Изотопско означување

Изотопско означување — техника која се употребува за следење на преминот на изотоп (атом со забележлива варијација во бројот на неутрони) преку хемиска реакција, метаболички пат или биолошка клетка. Реагенсот е „означен“ со замена на еден или повеќе специфични атоми со нивните изотопи. На реагенсот потоа му се дозволува да се подложи на реакцијата. Положбата на изотопите во производите се мери за да се одреди која низа следел изотопскиот атом во реакцијата или метаболичкиот пат на клетката. Нуклидите кои се користат во изотопското обележување може да бидат стабилни нуклиди или радионуклиди. Во вториот случај, означувањето се нарекува радиоозначување.
Во изотопското означување, постојат повеќе начини за откривање на присуството на изотопи за обележување; преку нивната маса, вибрационен режим или радиоактивно распаѓање. Масовната спектрометрија ја открива разликата во масата на изотопот, додека инфрацрвената спектроскопија ја открива разликата во вибрационите режими на изотопот. Јадрената магнетна резонанца открива атоми со различни аголномагнетни соодноси. Радиоактивното распаѓање може да се открие преку комора за јонизација или преку авторадиографија.
Пример за користење на изотопско означување е проучувањето на фенолот (C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>OH) во вода со замена на обичниот водород ( протиум) со деутериум (деутериумско означување). Со додавање на фенол во тешка вода (вода која содржи D<sub>2</sub>O како додаток на вообичаеното H<sub>2</sub>O ), се забележува размена на водород-деутериум која влијае на фенолната хидроксилна група (што резултира со C<sub>6</sub>H<sub>5</sub>OD), што покажува дека фенолот лесно се подложува на реакции на размена на водород со вода. Главно е засегната хидроксилната група - без катализатор, другите 5 атоми на водород се многу побавно подложени на размена - што ја одразува разликата во хемиските средини помеѓу хидроксилниот водород и арил водородот.
1 Изотопски трагач
''Изотопски трагач'', (исто така „изотопски маркер“ или „изотопска ознака“), се употребува во хемијата и биохемијата за да помогне во разбирањето на хемиските реакции и заемни односи. Во оваа техника, еден или повеќе од атомите на молекулата од интерес се заменуваат со атом од истиот хемиски елемент, но од различен изотоп (како радиоактивен изотоп што се употребува во радиоактивно следење). Бидејќи означениот атом има ист број на протони, тој ќе се однесува речиси на ист начин како неговиот неозначен пандан и, со мали исклучоци, нема да се меша во реакцијата што се истражува. Разликата во бројот на неутрони, сепак, значи дека може да се открие одделно од другите атоми на истиот елемент.
Јадрената магнетна резонанца (ЈМР) и масена спектрометрија (МС) се користат за истражување на механизмите на хемиските реакции. ЈМР и МС откриваат изотопски разлики, што овозможува да се одредат информациите за положбата на означените атоми во структурата на производите. Со информации за позиционирањето на изотопските атоми во производите, може да се одреди патеката на реакцијата што ја употребуваат почетните метаболити за да се претворат во производи. Радиоактивните изотопи може да се тестираат со помош на авторадиографи на гелови во гел електрофореза . Зрачењето испуштено од соединенијата што ги содржат радиоактивните изотопи затемнува парче фотографски филм, снимајќи ја позицијата на означените соединенија една во однос на друга во гелот.
Изотопските трагачи најчесто се употребуваат во форма на сооднос на изотоп. Со иследување на односот помеѓу два изотопи на истиот елемент, се избегнуваат ефектите што го вклучуваат целокупната застапеност на елементот, што обично ги надминува многу помалите варијации во изотопското изобилство. Изотопските трагачи се едни од најважните алатки во геологијата бидејќи можат да се користат за разбирање на сложените процеси на мешање во земјените системи. Понатамошна расправа за примената на изотопските трагачи во геологијата е покриена под насловот на изотопска геохемија.
