Изотопная подпись[1][2][3][4][5] (или изотопная сигнатура[6][7][8]) — специфическое соотношение нерадиоактивных «стабильных изотопов» или относительно стабильных радиоактивных изотопов или неустойчивых радиоактивных изотопов определённых химических элементов в исследуемом материале. Соотношения изотопов в образце исследуют при помощи изотопной масс-спектрометрии. См. также изотопный анализ.
Атомная масса различных изотопов влияет на их кинетическое поведение при химических реакциях, что приводит к процессам их разделения.
| Группа водорослей | Диапазон δ13C[9] |
|---|---|
| Красные водоросли, использующие HCO− 3 |
−22,5 ‰ до −9,6 ‰ |
| Красные водоросли, использующие CO2 |
−34,5 ‰ до −29,9 ‰ |
| Бурые водоросли | −20,8 ‰ до −10,5 ‰ |
| Зелёные водоросли | −20,3 ‰ до −8,8 ‰ |
Например, различные источники метана, попадающего в атмосферу, имеют разное соотношение изотопов 12C и 13C, что позволяет отличать вклад различных источников метана по этому соотношению. В геохимии, палеоклиматологии и палеоокеанографии это отношение называется δ13C.
Аналогично углерод в карбонатах неорганического происхождения характеризуется низким уровнем изотопного фракционирования, в то время как углерод в веществах и материалах, связанных в своём происхождении с фотосинтезом, обеднён тяжёлым изотопом углерода по сравнению с атмосферой. Кроме того, у растений существует несколько вариантов биохимических путей фиксации углерода, фотосинтеза, различающихся по уровню фракционирования изотопов 12C и 13C. С одной стороны, это С3-фотосинтез (Цикл Кальвина), при котором эффект разделения изотопов является более выраженным, с другой — С4-фотосинтезе (Цикл Хетча-Слэка-Карпилова), продукты которого богаче более тяжелыми атомами углерода 13C и CAM-фотосинтез (англ. Crassulaceae acid metabolism — кислотный метаболизм толстянковых), результаты которого похожи, но менее выражены, чем у С4-фотосинтетиков. Отличающиеся соотношения изотопов, характерные для основных двух типов фотосинтезирующих растений, распространяются по пищевой цепи, и с помощью изотопного анализа тканей и коллагена костей их можно определить, получив ответ на вопрос, состоял ли основной рацион человека или животного преимущественно из С3-растений (рис, пшеница, соевые бобы, картофель) или С4-растений (кукуруза или говядина, полученная в результате откорма коров кукурузой). Точно также, морские рыбы содержат больше 13C, чем пресноводные, порядок различий сходен с таковым у С4- и С3-фотосинтетиков соответственно.
Соотношение изотопов углерода 13C и 12C у этих видов растений выглядит следующим образом[10]:
Известняки, являющиеся морскими осадочными породами, и образование которых идёт при участии атмосферного углекислого газа, содержат нормальную пропорцию 13C. С другой стороны кальциты, находящиеся в соляных куполах, происходят от диоксида углерода, возникшего при окислении нефти, которая в силу своего биоорганического происхождения обеднена 13C.
Радиоактивный изотоп 14C важен для различения биосинтезированных материалов от искусственных. Биогенные химические вещества связаны своим происхождением с биосферным углеродом, который содержит 14C. Углерод в искусственно созданных материалах, как правило, получен из ископаемых видов топлива, таких как уголь или нефть, где содержание первоначально присутствовавшего 14C упало ниже обнаруживаемого уровня. Следовательно, количество 14C, присутствующее в настоящее время в образце, указывает на долю углерода современного биогенного происхождения.
Соотношение 15N/14N имеет тенденцию к увеличению с повышением трофического уровня в экологической пирамиде. Например, травоядные имеют более высокие значения содержания изотопа азота 15N, чем растения, а хищники имеют более высокие значения, чем травоядные. В зависимости от исследуемого типа ткани животного соотношение 15N/14N увеличивается на 3—4 ‰ на каждом трофическом уровне. Ряд других экологических и физиологических факторов также могут влиять на изотопный состава азота в основании пищевой сети (то есть в растениях) или на уровне отдельных животных. Например, в засушливых районах круговорот азота имеет к большей «открытости» и склонность к потере азота (14N, в частности)[11]. Это приводит к относительно более высоким значениям δ15N в растениях и животных в жарких и засушливых экосистемах по сравнению с более прохладными и влажными экосистемами[12].
Так как соотношение 15N/14N увеличивается на 3—4 ‰ на каждом трофическом уровне, ткани, в частности волосы, веганов содержат значительно более низкий процент 15N, чем органы людей, которые едят преимущественно мясо. Изотопный анализ волос является важным источником информации для археологов, давая подсказки о древних пищевых рационах. Пищевые рационы, связанные с продуктами континентального происхождения, приводят к другой изотопной подписи нежели диета, состоящая из пищи морского происхождения. Это явление используется при анализе культурных связей древних народов с разными источниками питания[13].
Соотношения стабильных изотопов азота также служит диагностическим инструментом в планетологии, так как это соотношение, обнаруживаемое в атмосферах планет и в веществе на их поверхностях «тесно связано с условиями, в которых образуется вещество»[14].
