Wat is een isotopenverhouding massaspectrometer?
Een isotopenverhouding massaspectrometer (IRMS) is een instrument dat de verhoudingen van verschillende isotopen van bepaalde elementen meet. Alle elementen hebben isotopen die alleen van elkaar verschillen in het aantal neutronen in de kern, waardoor ze verschillende atoomgewichten krijgen. Het principe achter de isotopenverhouding massaspectrometer is om de isotopen te differentiëren op basis van hun verschillende massa's en de verhoudingen tussen paren van isotopen te bepalen. Dit apparaat kan essentiële informatie bieden over de leeftijd en oorsprong van een materiaalmonster. De isotopenverhouding massaspectrometer heeft toepassingen op vele gebieden, waaronder geologie, biologie en forensische wetenschap.
Het ontwerp van isotopenverhouding massaspectrometers kan variëren, maar over het algemeen volgen ze dezelfde basisprincipes. Er zal een inlaat zijn waar het monster wordt ingebracht, leidend tot een verbrandingskamer waar het materiaal wordt omgezet in een gas, mogelijk met enige middelen voor het scheiden van verschillende gassen die kunnen worden geproduceerd. Deze fase zet ook complexe biologische materialen om in de eenvoudige verbindingen die nodig zijn voor analyse, zoals koolstofdioxide (CO 2 ), water (H 2 O) en stikstof (N 2 ). Het resulterende gas wordt in een ionisatiekamer gevoerd waar het wordt geïoniseerd door een elektronenstraal. Het geïoniseerde gas wordt vervolgens gefocusseerd als een straal in een massa-scheidingsgebied, waar een elektromagneet wordt gebruikt om de ionen af te buigen, zodat verschillende isotopen worden gescheiden op basis van hun massa.
Na het passeren van het massa-scheidingsgebied bereiken de ionen collectoren die elektrische signalen genereren evenredig met het aantal gedetecteerde ionen. Ionen van de lichtere isotopen zullen meer door het magnetische veld zijn afgebogen dan de zwaardere, dus de collectoren zullen dienovereenkomstig worden geplaatst. Aldus kunnen de relatieve verhoudingen van verschillende isotopen worden berekend.
De monsters moeten worden voorbereid voordat ze in de massaspectrometer van de isotopenverhouding worden geïntroduceerd. In het geval van biologische stoffen kunnen de monsters bijvoorbeeld in de vorm zijn van bladeren, grond of ander niet-homogeen materiaal. Vast materiaal zal in het algemeen worden gedroogd en tot een fijn poeder worden gemalen. Vloeibare monsters worden gedroogd of geabsorbeerd op poreus vast materiaal. Voordat een isotopenverhoudinganalyse wordt uitgevoerd, wordt gewoonlijk kalibratie met materialen met bekende element- en isotopenverhoudingen uitgevoerd.
De totale verhoudingen van stabiele isotopen van een bepaald element op aarde waren vastgesteld ten tijde van de vorming van de planeet. Hoewel verschillende isotopen van een element dezelfde chemische eigenschappen hebben, worden andere factoren zoals mobiliteit en vluchtigheid beïnvloed door de massa van de isotopen. Vanwege deze verschillen kunnen verschillende geochemische en biochemische processen bepaalde isotopen concentreren of uitputten ten opzichte van hun achtergrondwaarden, een fenomeen dat bekend staat als isotopische fractionering. Fotosynthese resulteert bijvoorbeeld in een kleine maar significante uitputting van het isotoop koolstof-13 ten opzichte van de atmosfeer.
Verschillen in de verhoudingen van isotopen van elementen zoals koolstof, zuurstof, stikstof en andere kunnen belangrijke informatie verschaffen over de oorsprong en geschiedenis van een monster. Het is mogelijk om een isotopenverhouding massaspectrometer te gebruiken om te bepalen of een materiaal van organische oorsprong is en zelfs, in sommige gevallen, om het geografische gebied te bepalen waar het vandaan komt. Dit kan van nut zijn in de forensische wetenschap. Zo kunnen monsters van illegale drugs worden getraceerd naar hun oorsprong en kunnen bodemmonsters van een verdachte isotopisch worden vergeleken met die van een plaats delict.
Aangezien temperatuur en neerslag de isotopische fractionering kunnen beïnvloeden, kan isotopenverhouding massaspectrometrie worden gebruikt om het aardklimaat in het verleden te onderzoeken. De opnamesnelheid en afzetting van koolstof- en zuurstofisotopen door shell-vormende zee-organismen variëren afhankelijk van het klimaat. Isotopenverhoudingen van gefossiliseerde overblijfselen van deze organismen kunnen dus worden gebruikt om informatie te verkrijgen over de klimatologische omstandigheden waarin ze leefden.
In de geologie is radiometrische datering een belangrijke toepassing voor de isotopenverhouding massaspectrometer. De isotoopverhoudingen van bepaalde metalen elementen kunnen worden gebruikt om de leeftijd van een steenmonster te bepalen. Wanneer steen wordt gevormd, zal het enkele radioactieve isotopen bevatten. Deze vervallen in andere isotopen, ofwel van hetzelfde element of, meer gebruikelijk, een ander element, met een bekende snelheid. De verhouding van de oorspronkelijke - of "ouder" - isotoop tot het vervalproduct - of "dochter" - isotoop kan dus worden gebruikt om de leeftijd van de rots te bepalen.