Изотопските трагачи обично се поделени во две категории: трагачи на стабилни изотопи и трагачи на радиогени изотопи. Стабилните изотопски трагачи вклучуваат единствено нерадиогени изотопи и обично се зависни од масата. Во теорија, секој елемент со два стабилни изотопи може да се употреби како изотопски трагач. Сепак, најчесто користените трагачи на стабилни изотопи вклучуваат релативно лесни изотопи, кои лесно се подложени на фракционирање во природните системи. Радиогенски изотоп трагач вклучува изотоп произведен од радиоактивно распаѓање, кој обично е во сооднос со нерадиоген изотоп (чие изобилство во земјата не варира поради радиоактивното распаѓање).
2 Стабилно означување на изотоп
Стабилното обележување на изотопи вклучува користење на нерадиоактивни изотопи кои можат да дејствуваат како трагачи што се употребуваат за моделирање на неколку хемиски и биохемиски системи. Избраниот изотоп може да дејствува како ознака на тоа соединение што може да се идентификува преку јадрена магнетна резонанца (ЈМР) и масена спектрометрија (МС). Некои од најчестите стабилни изотопи се <sup>2</sup>H, <sup>13</sup>C и <sup>15</sup>N, кои понатаму може да се произведат во ЈМР-растворувачи, амино киселини, нуклеински киселини, липиди, обични метаболити и медиуми за раст на клетките. Соединенијата произведени со употреба на стабилни изотопи се или специфицирани со процентот на означени изотопи (односно, 30% рамномерно означена <sup>13</sup>C гликоза содржи мешавина која е 30% означена со <sup>13</sup> јаглероден изотоп и 70% природно означен јаглерод) или со специфично означено соединението на (односно, -<sup>13</sup>C гликоза која е означена на првата јаглеродна позиција на гликоза).
Прикажана е мрежа на реакции усвоени од патеката на гликолиза и патеката на пентоза фосфат во која означениот изотоп на јаглерод се преуредува на различни места на јаглерод низ целата мрежа на реакции. Мрежата започнува со фруктоза 6-фосфат (F6P), која има 6 јаглеродни атоми со ознака <sup>13</sup>C на јаглеродните места 1 и 2. 1,2<sup>-13</sup> C F6P станува два глицералдехид 3-фосфат (G3P), еден 2,3<sup>-13</sup> C T3P и еден неозначен T3P. 2,3<sup>-13</sup> C T3P сега може да се реагира со седохептулоза 7-фосфат (S7P) за да се формира неозначен еритроза 4-фосфат (E4P) и 5,6<sup>-13</sup> C F6P. Необележаниот T3P ќе реагира со S7P за да синтетизира неетикетирани производи. Сликата ја демонстрира употребата на стабилно означување на изотоп за откривање на преуредувањето на јаглеродниот атом преку реакции користејќи означени соединенија специфична за позиција.
2.1 Анализа на метаболички флукс со користење на стабилно означување на изотоп
Анализата на метаболичкиот флукс (АМФ) со употреба на стабилно означување на изотоп е важна алатка за објаснување на флуксот на одредени елементи низ метаболичките патишта и реакции во клетката. Изотопска ознака се внесува во клетката, а потоа на клетката и се дозволува да расте користејќи ја означената храна. За анализа на стационарниот метаболички флукс клетката мора да достигне стабилна состојба (изотопите што влегуваат и излегуваат од клетката остануваат константни со времето) или квазистабилна состојба (стабилна состојба се постигнува за даден временски период).. Се одредува изотопски модел на излезниот метаболит. Моделот на излезниот изотоп обезбедува вредни информации, кои може да се употребат за да се пронајде големината на флуксот, стапката на конверзија од реагенсите во производи, преку секоја реакција.