Кислород существует в трёх вариантах, но 17O настолько редок, что его очень трудно обнаружить (концентрации ~ 0,04 %)[15]. Соотношение 18O/16O в воде, зависит от длительности испарения, которому подвергалась данная масса воды (18O тяжелее и, следовательно, с меньшей вероятностью испаряется). Так как скорость испарения отрицательно связана с концентрацией растворенных солей[16] и положительно с температурой, соотношение 18O/16O демонстрирует корреляцию с комбинированным показателем солёности и температуры воды. Таким образом многовековые отложения ракушечника могут служить источником данных по динамике температуры и солёности воды в данном районе, полученных из соотношения изотопов кислорода в карбонате кальция раковин.
Соотношение изотопов кислорода в атмосфере предсказуемо меняется со временем года и географического положения; например богатые 18O осадки в Монтане и 18O-обедненные осадки во Флорида-Кис отличаются на 2 %. Эта изменчивость может быть использована для определения приблизительного района географического происхождения материала. Таким образом можно определить, например, где был произведён данный оксид урана. Скорость обмена поверхностных изотопов с окружающей средой должна быть принята во внимание[17].
Свинец содержит четыре стабильных изотопа: 204Pb, 206Pb, 207Pb и 208Pb. Вариации в различных районах соотношения уран/торий/свинец — причина широкой локально-специфичной изменчивости изотопного соотношения свинца характерного для разных географических областей и пунктов. Свинец, выбрасываемый в атмосферу в результате деятельности промышленности, имеет иной изотопный состав нежели свинец в минералах. Использование бензина со свинцовыми присадками привело к широкому распространению микронных свинцово-богатых частиц в автомобильных выхлопных газах. Особенно в городах свинцовое загрязнение антропогенного происхождения встречается гораздо чаще, чем естественное. Различия изотопного состава в частицах свинца, обнаруженных на объекте могут быть использованы для приблизительного определения его места происхождения[17].
Радиоактивные частицы, частицы радиоактивных осадков и радиоактивных отходов также обладают различными изотопными подписями. Их радионуклидный состав (и, следовательно, их возраст и происхождение) можно определить с помощью масс-спектрометрии или с помощью гамма-спектрометрии. Например, частицы, образовавшиеся в результате ядерного взрыва будут содержать обнаруживаемые количества 60Co и 152Eu. В выбросах при Чернобыльской аварии эти элементы отсутствовали, но были 125Sb и 144Ce. Радиоактивное загрязнение в результате подводных испытаний будет состоять в основном из облученных морских солей. Соотношения 152Eu/155Eu, 154Eu/155Eu и 238Pu/239Pu также различны при ядерных и термоядерных взрывах, что позволяет идентифицировать радиоактивные частицы неизвестного происхождения.
С появлением масс-спектрометрии стабильных изотопов изотопные подписи материалов находят всё более широкое применение в криминалистике. С помощью этого метода можно выяснить происхождение того или иного сходного вещества или проследить путь образцов из их общего источника. Например на изотопные подписи растений могут в определенной степени влиять условия роста, в том числе наличие влаги и доступность питательных веществ. В случае синтетических материалов, подпись находится под влиянием условий, в которых протекала химическая реакция. Профилирование по изотопной подписи полезно в тех случаях, когда другие виды профилирования, например характеристика примесей, не являются оптимальными. Электроника в сочетании с сцинтилляционных детекторами обычно используются для оценки изотопных подписей и идентификации неизвестных источников определённых веществ. (один из примеров — Изотопный индетификатор — SAM 940 Defender)
Было опубликовано исследование, продемонстрировавшее возможность определения происхождения обычной коричневой упаковочной ленты с помощью анализа углеродной, кислородной и водородной изотопных подписи полимера плёнки, добавок и клея[18].
Измерение соотношения изотопов углерода может быть использовано для обнаружения фальсификации мёда. Добавление сахара, произведённого из кукурузы или сахарного тростника (растений c С4-фотосинтезом) перекашивает изотопные соотношения сахаров, присутствующих в мёде, но не влияет на изотопные соотношения белков; в чистом мёде углеродные изотопные соотношения сахаров и белков должны совпадать[19]. Добавки могут быть обнаружены, начиная с 7 % уровня[20].
Ядерные взрывы приводят к образованию 10Be в результате взаимодействия быстрых нейтронов с 13C в диоксиде углерода воздуха. Это один из исторических индикаторов былой деятельности на ядерных полигонах[21].
Изотопные сигнатуры используются для изучения происхождение вещества в Солнечной системе[22]. Например, соотношение изотопов кислорода на Луне, по-видимому, в основном идентично земному[23]. Соотношения изотопов кислорода, которые могут быть измерены очень точно, дают уникальную изотопную подпись для каждого тела Солнечной системы[24]. Различия в изотопных подписях по кислороду могут служить индикатором происхождения вещества, оказавшегося в космосе[25]. Соотношение изотопов титана (50Ti/47Ti) на Луне, по-видимому, также близко к земному (в пределах 4 промилле)[26][27]. В 2013 году было опубликовано исследование, в котором утверждалось, что вода в лунной магме по изотопному составу была «неотличима» от таковой в углистых хондритах и почти такая же, как земная[22][28].
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .