Изотопный анализ

Магнитно-секторный масс-спектрометр, используемый для анализа соотношения изотопов посредством термической ионизации.

Изотопный анализ – это выявление изотопной сигнатуры , содержания определенных стабильных изотопов химических элементов в органических и неорганических соединениях . Изотопный анализ можно использовать для понимания потока энергии через пищевую сеть , для реконструкции прошлых экологических и климатических условий, для исследования рациона человека и животных, для идентификации пищевых продуктов и множества других физических, геологических, палеонтологических и химических процессов. Соотношение стабильных изотопов измеряется с помощью масс-спектрометрии , которая разделяет различные изотопы элемента на основе их отношения массы к заряду .

Пораженные ткани

Изотопный кислород поступает , в организм в основном при приеме внутрь после чего он используется для формирования костей и зубов в археологических целях . Кислород входит в состав гидроксикарбонового апатита кости и зубной эмали .

Кость постоянно реконструируется на протяжении всей жизни человека. Хотя скорость обмена изотопного кислорода в гидроксиапатите до конца не известна, предполагается, что она аналогична скорости обмена в коллагене ; примерно 10 лет. Следовательно, если человек останется в данном регионе в течение 10 лет или дольше, изотопные соотношения кислорода в костном гидроксиапатите будут отражать изотопные соотношения кислорода, присутствующие в этом регионе.

Зубы не подвергаются постоянному ремоделированию, поэтому их изотопное соотношение кислорода остается постоянным с момента формирования. Таким образом, изотопные соотношения кислорода в зубах представляют собой соотношения региона, в котором человек родился и вырос. При наличии молочных зубов также можно определить возраст отлучения ребенка от груди . Производство грудного молока зависит от воды в организме матери, которая имеет более высокий уровень содержания ¹⁸ O из-за преимущественной потери ¹⁶ O через пот, мочу и выдыхаемый водяной пар.

Хотя зубы более устойчивы к химическим и физическим изменениям с течением времени, оба они подвержены постдепозиционному диагенезу . Таким образом, в изотопном анализе используются более устойчивые фосфатные группы, а не менее распространенные гидроксильные группы или более вероятные диагенетические карбонатные группы.

Приложения

Изотопный анализ имеет широкое применение в естественных науках . К ним относятся многочисленные применения в биологических науках , науках о Земле и окружающей среде .

Археология

Основная статья: Изотопный анализ в археологии

Реконструкция древних диет

Археологические материалы, такие как кости, органические остатки, волосы или морские раковины, могут служить субстратом для изотопного анализа. Соотношения изотопов углерода , азота и цинка используются для исследования рациона людей прошлого; эти изотопные системы можно использовать вместе с другими, такими как стронций или кислород, для ответа на вопросы о перемещениях населения и культурных взаимодействиях, таких как торговля.

Изотопы углерода анализируются в археологии, чтобы определить источник углерода в основании пищевой цепи. Изучение ¹² С / ¹³ По соотношению изотопов C можно определить, питались ли животные и люди преимущественно C3 или C4 . растениями Потенциальные источники пищи C3 включают пшеницу , рис , клубни , фрукты , орехи и многие овощи , а источники пищи C4 — просо и сахарный тростник. Соотношения изотопов углерода также можно использовать для различения морских, пресноводных и наземных источников пищи.

Соотношения изотопов углерода можно измерить в костном коллагене или костном минерале ( гидроксилапатите ), и каждую из этих фракций кости можно проанализировать, чтобы пролить свет на различные компоненты диеты. Углерод в костном коллагене преимущественно поступает из пищевого белка, тогда как углерод, содержащийся в костных минералах, поступает из всего потребляемого с пищей углерода, включая углеводы, липиды и белки.

Изотопы азота можно использовать для определения состояния почвы, а обогащенный δ15N используется для вывода о добавлении навоза . Сложность заключается в том, что обогащение также происходит в результате факторов окружающей среды, таких как денитрификация водно-болотных угодий , засоление , засушливость , микробы и очистка .

