ Мораис, MC; Пеллегринетти, штат Калифорния; Стурион, ЖК; Саттоло, ТМС; Мартинелли, Луизиана (февраль 2019 г.). «Стабильный изотопный состав углерода указывает на большое присутствие кукурузы в бразильских соевых соусах (сёю)». Журнал пищевого состава и анализа . дои : 10.1016/j.jfca.2019.01.020 . S2CID 242358379 .
^ 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 .
^ Автор А (2012). «Анализ соотношения стабильных изотопов в спортивной борьбе с допингом». Тестирование и анализ наркотиков . 4 (12): 893–896. дои : 10.1002/dta.1399 . ПМИД 22972693 . {{cite journal}}: |last1= имеет общее имя ( справка )
^ 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. дои : 10.1093/chromsci/43.1.32 . ПМИД 15808004 .
^ Цанг, Мань-Инь; Яо, Вэйци; Це, Кевин (2020). Ким, Иль-Нам (ред.). «Окисленные серебряные чашки могут исказить результаты определения изотопов кислорода в небольших образцах» . Результаты экспериментов . 1 : е12. дои : 10.1017/exp.2020.15 . ISSN 2516-712X .

[pmid17091470-1] Хан Л.Ф., Грёнинг М., Аггарвал П., Хелликер Б.Р. (2006). «Надежное определение соотношений изотопов кислорода и водорода в атмосферных водяных парах, адсорбированных на молекулярном сите 3А». Быстрая коммуникация. Масс-спектр . 20 (23): 3612–8. Бибкод : 2006RCMS...20.3612H . дои : 10.1002/rcm.2772 . ПМИД 17091470 .

[pmid17540896-2] Уэлдеаб С., Леа Д.В., Шнайдер Р.Р., Андерсен Н. (2007). «155 000 лет западноафриканских муссонов и тепловой эволюции океана». Наука . 316 (5829): 1303–7. Бибкод : 2007Sci...316.1303W . дои : 10.1126/science.1140461 . ПМИД 17540896 . S2CID 1667564 .

[3] Хорошо, Стивен П.; Никто, Дэвид; Боуэн, Габриэль (10 июля 2015 г.). «Гидрологическая связь ограничивает разделение глобальных потоков наземных вод» . Наука . 349 (6244): 175–177. Бибкод : 2015Sci...349..175G . дои : 10.1126/science.aaa5931 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 26160944 .

[4] Эваристо, Хайвиме; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (2015). «Глобальное отделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Природа . 525 (7567): 91–94. Бибкод : 2015Natur.525...91E . дои : 10.1038/nature14983 . ПМИД 26333467 . S2CID 4467297 .

[pmid10568296-5] Толоса I, Лопес Х.Ф., Бенталеб И., Фонтюнь М., Гримальт Х.О. (1999). «Мониторинг соотношения изотопов углерода - газовая хроматография, масс-спектрометрические измерения в морской среде: источники биомаркеров и палеоклиматические применения». наук. Тотальная среда . 237–238: 473–81. Бибкод : 1999ScTEn.237..473T . дои : 10.1016/S0048-9697(99)00159-X . ПМИД 10568296 .

[pmid12720329-6] Шен Джей Джей, You CF (2003). «10-кратное улучшение точности изотопного анализа бора с помощью масс-спектрометрии с отрицательной термической ионизацией». Анальный. Хим . 75 (9): 1972–7. дои : 10.1021/ac020589f . ПМИД 12720329 .

[7] Пирсон, Райан М.; ван де Мерве, Джейсон П.; Гаган, Майкл К.; Лимпус, Колин Дж.; Коннолли, Род М. (2019). «Различие районов кормления морских черепах с использованием стабильных изотопов из панцирей комменсальных ракушек» . Научные отчеты . 9 (1): 6565. Бибкод : 2019НатСР...9.6565П . дои : 10.1038/s41598-019-42983-4 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6483986 . ПМИД 31024029 .

[8] Гранья Грилли, М.; Шерель, Ю. (2017). «Поморники ( Stercorarius spp.) линяют перья на теле как в период размножения, так и в период между размножениями: значение для исследований стабильных изотопов у морских птиц». Ибис . 159 (2): 266–271. дои : 10.1111/ibi.12441 . hdl : 11336/100443 . S2CID 88836874 .

