Co je hmotnostní spektrometr izotopového poměru?
Hmotnostní spektrometr s poměrem izotopů (IRMS) je přístroj, který měří poměry různých izotopů jednotlivých prvků. Všechny prvky mají izotopy, které se od sebe liší pouze počtem neutronů v jádru, což jim dává různé atomové hmotnosti. Princip izotopového hmotnostního spektrometru spočívá v rozlišení izotopů na základě jejich různých hmot a stanovení poměrů mezi páry izotopů. Toto zařízení může poskytnout životně důležité informace o věku a původu vzorku materiálu. Hmotnostní spektrometr s poměrem izotopů má uplatnění v mnoha oblastech, včetně geologie, biologie a forenzní vědy.
Konstrukce hmotnostních spektrometrů s poměrem izotopů se může lišit, ale obecně se řídí stejnými základními principy. Bude zaveden vstup, kde je vzorek zaveden, což vede ke spalovací komoře, kde je materiál přeměněn na plyn, pravděpodobně s některými prostředky pro separaci různých plynů, které mohou být produkovány. Tato fáze také převádí složité biologické materiály na jednoduché sloučeniny potřebné pro analýzu, jako je oxid uhličitý (CO2), voda (H20) a dusík (N2). Výsledný plyn je přiváděn do ionizační komory, kde je ionizován paprskem elektronů. Ionizovaný plyn je pak zaostřen jako paprsek do oblasti hromadné separace, kde se k vychylování iontů používá elektromagnet, takže různé izotopy budou separovány podle jejich hmot.
Po průchodu oblastí hromadné separace se ionty dostanou do kolektorů, které generují elektrické signály úměrné počtu detekovaných iontů. Ionty lehčích izotopů budou magnetickým polem odkloněny více než těžší, takže kolektory budou umístěny odpovídajícím způsobem. Lze tedy vypočítat relativní podíly různých izotopů.
Vzorky musí být připraveny před zavedením do hmotnostního spektrometru s poměrem izotopů. Například u biologických látek mohou být vzorky ve formě listů, půdy nebo jiného nehomogenního materiálu. Pevný materiál bude obecně sušen a rozemlet na jemný prášek. Kapalné vzorky budou buď sušeny nebo absorbovány na porézní pevný materiál. Před provedením analýzy poměru izotopů se obvykle provede kalibrace pomocí materiálů známých prvků a izotopových poměrů.
Celkové poměry stabilních izotopů jakéhokoli daného prvku na Zemi byly fixovány v době formování planety. Ačkoli různé izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, masy izotopů ovlivňují i jiné faktory, jako je mobilita a těkavost. V důsledku těchto rozdílů mohou různé geochemické a biochemické procesy soustředit nebo ochuzovat konkrétní izotopy vzhledem k jejich pozaďovým hodnotám, což je fenomén známý jako izotopická frakcionace. Například fotosyntéza má za následek malé, ale významné vyčerpání izotopového uhlíku 13 ve srovnání s atmosférou.
Rozdíly v poměrech izotopů prvků, jako je uhlík, kyslík, dusík a další, mohou poskytnout důležité informace o původu a historii vzorku. Pomocí hmotnostního spektrometru s poměrem izotopů je možné určit, zda je materiál organického původu, a dokonce v některých případech určit geografickou oblast, z níž pochází. To může být užitečné ve forenzní vědě. Například vzorky nelegálních drog lze vysledovat zpět k jejich původu a vzorky půdy odebrané podezřelým mohou být porovnány izotopicky se vzorky z místa činu.
Protože teplota a srážky mohou ovlivnit izotopovou frakcionaci, může být ke zkoumání zemského klimatu v minulých dobách použita hmotnostní spektrometrie izotopů. Rychlosti příjmu a ukládání izotopů uhlíku a kyslíku mořskými organismy vytvářejícími skořápky se liší v závislosti na klimatu. Izotopové poměry fosilizovaných zbytků těchto organismů lze tedy použít k získání informací o klimatických podmínkách, když byly naživu.
V geologii je radiometrické datování důležitou aplikací hmotnostního spektrometru s poměrem izotopů. K určení stáří vzorku hornin lze použít izotopové poměry určitých kovových prvků. Když se vytvoří hornina, bude obsahovat některé radioaktivní izotopy. Tito se rozkládají na jiné izotopy, jeden ze stejného prvku nebo, více obyčejně, jiný element, u známé rychlosti. K určení stáří horniny lze tedy použít poměr původního - nebo „mateřského“ - izotopu k rozpadovému produktu - nebo „dceřinému“ izotopu.