Co to jest spektrometr mas ze stosunkiem izotopów?
Spektrometr mas ze stosunkiem izotopów (IRMS) to przyrząd, który mierzy stosunki różnych izotopów poszczególnych pierwiastków. Wszystkie pierwiastki mają izotopy, które różnią się od siebie tylko liczbą neutronów w jądrze, co daje im różne masy atomowe. Zasada działania spektrometru masowego stosunku izotopów polega na różnicowaniu izotopów na podstawie ich różnych mas i określaniu stosunków między parami izotopów. To urządzenie może dostarczyć istotnych informacji o wieku i pochodzeniu próbki materiału. Spektrometr mas ze stosunkiem izotopów ma zastosowanie w wielu obszarach, w tym w geologii, biologii i medycynie sądowej.
Konstrukcja spektrometrów mas ze stosunkiem izotopów może się różnić, ale ogólnie są one zgodne z tymi samymi podstawowymi zasadami. Będzie tam wlot, w którym wprowadzana jest próbka, prowadząca do komory spalania, w której materiał jest przekształcany w gaz, ewentualnie z pewnymi środkami do oddzielania różnych wytwarzanych gazów. Ten etap przekształca również złożone materiały biologiczne w proste związki wymagane do analizy, takie jak dwutlenek węgla (CO 2 ), woda (H 2 O) i azot (N 2 ). Powstały gaz jest wprowadzany do komory jonizacyjnej, gdzie jest jonizowany wiązką elektronów. Zjonizowany gaz jest następnie skupiany jako wiązka w obszarze rozdziału masy, gdzie elektromagnes służy do odchylania jonów, tak że różne izotopy zostaną rozdzielone zgodnie z ich masami.
Po przejściu przez obszar separacji masy jony docierają do kolektorów, które generują sygnały elektryczne proporcjonalne do liczby wykrytych jonów. Jony lżejszych izotopów zostaną bardziej odchylone przez pole magnetyczne niż cięższe, więc kolektory zostaną odpowiednio ustawione. W ten sposób można obliczyć względne proporcje różnych izotopów.
Próbki należy przygotować przed wprowadzeniem do spektrometru mas ze stosunkiem izotopów. Na przykład w przypadku substancji biologicznych próbki mogą mieć postać liści, gleby lub innego niejednorodnego materiału. Materiał stały będzie na ogół suszony i mielony na drobny proszek. Próbki płynne zostaną wysuszone lub wchłonięte przez porowaty materiał stały. Przed przeprowadzeniem analizy stosunku izotopów zwykle przeprowadzana jest kalibracja z wykorzystaniem materiałów o znanym stosunku pierwiastków i izotopów.
Ogólne stosunki stabilnych izotopów dowolnego danego pierwiastka na Ziemi zostały ustalone w czasie formowania się planety. Chociaż różne izotopy pierwiastków mają te same właściwości chemiczne, na inne czynniki, takie jak ruchliwość i lotność, mają wpływ masy izotopów. Z powodu tych różnic różne procesy geochemiczne i biochemiczne mogą koncentrować lub wyczerpywać poszczególne izotopy w stosunku do ich wartości tła, zjawisko znane jako frakcjonowanie izotopowe. Na przykład fotosynteza powoduje niewielkie, ale znaczące zubożenie izotopowego węgla-13 w stosunku do atmosfery.
Różnice w stosunkach izotopów pierwiastków takich jak węgiel, tlen, azot i inne mogą dostarczyć ważnych informacji o pochodzeniu i historii próbki. Możliwe jest zastosowanie spektrometru masowego w stosunku izotopowym do ustalenia, czy materiał jest pochodzenia organicznego, a nawet, w niektórych przypadkach, do wskazania obszaru geograficznego, z którego pochodzi. Może to być przydatne w kryminalistyce. Na przykład próbki nielegalnych narkotyków można prześledzić do ich pochodzenia, a próbki gleby pobrane od podejrzanego można porównać izotopowo z próbkami z miejsca zbrodni.
Ponieważ temperatura i opady mogą wpływać na frakcjonowanie izotopowe, spektrometria masowa stosunku izotopów może być wykorzystana do zbadania klimatu Ziemi w przeszłości. Szybkości wychwytywania i osadzania izotopów węgla i tlenu przez organizmy morskie tworzące skorupy różnią się w zależności od klimatu. Stosunki izotopowe skamieniałych szczątków tych organizmów można zatem wykorzystać do uzyskania informacji o warunkach klimatycznych, kiedy żyły.
W geologii datowanie radiometryczne jest ważnym zastosowaniem spektrometru masowego w stosunku izotopowym. Stosunki izotopowe niektórych pierwiastków metalicznych można wykorzystać do ustalenia wieku próbki skały. Kiedy powstaje skała, będzie ona zawierała izotopy promieniotwórcze. Rozpadają się one na inne izotopy, albo z tego samego pierwiastka, albo częściej z innego pierwiastka, w znanym tempie. Stosunek pierwotnego - lub „macierzystego” - izotopu do produktu rozpadu - lub „córki” - izotopu może być zatem wykorzystany do określenia wieku skały.