Чтобы получить точную картину палеодиет, важно понять процессы диагенеза , которые могут повлиять на исходный изотопный сигнал. Исследователю также важно знать вариации изотопов внутри отдельных людей, между людьми и с течением времени.

Поиск археологических материалов

Изотопный анализ оказался особенно полезен в археологии как средство характеристики. Характеристика артефактов включает определение изотопного состава возможных исходных материалов, таких как металлические рудные тела, и сравнение этих данных с изотопным составом анализируемых артефактов. С помощью изотопной характеристики был получен широкий спектр археологических материалов, таких как металлы, стекло и пигменты на основе свинца. В частности, в Средиземноморье бронзового века анализ изотопов свинца был полезным инструментом для определения источников металлов и важным индикатором структуры торговли. Однако интерпретация данных по изотопам свинца часто является спорной и сталкивается с многочисленными инструментальными и методологическими проблемами. Такие проблемы, как смешивание и повторное использование металлов из разных источников, ограниченность надежных данных и загрязнение проб, могут стать трудными проблемами при интерпретации.

Экология

Все биологически активные элементы существуют в различных изотопных формах, из которых две или более стабильны. Например, большая часть углерода присутствует в виде ¹² C, причем примерно 1% составляет ¹³ C. Соотношение двух изотопов может быть изменено биологическими и геофизическими процессами, и эти различия могут быть использованы экологами различными способами. Основными элементами, используемыми в изотопной экологии, являются углерод, азот, кислород, водород и сера, а также кремний, железо и стронций.

Анализ стабильных изотопов в водных экосистемах

Стабильные изотопы стали популярным методом понимания водных экосистем , поскольку они могут помочь ученым понять связи с источниками и обработать информацию в морских пищевых сетях. Этот анализ также может быть в определенной степени использован в наземных системах. Определенные изотопы могут обозначать отдельных первичных продуцентов, образующих основу пищевых сетей и на трофическом уровне расположение . Составы стабильных изотопов выражаются в виде значений дельта (δ) в промилях (‰), т.е. частей на тысячу отличий от стандарта . Они выражают долю изотопа, находящегося в образце. Значения выражаются как:

δX = [( R _{образец} / R _{стандарт} ) – 1] × 10 ³

где X представляет собой интересующий изотоп (например, ¹³ C ) и R представляют собой соотношение интересующего изотопа и его природной формы (например, ¹³ С/ ¹² С). Более высокие (или менее отрицательные) значения дельты указывают на увеличение содержания интересующего изотопа в образце по сравнению со стандартом , а более низкие (или более отрицательные) значения указывают на уменьшение. Стандартными эталонными материалами для углерода, азота и серы являются известняк Пи-Ди-Беламнит , газообразный азот в атмосфере и метеорит Каньон-Диабло соответственно. Анализ обычно проводится с помощью масс-спектрометра, обнаруживающего небольшие различия между газообразными элементами. Анализ образца может стоить от 30 до 100 долларов. Стабильные изотопы помогают ученым анализировать рационы животных и пищевые сети, исследуя ткани животных , которые имеют фиксированное обогащение или истощение изотопов по сравнению с рационом. Мышечные или белковые фракции стали наиболее распространенной тканью животных, используемой для изучения изотопов, поскольку они представляют собой усваиваемые питательные вещества в их рационе. Основное преимущество использования анализа стабильных изотопов по сравнению с наблюдениями за содержимым желудка состоит в том, что независимо от состояния желудка животного (пустой или нет), изотопные индикаторы в тканях дадут нам представление о его трофическом положении и источнике пищи. . Три основных изотопа, используемые в анализе пищевой сети водных экосистем: ¹³ С, ¹⁵ Н и ³⁴ С. ​Хотя все три содержат информацию о трофической динамике , для лучшего понимания морских трофических взаимодействий и получения более убедительных результатов обычно проводят анализ как минимум двух из трех ранее упомянутых изотопов.