Сликата ја покажува способноста да се употребат различни ознаки за да се одреди флуксот преку одредена реакција. Со претпоставка дека оригиналниот метаболит, соединение со три јаглерод, има способност или да се подели на два јаглеродни метаболити и еден јаглероден метаболит во една реакција, потоа да се рекомбинира или да остане метаболит со три јаглерод. Доколку реакцијата е снабдена со два изотопи на метаболитот во еднаков сооднос, еден целосно означен (сини кругови), попознат како униформно означен и еден целосно неозначен (бели кругови). Патеката по левата страна на дијаграмот не прикажува никаква промена во метаболитите, додека десната страна ги прикажува разделувањето и рекомбинацијата. Како што е прикажано, доколку метаболитот го следи патот само по левата страна, тој останува во сооднос 50-50 на рамномерно означен со неозначен метаболит. Доколку метаболитот ја заземе само десната страна, може да се појават нови модели за означување, сите во еднаков сооднос. Може да се појават други соодноси во зависност од тоа колку од оригиналниот метаболит ја следи левата страна на патеката наспроти десната страна на патеката. Овде пропорциите се прикажани за ситуација во која половина од метаболитите ја земаат левата страна, а половина десната, но може да се појават други соодноси. Овие модели на означени атоми и неозначени атоми во едно соединение претставуваат изотопомери. Со мерење на распространетост на изотопомер на различно означените метаболити, може да се одреди флуксот низ секоја реакција.
АМФ ги комбинира податоците собрани од означување на изотоп со стехиометријата на секоја реакција, ограничувањата и процедурата за оптимизација ја решаваат картата на флукс. IR- реверзибилните реакции ги обезбедуваат топлинско-динамичките ограничувања потребни за пронаоѓање на флуксовите. Изградена е матрица која ја содржи стехиометријата на реакциите. Интрацелуларните флукси се проценуваат со употреба на итеративен метод во кој симулираните флукси се вклучени во стехиометрискиот модел. Симулираните текови се прикажани во карта на флукс, која ја покажува брзината на реагенсите кои се претвораат во производи за секоја реакција. Во повеќето флукс мапи, колку е подебела стрелката, толку е поголема вредноста на флуксот на реакцијата.
2.2 Техники за мерење на означување
Може да се користи која било техника за мерење на разликата помеѓу изотопомерите. Двата примарни методи, јадрена магнетна резонанца (ЈМР) и масена спектрометрија (МС), се развиени за мерење на изотопомери на маса во стабилно означување на изотопи.
Протонската ЈМР станала првата техника што се користела за 13C експерименти за означување. Користејќи го овој метод, секоја поединечна положба на протониран јаглерод во одреден метаболитски базен може да се набљудува одделно од другите местоположби. Ова овозможува да се знае процентот на изотопомери означени на таа специфична позиција. Границата на ЈМР на протонот е дека ако има n атоми на јаглерод во метаболит, може да има само најмногу n различни позициони вредности на збогатување, што е само мал дел од вкупните информации за изотопомер. Иако употребата на означување на протонски ЈМР е ограничена, експериментите со чист протонски ЈМР се многу полесни за евалуација отколку експериментите со повеќе информации за изотопомери.
Во прилог на протон ЈМР, користењето на <sup>13</sup>C ЈМР техники ќе овозможи подетален преглед на распространетост на изотопомерите. Обележаниот јаглероден атом ќе произведе различни хиперфини сигнали за разделување во зависност од состојбата на означување на неговите директни соседи во молекулата. Се појавува единечен врв доколку соседните јаглеродни атоми не се означени. Врвот на дублет се појавува ако е означен само еден соседен јаглероден атом. Големината на дублетот зависи од функционалната група на соседниот јаглероден атом. Доколку два соседни јаглеродни атоми се означени, двоен дублет може да се дегенерира во тројка ако разделите на дублети се еднакви..
