Ανάλυση ισοτόπων

Η ανάλυση ισοτόπων είναι σημαντικό εργαλείο σε πολλούς επιστημονικούς τομείς, όπως η γεωλογία, η αρχαιολογία, οι περιβαλλοντικές επιστήμες και η εγκληματολογίαFaure & Mensing, 2005.. Η τεχνική βασίζεται στη μέτρηση σταθερών ή ραδιενεργών ισοτόπων μέσα σε ένα δείγμα για την εκτίμηση της προέλευσης, της ηλικίας ή της περιβαλλοντικής ιστορίας του. Η κατανόηση της κλασματοποίησης των ισοτόπων και των τεχνικών μέτρησης είναι κρίσιμη για την ακριβή ερμηνεία των δεδομένων.

Αρχές της ανάλυσης ισοτόπων
Τα ισότοπα είναι άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετικό αριθμό νετρονίων, οδηγώντας σε διαφορετική μάζα αλλά σχεδόν ίδια χημική συμπεριφοράHoefs, 2015.. Τα σταθερά ισότοπα, όπως το ^13C και το ^18O, δεν διασπώνται με την πάροδο του χρόνου, ενώ τα ραδιενεργά ισότοπα, όπως το ^14C και το ^238U, διασπώνται με γνωστό ρυθμό, επιτρέποντας χρονολόγηση.

Η ισοτοπική κλασματοποίηση συμβαίνει λόγω φυσικών, χημικών ή βιολογικών διαδικασιών που προτιμούν ένα ισότοπο έναντι ενός άλλου. Για παράδειγμα, κατά τη φωτοσύνθεση, τα φυτά προτιμούν το ^12C, οδηγώντας σε χαρακτηριστικές τιμές δ^13C στους ιστούς τουςFarquhar et al., 1989..

Μεθοδολογίες
Φασματομετρία μάζας
Η πιο διαδεδομένη μέθοδος ανάλυσης ισοτόπων είναι η φασματομετρία μάζας (MS), ειδικά η φασματομετρία ισοτοπικών αναλογιών (IRMS). Στην IRMS, τα ιόντα διαχωρίζονται με βάση την αναλογία μάζας προς φορτίο, επιτρέποντας ακριβείς μετρήσεις ισοτοπικών αναλογιώνHoefs, 2015. Η προετοιμασία των δειγμάτων είναι κρίσιμη: οργανικά δείγματα συχνά μετατρέπονται σε CO_2 ή N_2 για την ανάλυση ισοτόπων άνθρακα και αζώτου, αντίστοιχαFry, 2006..

Τεχνικές με Laser
Σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί με τις τεχνικές λέιζερ, όπως η φασματοσκοπία CRDS, που επιτρέπει υψηλής ακρίβειας ανάλυση ισοτόπων σε πραγματικό χρόνο με ελάχιστη προετοιμασίαWerle et al., 1993.. Οι τεχνικές αυτές χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για παρακολούθηση περιβάλλοντος, εντοπισμό πηγών νερού και ανίχνευση ρύπωνEhleringer et al., 2000.).

Ραδιομετρική χρονολόγηση
Για ραδιενεργά ισότοπα, οι ρυθμοί διάσπασης χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ηλικίας δειγμάτων. Η ραδιοχρονολόγηση με ^14C εφαρμόζεται σε αρχαιολογικά ευρήματα και μελέτες παλαιοκλίματοςTaylor & Bar-Yosef, 2014.. Η μέθοδος ουρανίου-μολύβδου (^238U/^206Pb) χρησιμοποιείται σε γεωλογικά δείγματα, παρέχοντας πληροφορίες για τη διαμόρφωση του γήινου φλοιού.

Εφαρμογές
Αρχαιολογία
Η ανάλυση ισοτόπων χρησιμοποιείται για την ανακατασκευή διατροφής, μετακινήσεων και εμπορικών δικτύων του παρελθόντος. Τα ισότοπα άνθρακα και αζώτου σε ανθρώπινα και ζωικά οστά αποκαλύπτουν πηγές πρωτεΐνης και τροφικές σχέσειςAmbrose, 1990.. Τα ισότοπα οξυγόνου και στροντίου στα δόντια μπορούν να υποδείξουν γεωγραφική προέλευση και κινητικότηταPrice et al., 2002..