Водород-2

Соотношение ² H, также известный как дейтерий , ¹ H был изучен как в растительных, так и в животных тканях. Изотопы водорода в тканях растений коррелируют с местными показателями воды, но варьируются в зависимости от фракционирования во время фотосинтеза , транспирации и других процессов образования целлюлозы. Исследование соотношений изотопов в тканях растений, произрастающих на небольшой территории в Техасе, показало, что ткани CAM- растений обогащены дейтерием по сравнению с C4 -растениями. Соотношение изотопов водорода в тканях животных отражает рацион, включая питьевую воду, и использовалось для изучения миграции птиц. и водные пищевые сети.

Углерод-13

Изотопы углерода помогают нам определить основной источник производства, ответственный за поток энергии в экосистеме. Передача ¹³ С через трофические уровни остается относительно тем же, за исключением небольшого увеличения (обогащение < 1 ‰). Большие различия δ ¹³ C между животными указывает на то, что у них разные источники пищи или что их пищевые сети основаны на разных первичных продуцентах (т.е. на разных видах фитопланктона, болотных травах). Потому что δ ¹³ C указывает на первоначальный источник первичных производителей, изотопы также могут помочь нам определить изменения в рационе питания, как краткосрочные, долгосрочные или постоянные. Эти сдвиги могут даже коррелировать с сезонными изменениями, отражающими численность фитопланктона. Ученые обнаружили, что диапазоны δ могут быть широкими. ¹³ Значения C в популяциях фитопланктона в географическом регионе. Хотя не совсем ясно, почему это может быть, существует несколько гипотез этого явления. К ним относятся изотопы в пулах растворенного неорганического углерода (DIC), которые могут меняться в зависимости от температуры и местоположения, а скорость роста фитопланктона может влиять на поглощение ими изотопов. δ ¹³ C использовался для определения миграции молоди животных из защищенных прибрежных зон в прибрежные районы путем изучения изменений в их рационе. В исследовании Фрая (1983) изучался изотопный состав молоди креветок, обитающих на травянистых равнинах южного Техаса. Фрай обнаружил, что в начале исследования креветки имели изотопные значения δ ¹³ C = от -11 до -14 ‰ и 6-8 ‰ для δ. ¹⁵ N и δ ³⁴ S. По мере того, как креветки созревали и мигрировали в море, значения изотопов изменились на значения, напоминающие морские организмы (δ ¹³ C= -15‰ и δ ¹⁵ N = 11,5‰ и δ ³⁴ S = 16‰).

Сера-34

Пока нет обогащения ³⁴ Между трофическими уровнями стабильный изотоп может быть полезен при различении бентосных и пелагических производителей, а также болотных и болотных производителей фитопланктона . Похоже на: ¹³ C, это также может помочь различать различные виды фитопланктона как основных основных производителей в пищевых сетях. Различия между сульфатами и сульфидами морской воды (около 21 ‰ против -10 ‰) помогают ученым в этом различении. Серы, как правило, больше в менее аэробных зонах, таких как донные системы и болотные растения, чем в пелагических и более аэробных системах. Таким образом, в донных системах присутствуют меньшие δ ³⁴ S. значения

Азот-15

Изотопы азота указывают на положение организмов на трофическом уровне (отражает время отбора проб тканей). Существует более крупный компонент обогащения с δ ¹⁵ N, поскольку его удерживание выше, чем у ¹⁴ Н. В этом можно убедиться, анализируя отходы жизнедеятельности организмов. Моча крупного рогатого скота показала, что происходит истощение ¹⁵ N относительно диеты. Поскольку организмы поедают друг друга, ¹⁵ Изотопы N передаются хищникам. Таким образом, организмы, стоящие выше в трофической пирамиде, аккумулируют более высокие уровни ¹⁵ N ( и выше δ ¹⁵ значения N) относительно их добычи и других членов пищевой сети, стоящих перед ними. Многочисленные исследования морских экосистем показали, что обогащение морских экосистем в среднем составляет 3,2‰. ¹⁵ N против рациона между видами разных трофических уровней в экосистемах. В Балтийском море Hansson et al. (1997) обнаружили, что при анализе различных существ (таких как твердые органические вещества (фитопланктон), зоопланктон , мизиды , килька, корюшка и сельдь) наблюдалось явное соотношение 2,4 ‰ между потребителями и их очевидной добычей.