Недостатоците во користењето на ЈМР техниките за целите на анализа на метаболички флукс е тоа што се разликува од другите ЈМР употреби бидејќи е прилично специјализирана дисциплина. Спектрометар ЈМР можеби не е директно достапен за сите истражувачки тимови. Оптимизацијата на мерните параметри на ЈМР и правилната анализа на врвните структури бара квалификуван специјалист за ЈМР. Одредени метаболити, исто така, може да бараат специјализирани мерни процедури за да се добијат дополнителни податоци за изотопомер. Дополнително, потребни се специјално адаптирани софтверски алатки за да се одреди прецизното количество на врвните површини, како и да се идентификува распаѓањето на заплетканите единечни, двојни и тројни врвови.
За разлика од јадрената магнетна резонанца, масената спектрометрија (МС) е уште еден метод кој е поприменлив и почувствителен на експериментите за анализа на метаболички флукс. МС-инструментите се достапни во различни варијанти. Различно од дводимензионалната јадрена магнетна резонанца (2D-ЈМР), МС-инструментите работат директно со хидролизат.
Во гасна хроматографија-масена спектрометрија (ГХ-МС), МС се спојува со гасен хроматограф за да се одделат соединенијата на хидролизатот. Соединенијата што се елуираат од стопбот на ГХ потоа се јонизираат и истовремено се фрагментираат. Придобивката од користењето на ГХ-МС е тоа што не само што се мерат масените изотопомери на молекуларниот јон, туку и масениот изотопомерен спектар на неколку фрагменти, што значително ги зголемува измерените информации.
Во течна хроматографија-масена спектрометрија (ТХ-МС), ГХ се заменува со течен хроматограф. Главната разлика е во тоа што хемиската дериватизација не е потребна. Употребите на ТХ-МС, сепак, се ретки.
Во секој случај, МС-инструментите делат одредена распространетост на изотопомер со неговата молекуларна тежина. Сите изотопомери на одреден метаболит што содржат ист број на означени јаглеродни атоми се собираат во еден врвен сигнал. Бидејќи секој изотопомер придонесува за точно еден врв во МС-спектарот, тогаш процентуалната вредност може да се пресмета за секој врв, со што се добива масената изотопомерна фракција. За метаболит со n јаглеродни атоми, се добиваат мерења n+1. По нормализацијата, остануваат точно n количества на изотопомери на информативна маса.
Недостатокот на користењето на МС-техниките е тоа што за гасна хроматографија, примерокот мора да се подготви со хемиска дериватизација за да се добијат молекули со полнење. Постојат бројни соединенија кои се користат за дериватизација на примероците. N,N-Диметилформамид диметил ацетал и N-(терц-бутилдиметилсилил)-N-метилтрифлуороацетамид се два примери на соединенија кои биле користени за дериватизација на амино киселините.
Дополнително, забележаните силни изотопски ефекти влијаат на времето на задржување на различно означените изотопомери во колоната ГХ. Исто така, мора да се спречи преоптоварување на ГХ-столбот.
И на крај, природното изобилство на други атоми освен јаглеродот, исто така, доведува до нарушување во масениот изотопомерен спектар. На пример, секој атом на кислород во молекулата може да биде присутен и како изотоп <sup>17</sup>O и како изотоп <sup>18</sup>O. Позначајно влијание на природната застапеност на изотопи е ефектот на цицилиумот со природната застапеност на изотопите <sup>29</sup>Si и <sup>30</sup>Si. Si се користи во дериватизирачки агенси за техники на МС.
3 Радиоизотопско означување
Радиоизотопското означување е техника за следење на поминување на примерок од супстанција низ систем. Супстанцијата е „означена“ со вклучување на радионуклиди преку нејзиниот хемиски состав. Кога тие се распаѓаат, нивното присуство може да се одреди со откривање на зрачењето што го емитираат. Радиоизотопското означување е посебен случај на изотопско означување.
За овие цели, особено корисен вид на радиоактивно распаѓање е позитронскиот распад. Кога позитронот ќе се судри со електрон, тој ослободува два високоенергетски фотони кои патуваат во дијаметрално спротивни насоки. Доколку се претпостави дека позитронот се произведува во цврст објект. Во тој случај ќе патува само 0,5 милиметри, до 6 мм. Доколку и двата од овие фотони можат да се откријат, местоположбата на настанот на распаѓање може да се одреди многу прецизно.