[9] Франсой, А.; Бонтемпо, Л.; Кардинал, К.Дж.; Камин, Ф.; Педрини, П.; Хобсон, Калифорния (2020). «Натальное происхождение и время миграции двух видов воробьиных через южные Альпы: выводы на основе множества стабильных изотопов (δ ²Ч, д ¹³С, д ¹⁵Н, д ³⁴S) и данные звонка» . Ibis . 162 (2): 293–306. doi : 10.1111/ibi.12717 .

[10] Пирсон, РМ; ван де Мерве, JP; Лимпус, CJ; Коннолли, RM (2017). «Перестройка исследований изотопов морских черепах необходима в соответствии с приоритетами сохранения». Серия «Прогресс в области морской экологии» . 583 : 259–271. Бибкод : 2017MEPS..583..259P . дои : 10.3354/meps12353 . hdl : 10072/373398 . ISSN 0171-8630 . S2CID 3947779 .

[11] Дусетт, Ричард Р.; Маркс, Джейн С.; Блинн, Дин В.; Кэрон, Мелани; Хангейт, Брюс А. (июнь 2007 г.). «Измерение наземных субсидий водным пищевым сетям с использованием стабильных изотопов водорода» . Экология . 88 (6): 1587–1592. дои : 10.1890/06-1184 . ISSN 0012-9658 . ПМИД 17601150 .

[12] Гутманн Робертс, Кэтрин; Бриттон, Дж. Роберт (01 сентября 2018 г.). «Трофические взаимодействия в сообществе равнинных речных рыб, заселенном европейским усачом Barbus barbus (Actinopterygii, Cyprinidae)» . Гидробиология . 819 (1): 259–273. дои : 10.1007/s10750-018-3644-6 . ISSN 1573-5117 .

[13] Гутманн Робертс, Кэтрин; Башич, Чай; Триго, Фатима Амат; Бриттон, Дж. Роберт (2017). «Трофические последствия субсидий рыболовам, основанных на питательных веществах морского происхождения, для речных карповых рыб» (PDF) . Пресноводная биология . 62 (5): 894–905. дои : 10.1111/fwb.12910 . ISSN 1365-2427 . S2CID 90349366 .

[pmid16696708-14] Казале Дж., Казале Э., Коллинз М., Морелло Д., Катапермал С., Паникер С. (2006). «Анализ стабильных изотопов героина, изъятого с торгового судна Pong Su». Дж. Судебная медицина . 51 (3): 603–6. дои : 10.1111/j.1556-4029.2006.00123.x . ПМИД 16696708 . S2CID 38051016 .

[15] Брукс, Дж. Рене; Бухманн, Нина; Филлипс, Сью; Элерингер, Брюс; Эванс, Р. Дэвид; Лотт, Майк; Мартинелли, Луис А.; Покман, Уильям Т.; Сэндквист, Даррен; Спаркс, Джед П.; Сперри, Линда; Уильямс, Дэйв; Элерингер, Джеймс Р. (октябрь 2002 г.). «Тяжелое и легкое пиво: изотопный подход к обнаружению углерода C4 в пиве различного происхождения, стилей и цен». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 50 (22): 6413–6418. дои : 10.1021/jf020594k . ПМИД 12381126 . S2CID 18600025 .

[16] Мораис, MC; Пеллегринетти, штат Калифорния; Стурион, ЖК; Саттоло, ТМС; Мартинелли, Луизиана (февраль 2019 г.). «Стабильный изотопный состав углерода указывает на большое присутствие кукурузы в бразильских соевых соусах (сёю)». Журнал пищевого состава и анализа . дои : 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. дои : 10.1002/dta.1399 . ПМИД 22972693 . {{cite journal}}: |last1= имеет общее имя ( справка )

[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. дои : 10.1093/chromsci/43.1.32 . ПМИД 15808004 .

[20] Цанг, Мань-Инь; Яо, Вэйци; Це, Кевин (2020). Ким, Иль-Нам (ред.). «Окисленные серебряные чашки могут исказить результаты определения изотопов кислорода в небольших образцах» . Результаты экспериментов . 1 : е12. дои : 10.1017/exp.2020.15 . ISSN 2516-712X .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]