Che cos'è uno spettrometro di massa con rapporto isotopico?

Uno spettrometro di massa con rapporto isotopico (IRMS) è uno strumento che misura i rapporti di diversi isotopi di elementi particolari. Tutti gli elementi hanno isotopi che differiscono l'uno dall'altro solo per il numero di neutroni nel nucleo, dando loro diversi pesi atomici. Il principio alla base dello spettrometro di massa del rapporto isotopico è quello di differenziare gli isotopi sulla base delle loro diverse masse e determinare i rapporti tra coppie di isotopi. Questo dispositivo può fornire informazioni vitali sull'età e l'origine di un campione di materiale. Lo spettrometro di massa con rapporto isotopico ha applicazioni in molte aree, tra cui geologia, biologia e scienze forensi.

Il design degli spettrometri di massa con rapporto isotopico può variare, ma generalmente seguono gli stessi principi di base. Ci sarà un ingresso in cui viene introdotto il campione, portando ad una camera di combustione in cui il materiale viene convertito in un gas, possibilmente con alcuni mezzi per separare diversi gas che possono essere prodotti. Questa fase converte anche materiali biologici complessi nei composti semplici necessari per l'analisi, come l'anidride carbonica (CO ₂ ), l'acqua (H ₂ O) e l'azoto (N ₂ ). Il gas risultante viene immesso in una camera di ionizzazione dove viene ionizzato da un fascio di elettroni. Il gas ionizzato viene quindi focalizzato come un raggio in un'area di separazione di massa, dove un elettromagnete viene utilizzato per deviare gli ioni, in modo tale che diversi isotopi verranno separati in base alle loro masse.

Dopo aver attraversato l'area di separazione di massa, gli ioni raggiungono i collettori che generano segnali elettrici proporzionali al numero di ioni rilevati. Gli ioni degli isotopi più leggeri saranno stati deviati più dal campo magnetico rispetto a quelli più pesanti, quindi i collettori saranno posizionati di conseguenza. Pertanto, è possibile calcolare le proporzioni relative di diversi isotopi.

I campioni devono essere preparati prima di essere introdotti nello spettrometro di massa con rapporto isotopico. Nel caso di sostanze biologiche, ad esempio, i campioni possono essere sotto forma di foglie, terra o altro materiale non omogeneo. Il materiale solido verrà generalmente essiccato e macinato in una polvere fine. I campioni liquidi verranno essiccati o assorbiti su materiale solido poroso. Prima di eseguire un'analisi del rapporto isotopico, verrà solitamente eseguita la calibrazione utilizzando materiali di elementi noti e rapporti isotopici.

I rapporti complessivi di isotopi stabili di qualsiasi dato elemento sulla Terra erano fissi al momento della formazione del pianeta. Sebbene diversi isotopi di un elemento abbiano le stesse proprietà chimiche, altri fattori come la mobilità e la volatilità sono influenzati dalle masse degli isotopi. A causa di queste differenze, vari processi geochimici e biochimici possono concentrare o esaurire particolari isotopi in relazione ai loro valori di fondo, un fenomeno noto come frazionamento isotopico. Ad esempio, la fotosintesi provoca una deplezione piccola ma significativa dell'isotopo carbonio-13 rispetto all'atmosfera.

Le differenze nei rapporti degli isotopi di elementi come carbonio, ossigeno, azoto e altri possono fornire informazioni importanti sull'origine e la storia di un campione. È possibile utilizzare uno spettrometro di massa con rapporto isotopico per determinare se un materiale è di origine organica e persino, in alcuni casi, individuare l'area geografica in cui ha avuto origine. Questo può essere utile nella scienza forense. Ad esempio, i campioni di droghe illegali possono essere ricondotti alle loro origini e i campioni di suolo prelevati da un sospetto possono essere confrontati isotopicamente con quelli di una scena del crimine.

Poiché la temperatura e le precipitazioni possono influenzare il frazionamento isotopico, la spettrometria di massa con rapporto isotopico può essere utilizzata per studiare il clima terrestre in passato. I tassi di assorbimento e deposizione di isotopi di carbonio e ossigeno da parte di organismi marini che formano gusci variano a seconda del clima. I rapporti isotopici di resti fossilizzati di questi organismi possono quindi essere utilizzati per ottenere informazioni sulle condizioni climatiche quando erano in vita.

In geologia, la datazione radiometrica è un'applicazione importante per lo spettrometro di massa con rapporto isotopico. I rapporti isotopici di alcuni elementi metallici possono essere utilizzati per determinare l'età di un campione di roccia. Quando si forma la roccia, conterrà alcuni isotopi radioattivi. Questi decadono in altri isotopi, dello stesso elemento o, più comunemente, di un elemento diverso, a una velocità nota. Il rapporto tra l'isotopo originale - o "genitore" - e il prodotto in decomposizione - o "figlia" - può quindi essere usato per determinare l'età della roccia.