Строго кажано, радиоизотопското означување вклучува единствено случаи кога радиоактивноста е вештачки воведена од експериментатори, но некои природни феномени дозволуваат да се направат слични анализи. Особено, радиометриското датирање потребува тесно поврзан принцип.
3.1 Примени во истражувањето на човечката минерална исхрана
Употребата на стабилни трагачи на изотопи за проучување на минералната исхрана и метаболизмот кај луѓето за прв пат била пријавена во 1960-тите. Додека радиоизотопите се користеле во истражувањето на човечката исхрана неколку децении претходно, стабилните изотопи претставувале побезбедна можност, особено кај субјектите за кои постои зголемена загриженост за изложеноста на радијација, на пр. бремени жени и доилки и деца. Други предности што ги нудат стабилните изотопи ја вклучуваат способноста да се проучуваат елементи кои немаат соодветни радиоизотопи и да се проучува долгорочното однесување на трагачот. Така, употребата на стабилни изотопи станало вообичаено со зголемената достапност на изотопски збогатени материјали и неоргански масени спектрометри. Употребата на стабилни изотопи наместо радиоизотопи има неколку недостатоци: потребни се поголеми количества трасер, кои имаат потенцијал да го нарушат природно постоечкиот минерал; подготовката на аналитичката мостра е посложена, а масената спектрометрија е поскапа; присуството на трасер во цели тела или одредени ткива не може да се мери надворешно. Сепак, предностите преовладуваат со што стабилните изотопи стануваат стандард во проиучувањето за луѓе.
Поголемиот дел од минералите кои се од суштинско значење за здравјето на човекот и се од особен интерес за истражувачите во исхраната имаат стабилни изотопи, некои добро прилагодени како биолошки трагачи поради нивното мало природно изобилство. Железо, цинк, калциум, бакар, магнезиум, селен и молибден
се меѓу основните минерали кои имаат стабилни изотопи на кои се применети методите за трагач на изотопи. Железото, цинкот и калциумот особено се опширно проучувани.
Аспектите на минералната исхрана/метаболизам кои се проучуваат вклучуваат впивање (од гастроинтестиналниот тракт во телото), распространување, складирање, излачување и кинетиката на овие процеси. Трасерите на изотопи се пренесуваат кај испитаниците орално (со или без храна, или со минерален додаток) и/или интравенски. Збогатувањето на изотоп потоа се мери во крвната плазма, еритроцитите, урината и/или изметот. Збогатувањето е измерено и во мајчиното млеко и содржината на цревата. Дизајнот на експериментот со трасер понекогаш се разликува помеѓу минералите поради разликите во нивниот метаболизам. На пример, впивањето на железо обично се определува од соединување на трасерот во еритроцитите, додека впивањето на цинк или калциум се мери од изгледот на трагачот во плазмата, урината или изметот. Употребата на повеќе трагачи на изотопи во една студија е вообичаена, што дозволува употреба на посигурни методи на мерење и симултани испитувања на повеќе аспекти на метаболизмот.
Мерењето на впивањето на минералите од исхраната, често замислено како биорасположивост, е најчеста примена на методите на изотоп-трасер за истражување на исхраната. Меѓу целите на ваквите испитувања се испитувањата за тоа како впивањето е под влијание на видот на храната (на пр. растителен наспроти животински извор, мајчиното млеко наспроти формулата), други компоненти на исхраната (на пр. фитати), болести и метаболички нарушувања (на пр. ентерична дисфункција во животната средина), репродуктивниот циклус, количината на минерали во исхраната, хроничен дефицит на минерали, возраста на субјектот. Кога резултатите од таквите проучувања се достапни за минералот, тие може да послужат како основа за проценки на човечките физиолошки и диететски потреби од минералот.