Περιβαλλοντικές επιστήμες
Η σταθερή ανάλυση ισοτόπων βοηθά στην κατανόηση υδρολογικών κύκλων, κλιματικής αλλαγής και πηγών ρύπανσης. Οι τιμές δ^18O και δ^2H στις βροχοπτώσεις χρησιμοποιούνται για ανακατασκευή παλαιοκλιματικών δεδομένων και εντοπισμό προέλευσης νερούRozanski et al., 1993. Τα ισότοπα αζώτου παρέχουν πληροφορίες για τον κύκλο θρεπτικών ουσιών και ανθρωπογενείς επιδράσεις στα οικοσυστήματαKendall, 1998..

Εγκληματολογία
Στην εγκληματολογία, τα ισοτοπικά προφίλ μπορούν να συνδέσουν άτομα ή αντικείμενα με γεωγραφικές περιοχές. Τα ισότοπα στροντίου στα μαλλιά ή τα δόντια αντανακλούν την τοπική γεωλογία, διευκολύνοντας την ταυτοποίηση (Montgomery et al., 2010.).

Περιορισμοί
Παρά τη χρησιμότητά της, η ανάλυση ισοτόπων αντιμετωπίζει περιορισμούς. Οι επιδράσεις της μόλυνσης και λάθη στη συντήρηση των δειγμάτων μπορούν να επηρεάσουν την ακρίβεια. Η κλασματοποίηση κατά την προετοιμασία των δειγμάτων μπορεί να εισάγει σφάλματα, ειδικά για ελαφρά στοιχεία. Επιπλέον, η ερμηνεία συχνά απαιτεί συνδυασμό με άλλα γεωχημικά ή αρχαιολογικά δεδομένα για αποφυγή λανθασμένων συμπερασμάτων.

Παραπομπές

Βιβλιογραφία
Ambrose, S. H. (1990). Preparation and Characterization of Bone and Collagen for Isotopic Analysis. Journal of Archaeological Science, 17(4), 431–451. http://dx.doi.org/10.1016/0305-4403(90)90001-2
Farquhar, G. D., Ehleringer, J. R., & Hubick, K. T. (1989). Carbon Isotope Discrimination and Photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 40, 503–537. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.pp.40.060189.002443
Faure, G., & Mensing, T. M. (2005). Isotopes: Principles and Applications (3rd ed.). Wiley. ISBN 978-0471352111
Fry, B. (2006). Stable Isotope Ecology. Springer. ISBN 978-0387306737
Hoefs, J. (2015). Stable Isotope Geochemistry (7th ed.). Springer. ISBN 978-3319137948
Kendall, C. (1998). Tracing Nitrogen Sources and Cycling in Catchments.Isotopes in Environmental and Health Studies, 34(2), 99–118. http://dx.doi.org/10.1080/10256019808036150
Montgomery, J., Evans, J., & Neighbour, T. (2010). Strontium Isotope Evidence for Human Migration. Journal of Archaeological Science, 37(10), 2270–2279. http://dx.doi.org/10.1016/j.jas.2010.04.011
Price, T. D., Burton, J. H., & Bentley, R. A. (2002). The Characterization of Biologically Available Strontium Isotope Ratios for the Study of Prehistoric Migration. Archaeometry, 44(1), 117–135. http://dx.doi.org/10.1111/1475-4754.00043
Rozanski, K., Araguás-Araguás, L., & Gonfiantini, R. (1993). Isotopic Patterns in Modern Global Precipitation. In P. K. Swart, K. C. Lohmann, J. McKenzie, & S. Savin (Eds.), Climate Change in Continental Isotopic Records (pp. 1–36). American Geophysical Union. ISBN 978-0875903790
Taylor, R. E., & Bar-Yosef, O. (2014). Radiocarbon Dating: An Archaeological Perspective (2nd ed.). Left Coast Press. ISBN 978-1598747801
Werle, P., Mücke, R., & Slemr, F. (1993). The Limits of Precision Laser Absorption Spectroscopy. Applied Physics B, 57, 131–139. http://dx.doi.org/10.1007/BF00325399
Ehleringer, J. R., et al. (2000). Stable Isotope Applications in Ecosystem Science. Annual Review of Ecology and Systematics, 31, 507–531. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.ecolsys.31.1.507

Κατηγορία:Ισότοπα