Помимо трофического положения организмов, δ ¹⁵ Значения N стали широко использоваться для разграничения между наземными и природными источниками питательных веществ. Когда вода поступает из септиков в водоносные горизонты, богатая азотом вода попадает в прибрежные районы. Нитраты сточных вод имеют более высокие концентрации ¹⁵ N больше, чем нитраты, обнаруженные в природных почвах прибрежных зон. Бактериям удобнее усваивать ¹⁴ Н в отличие от ¹⁵ N, потому что это более легкий элемент и его легче метаболизировать. Таким образом, из-за предпочтения бактерий при осуществлении биогеохимических процессов , таких как денитрификация и улетучивание аммиака, ¹⁴ N удаляется из воды быстрее, чем ¹⁵ N, что приводит к более ¹⁵ N входит в водоносный горизонт. ¹⁵ N составляет примерно 10-20‰ в отличие от естественного. ¹⁵ Значения N 2-8‰. Неорганический азот, выбрасываемый из септиков и других сточных вод, образующихся в результате жизнедеятельности человека, обычно находится в форме ${\ce {NH4+}}$. Считается, что когда азот попадает в устья рек через грунтовые воды, ¹⁵ N вхожу, что их будет еще больше ¹⁵ N в пуле неорганического азота поступает и что его больше улавливают производители, поглощающие N. Несмотря на то, что ¹⁴ N легче взяться, потому что там гораздо больше ¹⁵ Нет, ассимилированное количество все равно будет больше, чем обычно. Эти уровни δ ¹⁵ N можно исследовать на животных, которые живут в этом районе и не являются мигрирующими (например, макрофиты , моллюски и даже некоторые рыбы). Этот метод определения высоких уровней поступления азота становится все более популярным методом мониторинга поступления питательных веществ в устья рек и прибрежные экосистемы. Менеджеры по охране окружающей среды все больше и больше озабочены измерением антропогенного поступления питательных веществ в устья рек, поскольку избыток питательных веществ может привести к эвтрофикации и гипоксии , полностью уничтожая организмы на определенной территории.

Кислород-18

Анализ соотношения ¹⁸ Вот и все ¹⁶ O в раковинах моллюсков дельты Колорадо использовался для оценки исторических размеров устья дельты реки Колорадо до строительства плотин вверх по течению.

Судебная медицина

Недавним достижением судебной медицины является изотопный анализ прядей волос. Волосы имеют узнаваемую скорость роста 9-11 мм. в месяц или 15 см в год. Рост волос у человека в первую очередь зависит от диеты, особенно от потребления питьевой воды. Соотношение стабильных изотопов в питьевой воде зависит от местоположения и геологии, через которую просачивается вода. ⁸⁷ Сэр, ⁸⁸ Вариации изотопов Sr и кислорода различны во всем мире. Эти различия в соотношении изотопов затем биологически «закрепляются» в наших волосах по мере их роста, и поэтому стало возможным идентифицировать недавнюю географическую историю путем анализа прядей волос. Например, по анализу волос можно было бы определить, посещал ли недавно подозреваемый в терроризме конкретное место. Этот анализ волос представляет собой неинвазивный метод, который становится очень популярным в тех случаях, когда ДНК или другие традиционные методы не дают ответов.

Судмедэксперты могут использовать изотопный анализ для определения того, имеют ли два или более образцов взрывчатых веществ общее происхождение. Большинство взрывчатых веществ содержат атомы углерода, водорода, азота и кислорода, и, таким образом, сравнение их относительного содержания изотопов может выявить наличие общего происхождения. Исследователи также показали, что анализ ¹² С/ ¹³ Соотношения C позволяют определить страну происхождения данного взрывчатого вещества.

Анализ стабильных изотопов также использовался при выявлении маршрутов незаконного оборота наркотиков. Содержание изотопов различно в морфии, выращенном из мака в Юго-Восточной Азии, и в маке, выращенном в Юго-Западной Азии. То же самое относится и к кокаину, добываемому в Боливии и Колумбии.