Кога трасерот се пренесува со храна со цел да се набљудува впивањето на минералите и метаболизмот, тој може да биде во форма на внатрешна или надворешна ознака. Внатрешна ознака е изотоп кој е воведен во храната за време на нејзиното производство, со што се збогатува природната содржина на минерали во храната, додека надворешното означување се однесува на додавање изотоп на трасер во храната за време на испитувањето. Бидејќи тоа е многу време и скап пристап, внатрешното означување не се користи рутински. Испитувањата кои ги споредуваат мерењата на впивање со користење на внатрешно и надворешно означување на различни видови храна, генерално покажале добра согласност помеѓу двата методи на означување, поддржувајќи ја хипотезата дека надворешните и природните минерали се постапуваат слично во човечкиот гастроинтестинален тракт.
Збогатувањето се квантифицира преку мерењето на односот на изотопот, односот на изотопот на трасерот до наводниот изотоп, со масена спектрометрија. Повеќекратни дефиниции и пресметки за збогатување се усвоени од различни истражувачи. Пресметките за збогатување стануваат посложени кога се користат повеќе трасери истовремено. Бидејќи збогатените изотопски препарати никогаш не се изотопски чисти, т.е. ги содржат сите изотопи на елементот во неприродно изобилство, пресметките за збогатување на повеќе трагачи на изотопи мора да го земат предвид ненадејното растројство на секој однос на изотоп поради присуството на другите трагачи.
Поради распространетоста на недостатоците на минералите и нивното критично влијание врз здравјето на човекот и благосостојба во земјите сиромашни со ресурси, Меѓународната агенција за атомска енергија неодамна објавила детални и сеопфатни описи на методите на стабилни изотопи за да го олесни ширењето на ова знаење до истражувачите надвор од западните академски центри.
3.2 Примени во протеомика
Во протеомиката, проучувањето на целосниот сет на протеини изразени од геномот, идентификувањето на биомаркерите на болести може да вклучи употреба на стабилно означување на изотоп со аминокиселини во клеточна култура (''SILAC''), што обезбедува изотопски означени форми на аминокиселини што се употребуваат за проценка на нивоата на протеини.Во протеинската рекомбинантна, манипулираните протеини се произведуваат во големи количини и излачувањето на изотоп е алатка за тестирање на релевантни протеини. Порано методот бил за селективно збогатување на јадрата со <sup>13</sup>C или <sup>15</sup>N или осиромашување на <sup>1</sup>H од нив. Рекомбинантот би бил изразен во ''E.coli'' со медиум кој содржи <sup>15</sup>амониум хлорид како извор на азот. Добиените <sup>15</sup>N означени протеини потоа се прочистуваат со афинитет на имобилизиран метал и се проценува нивниот процент. Со цел да се зголеми приносот на означените протеини и да се намали цената на медиумот означен со изотоп, алтернативната постапка првенствено ја зголемува клеточната маса користејќи неозначени медиуми пред да ја воведе во минимална количина означени медиуми. Друга примена на означување на изотоп би била во мерењето на синтезата на ДНК, односно клеточната пролиферација ин витро . Користи означување на H3-тимидин за да го спореди моделот на синтеза (или низа) во клетките.
3.3 Употреба во анализа на процесите на екосистемот
Изотопските трагачи се употребуваат за испитување на процесите во природните системи, особено копнените и водните средини. Во науката за почвата, трагачите од <sup>13</sup>C и <sup>14</sup>C, се употребуваат интензивно за проучување на азотниот циклус, додека стабилни и радиоизотопи на јаглерод соодветно, се користат за проучување на обртот на органски соединенија и поврзувањето на CO со автотрофи. На пример, Марш и неговите соработници (2005) користеле двојна означена(<sup>15</sup>N- и <sup>14</sup>C). уреа за да демонстрира искористување на соединението од амонијак оксидатори и како извор на енергија (оксидација на амонијак) и како извор на јаглерод (хемоавтотрофична фиксација на јаглерод). Деутерираната вода се употребува и за следење на судбината и староста на водата во дрво.или во екосистем
3.4 Употреба во океанографијата
Тракерите исто така се употребуваат интензивно во океанографијата за проучување на широк спектар на процеси. Употребените изотопи обично се природно присутни со добро воспоставени извори и стапки на формирање и распаѓање. Сепак, антропогените изотопи, исто така, може да се употребат со голем успех. Истражувачите ги мерат изотопските соодноси на различни местоположби и времиња за да заклучат информации за физичките процеси на океанот.
