Hvad er et isotopforholdsmassespektrometer?
Et isotopforhold massespektrometer (IRMS) er et instrument, der måler forholdet mellem forskellige isotoper af bestemte elementer. Alle elementer har isotoper, der kun adskiller sig fra hinanden i antallet af neutroner i kernen, hvilket giver dem forskellige atomvægte. Princippet bag massespektrometeret for isotopforholdet er at differentiere isotoperne på baggrund af deres forskellige masser og bestemme forholdet mellem par isotoper. Denne enhed kan give vigtige oplysninger om alderen og oprindelsen af en prøve af materiale. Isotopforholdets massespektrometer har anvendelser inden for mange områder, herunder geologi, biologi og retsmedicinsk videnskab.
Designet af massespektrometre med isotopforhold kan variere, men generelt følger de de samme grundlæggende principper. Der vil være et indløb, hvor prøven indføres, hvilket fører til et forbrændingskammer, hvor materialet omdannes til en gas, muligvis med nogle midler til at adskille forskellige gasser, der kan produceres. Dette trin omdanner også komplekse biologiske materialer til de enkle forbindelser, der kræves til analyse, såsom carbondioxid (CO 2 ), vand (H20) og nitrogen (N2). Den resulterende gas føres ind i et ioniseringskammer, hvor det ioniseres af en elektronstråle. Den ioniserede gas fokuseres derefter som en bjælke ind i et masseseparationsområde, hvor en elektromagnet bruges til at afbøje ioner, således at forskellige isotoper bliver adskilt i henhold til deres masser.
Når de er passeret gennem masseseparationsområdet, når ionerne samlere, der genererer elektriske signaler, der er proportionalt med antallet af detekterede ioner. Ioner af de lettere isotoper vil være blevet afbøjet mere af magnetfeltet end de tungere, så samlerne vil blive placeret i overensstemmelse hermed. Således kan de relative andele af forskellige isotoper beregnes.
Prøverne skal fremstilles, inden de indføres i isotopforholdets massespektrometer. For biologiske stoffer kan for eksempel prøverne være i form af blade, jord eller andet ikke-homogent materiale. Fast stof tørres generelt og formales til et fint pulver. Flydende prøver vil enten blive tørret eller absorberet på porøst fast materiale. Inden der udføres en isotopforholdsanalyse, udføres der normalt kalibrering ved hjælp af materialer med kendt element og isotopforhold.
De samlede forhold mellem stabile isotoper af et hvilket som helst givet element på Jorden blev fastlagt på tidspunktet for planetens dannelse. Selvom forskellige isotoper af et element har de samme kemiske egenskaber, påvirkes andre faktorer såsom mobilitet og flygtighed af isotopenes masser. På grund af disse forskelle kan forskellige geokemiske og biokemiske processer koncentrere eller udtømme bestemte isotoper i forhold til deres baggrundsværdier, et fænomen kendt som isotopisk fraktionering. F.eks. Resulterer fotosyntesen i en lille, men betydelig udtømning af isotopen carbon-13 i forhold til atmosfæren.
Forskelle i forholdet mellem isotoper af elementer som kulstof, ilt, nitrogen og andre kan give vigtige oplysninger om en prøves oprindelse og historie. Det er muligt at anvende et isotopforhold massespektrometer til at bestemme, om et materiale er af organisk oprindelse og endda i nogle tilfælde at præcisere det geografiske område, hvor det har sin oprindelse. Dette kan være nyttigt i retsmedicinsk videnskab. For eksempel kan prøver af ulovlige stoffer spores tilbage til deres oprindelse, og jordprøver, der er taget fra en mistænkt, kan sammenlignes isotopisk med dem fra en kriminalscene.
Da temperatur og nedbør kan have indflydelse på isotopfraktionering, kan isotopforholdets massespektrometri bruges til at undersøge jordens klima i tidligere tider. Hastigheden for optagelse og afsætning af kulstof- og iltisotoper af skaldannende marine organismer varierer afhængigt af klimaet. Isotopforhold mellem fossile rester af disse organismer kan således bruges til at få information om de klimatiske forhold, da de levede.
Inden for geologi er radiometrisk datering en vigtig applikation for isotopforholdets massespektrometer. Isotopforholdene for visse metalliske elementer kan bruges til at bestemme alderen på en stenprøve. Når der dannes klippe, vil den indeholde nogle radioaktive isotoper. Disse henfald til andre isotoper, enten af det samme element eller, mere almindeligt, et andet element, med en kendt hastighed. Forholdet mellem den originale - eller "forælder" - isotop til det henfaldende produkt - eller "datter" - isotop kan således bruges til at bestemme klippens alder.