Прослеживаемость

См. также: Прослеживаемость

Анализ стабильных изотопов также использовался для отслеживания географического происхождения продуктов питания. древесина, и в отслеживании источников и судьбы нитратов в окружающей среде.

Геология

Основная статья: Изотопная геохимия

Гидрология

В изотопной гидрологии стабильные изотопы воды ( ² Рука ¹⁸ O) используются для оценки источника, возраста и путей потока воды, протекающей через экосистемы. Основными эффектами, изменяющими стабильный изотопный состав воды, являются испарение и конденсация . Изменчивость изотопов воды используется для изучения источников воды в ручьях и реках, скорости испарения, пополнения подземных вод и других гидрологических процессов.

Палеоклиматология

Соотношение ¹⁸ Вот и все ¹⁶ Содержание O во льдах и глубоководных кернах зависит от температуры и может использоваться в качестве косвенного показателя для реконструкции изменения климата . В более холодные периоды истории Земли (ледниковья), например, во время ледниковых периодов , ¹⁶ O преимущественно испаряется из более холодных океанов, оставляя более тяжелые и медленные океаны. ¹⁸ О, позади. Таким образом, такие организмы, как фораминиферы , которые соединяют растворенный в окружающей воде кислород с углеродом и кальцием для построения своих панцирей, включают в себя зависящую от температуры ¹⁸ Вот и все ¹⁶ Коэффициент О. Когда эти организмы умирают, они оседают на морском дне, сохраняя долгую и бесценную историю глобального изменения климата на протяжении большей части четвертичного периода . Точно так же ледяные керны на суше обогащены более тяжелыми ¹⁸ О относительно ¹⁶ O во время более теплых климатических фаз ( межледниковий ), поскольку больше энергии доступно для испарения более тяжелых ¹⁸ О изотоп. Таким образом, запись изотопов кислорода, сохранившаяся в ледяных кернах, является «зеркалом» записи, содержащейся в океанских отложениях.

Изотопы кислорода сохраняют данные о влиянии циклов Миланковича на изменение климата в четвертичном периоде, показывая примерно 100 000-летнюю цикличность климата Земли .

Внешние ссылки

• МиксСИАР . MixSIAR — это пакет R, который помогает создавать и запускать байесовские модели смешивания для анализа данных биотрассеров (т. е. стабильных изотопов, жирных кислот) в соответствии с структурой модели MixSIAR. Доступны как графический интерфейс пользователя (GUI), так и версии сценариев. Сток, Британская Колумбия, Джексон, Ал., Уорд, Э.Дж., Парнелл, AC, Филлипс, Д.Л., Семменс, BX. Рецензируемая исследовательская статья Associated .
• ИзоИсточник . Модель смешения стабильных изотопов для избыточного количества источников (Visual Basic), (Phillips and Gregg, 2003).
• Мур, Джонатан В.; Семменс, Брайс X (2008). «Включение неопределенности и предварительной информации в модели смешивания стабильных изотопов». Экологические письма . 11 (5): 470–80. дои : 10.1111/j.1461-0248.2008.01163.x . ПМИД   18294213 .
• SIAR - Анализ стабильных изотопов в Р. . Пакет моделей байесовского смешивания для среды R. Парнелл А., Ингер Р., Беархоп С., Джексон А.
• SISUS: Источник стабильных изотопов с использованием отбора проб . Поиск стабильных изотопов с использованием выборки (SISUS) (Эрхардт, Вольф и Бедрик, в стадии подготовки) обеспечивает более эффективный алгоритм для решения той же проблемы, что и модель IsoSource Филлипса и Грегга (2003) и программное обеспечение для разделения источников с использованием стабильных изотопов. .
• Хопкинс, Джон Б; Фергюсон, Джейк М (2012). «Оценка рациона животных с использованием стабильных изотопов и комплексной байесовской модели смешивания» . ПЛОС ОДИН . 7 (1): e28478. Бибкод : 2012PLoSO...728478H . дои : 10.1371/journal.pone.0028478 . ПМК   3250396 . ПМИД   22235246 .