3.4.1 Пренос на честички
Океанот претставува широка мрежа на пренос на честички. Изотопите на ториум можат да им помогнат на истражувачите да го дешифрираат вертикалното и хоризонталното движење на материјата. <sup>234</sup>Th има постојана, добро дефинирана стапка на производство во океанот и полураспад од 24 денови. Овој природен изотоп се покажал дека варира линеарно во зависност од длабочината. Затоа, какви било промени во овој линеарен модел може да се припишат на преносот на <sup>234</sup>Th на честички. На пример, ниските изотопски соодноси во површинските води со многу високи вредности неколку метри надолу би укажале на вертикален флукс во надолна насока. Понатаму, изотопот на ториум може да се следи во одредена длабочина за да се дешифрира страничниот пренос на честички.
3.4.2 Циркулација
Циркулацијата во месните системи, како што се заливите, утоките и подземните води, може да се испита со изотопи на радиум. <sup>223</sup>Ra има полураспад од 11 денови и може да се појави природно на одредени местоположби во реките и изворите на подземните води. Изотопскиот однос на радиумот потоа ќе се намали како што водата од изворот на реката ќе влезе во заливот или вливот. Со мерење на количината од <sup>223</sup>Ra на повеќе различни местоположби, може да се дешифрира модел на циркулација. Истиот точен процес може да се употреби и за проучување на движењето и испуштањето на подземните води.
Различни изотопи на олово може да се употребат за проучување на циркулацијата на глобално ниво. Различни океани (т.е. Атлантскиот, Тихиот, Индискиот итн.) имаат различни изотопски потписи. Ова произлегува од разликите во изотопските соодноси на седименти и карпи во различните океани. Бидејќи различните изотопи на олово имаат полураспад од 50-200 години, нема доволно време изотопските соодноси да се хомогенизираат низ целиот океан. Затоа, прецизната анализа на изотопските соодноси на Pb може да се употребат за проучување на циркулацијата на различните океани.
3.4.3 Тектонски процеси и климатски промени
Изотопите со екстремно долг полураспад и нивните производи на распаѓање може да се користат за проучување на повеќемилионски годишни процеси, како што се тектониката и екстремните климатски промени. На пример, во датирањето рубидиум-стронциум, изотопскиот однос на стронциумот (<sup>87</sup>Sr/<sup>86</sup>Sr) може да се анализира во ледените јадра за да се испитаат промените во текот на животниот век на Земјата. Разликите во овој однос во леденото јадро би укажале на значителни промени во геохемијата на Земјата.
3.4.4 Изотопи поврзани со јадреното оружје
Горенаведените процеси може да се измерат со употреба на природни изотопи. Сепак, антропогените изотопи се исто така исклучително корисни за океанографски мерења. Тестовите за јадрено оружје испуштиле плејада на невообичаени изотопи во светските океани. <sup>3</sup>H, <sup>129</sup>I, and <sup>137</sup>Cs може да се најдат растворени во морска вода, додека <sup>241</sup>Am and <sup>238</sup>Pu се прикачени на честички. Изотопите растворени во вода се особено корисни во проучувањето на глобалната циркулација. На пример, разликите во страничните изотопски соодноси во океанот може да укажат на силни водни фронтови или вртежи. Спротивно на тоа, изотопите прикачени на честичките може да се користат за проучување на преносот на маса во водни столбови. На пример, високите нивоа на Am или Pu може да укажат на опаѓање кога се набљудуваат на големи длабочини или нагоре кога се забележуваат на површината.