同位体比質量分析計とは何ですか？

同位体比質量分析計（IRMS）は、特定の元素の異なる同位体の比を測定する機器です。 すべての元素は、原子核内の中性子数のみが異なる同位体を持ち、異なる原子量を与えます。 同位体比質量分析計の背後にある原理は、異なる質量に基づいて同位体を区別し、同位体のペア間の比を決定することです。 このデバイスは、材料サンプルの年齢と起源に関する重要な情報を提供できます。 同位体比質量分析計は、地質学、生物学、法医学など、多くの分野で用途があります。

同位体比質量分析計の設計はさまざまですが、一般的には同じ基本原理に従います。 サンプルが導入される入口があり、燃焼室に至ります。燃焼室では、生成される可能性のある異なるガスを分離する何らかの手段を使用して、材料がガスに変換されます。 また、この段階では、二酸化炭素（CO ₂ ）、水（H ₂ O）、窒素（N ₂ ）などの複雑な生体物質を分析に必要な単純な化合物に変換します。 結果として生じるガスは、電子ビームによってイオン化される電離箱に送られます。 イオン化されたガスは、質量分離領域にビームとして集束され、そこで電磁石を使用してイオンが偏向され、質量に応じて異なる同位体が分離されます。

質量分離領域を通過したイオンは、検出されたイオンの数に比例する電気信号を生成するコレクターに到達します。 軽い同位体のイオンは、重い同位体よりも磁場によってより多く偏向されるため、コレクターはそれに応じて配置されます。 したがって、異なる同位体の相対比率を計算できます。

サンプルは、同位体比質量分析計に導入する前に準備する必要があります。 例えば、生物学的物質の場合、サンプルは葉、土壌、または他の不均質な物質の形をとることがあります。 固体材料は一般に乾燥され、微粉末に粉砕されます。 液体サンプルは乾燥するか、多孔性固体材料に吸収されます。 同位体比分析を実行する前に、通常、既知の元素と同位体比の材料を使用したキャリブレーションが実行されます。

地球上の任意の元素の安定同位体の全体的な比率は、惑星の形成時に固定されていました。 元素の異なる同位体は同じ化学的性質を持っていますが、移動度や揮発性などの他の要因は同位体の質量の影響を受けます。 これらの違いにより、さまざまな地球化学的プロセスおよび生化学的プロセスは、特定の同位体をそのバックグラウンド値と比較して濃縮または枯渇させることができます。これは同位体分別として知られる現象です。 たとえば、光合成により、大気と比較して同位体炭素13がわずかに減少しますが、有意に減少します。

炭素、酸素、窒素などの元素の同位体比の違いは、サンプルの起源と歴史に関する重要な情報を提供します。 同位体比質量分析計を使用して、材料が有機起源であるかどうかを判断し、場合によっては、起源の地理的領域を特定することもできます。 これは、科学捜査に役立ちます。 たとえば、違法薬物のサンプルはその起源にまでさかのぼることができ、容疑者から採取した土壌サンプルは犯罪現場のサンプルと同位体的に比較できます。

温度と降水量が同位体分別に影響する可能性があるため、同位体比質量分析を使用して過去の地球の気候を調査できます。 貝殻を形成する海洋生物による炭素と酸素の同位体の取り込みと堆積の速度は、気候によって異なります。 したがって、これらの生物の化石化された遺体の同位体比は、それらが生きていたときの気候条件に関する情報を取得するために使用できます。

地質学では、放射性年代測定は同位体比質量分析計の重要なアプリケーションです。 特定の金属元素の同位体比は、岩石サンプルの年代を決定するために使用できます。 岩石が形成されると、いくつかの放射性同位体が含まれます。 これらは、既知の割合​​で、同じ元素またはより一般的には異なる元素のいずれかである他の同位体に崩壊します。 したがって、元の（または「親」）同位体と崩壊生成物（または「娘」）同位体の比率は、岩石の年代を決定するために使用できます。