Hva er et massespektrometer for isotopforhold?
Et isotopforhold massespektrometer (IRMS) er et instrument som måler forholdene mellom forskjellige isotoper av bestemte elementer. Alle elementer har isotoper som skiller seg fra hverandre bare i antall nøytroner i kjernen, noe som gir dem forskjellige atomvekter. Prinsippet bak massespektrometeret for isotopforholdet er å differensiere isotopen på grunnlag av deres forskjellige masser og bestemme forholdet mellom par isotoper. Denne enheten kan gi viktig informasjon om alderen og opprinnelsen til et utvalg av materiale. Massespektrometeret for isotopforholdet har anvendelser på mange områder, inkludert geologi, biologi og rettsvitenskap.
Utformingen av massespektrometre for isotopforhold kan variere, men generelt følger de de samme grunnleggende prinsippene. Det vil være et innløp der prøven blir introdusert, noe som fører til et forbrenningskammer hvor materialet blir omdannet til en gass, muligens med noen midler for å separere forskjellige gasser som kan produseres. Dette trinnet konverterer også komplekse biologiske materialer til de enkle forbindelser som er nødvendige for analyse, for eksempel karbondioksid (CO 2 ), vann (H20) og nitrogen (N 2 ). Den resulterende gassen føres inn i et ioniseringskammer hvor den ioniseres av en elektronstråle. Den ioniserte gassen blir deretter fokusert som en bjelke inn i et masseseparasjonsområde, hvor en elektromagnet brukes til å avlede ionene, slik at forskjellige isotoper blir separert i henhold til massene deres.
Etter å ha passert gjennom masseseparasjonsområdet, når ionene samlere som genererer elektriske signaler proporsjonalt med antallet detekterte ioner. Ioner fra de lettere isotoper vil ha blitt avbøyd mer av magnetfeltet enn de tyngre, så samlerne vil bli plassert deretter. Dermed kan de relative proporsjonene til forskjellige isotoper beregnes.
Prøvene må tilberedes før de innføres i isotop-forholdets massespektrometer. Når det gjelder biologiske stoffer, for eksempel, kan prøvene være i form av blader, jord eller annet ikke-homogent materiale. Fast materiale vil vanligvis tørkes og males til et fint pulver. Flytende prøver blir enten tørket eller absorbert på porøst, fast materiale. Før du utfører en isotopforholdsanalyse, vil kalibrering med materialer med kjent element og isotopforhold vanligvis utføres.
De samlede forholdene mellom stabile isotoper av et hvilket som helst gitt element på jorden ble fikset på tidspunktet for planetens dannelse. Selv om forskjellige isotoper av et element har de samme kjemiske egenskapene, påvirkes andre faktorer som mobilitet og flyktighet av isotopenes masser. På grunn av disse forskjellene kan forskjellige geokjemiske og biokjemiske prosesser konsentrere eller uttømme spesielle isotoper i forhold til deres bakgrunnsverdier, et fenomen kjent som isotopisk fraksjonering. For eksempel resulterer fotosyntesen i en liten, men betydelig uttømming av isotopen karbon-13 i forhold til atmosfæren.
Forskjeller i forholdene mellom isotoper av elementer som karbon, oksygen, nitrogen og andre kan gi viktig informasjon om opprinnelsen og historien til en prøve. Det er mulig å bruke et isotopforhold massespektrometer for å bestemme om et materiale er av organisk opprinnelse og til og med, i noen tilfeller, å kartlegge det geografiske området der det oppsto. Dette kan være nyttig i rettsmedisinsk vitenskap. For eksempel kan prøver av ulovlige stoffer spores tilbake til deres opprinnelse, og jordprøver tatt fra en mistenkt kan sammenlignes isotopisk med de fra et forbrytelsessted.
Siden temperatur og nedbør kan påvirke isotopfraksjonering, kan isotopforhold massespektrometri brukes til å undersøke jordens klima i tidligere tider. Mengden av opptak og avsetning av karbon- og oksygenisotoper av skalldannende marine organismer varierer i henhold til klimaet. Isotopforhold mellom fossile rester av disse organismer kan dermed brukes til å få informasjon om klimaforholdene da de var i live.
I geologi er radiometrisk datering en viktig applikasjon for isotopforholdets massespektrometer. Isotopforholdene til visse metalliske elementer kan brukes til å bestemme alderen til en steinprøve. Når det dannes berg, vil den inneholde noen radioaktive isotoper. Disse forfall til andre isotoper, enten av samme element eller, mer vanlig, et annet element, med en kjent hastighet. Forholdet mellom den originale - eller "foreldre" - isotopen og forfallsproduktet - eller "datter" - isotop kan således brukes til å bestemme bergens alder.