O que é um espectrômetro de massa com proporção isotópica?
Um espectrômetro de massa de razão de isótopos (IRMS) é um instrumento que mede as relações de diferentes isótopos de elementos particulares. Todos os elementos possuem isótopos que diferem entre si apenas no número de nêutrons no núcleo, dando a eles pesos atômicos diferentes. O princípio por trás do espectrômetro de massa com razão isotópica é diferenciar os isótopos com base em suas diferentes massas e determinar as relações entre pares de isótopos. Este dispositivo pode fornecer informações vitais sobre a idade e origem de uma amostra de material. O espectrômetro de massa com razão isotópica tem aplicações em muitas áreas, incluindo geologia, biologia e ciências forenses.
O design dos espectrômetros de massa com razão isotópica pode variar, mas geralmente eles seguem os mesmos princípios básicos. Haverá uma entrada onde a amostra é introduzida, levando a uma câmara de combustão onde o material é convertido em gás, possivelmente com alguns meios de separar diferentes gases que podem ser produzidos. Esse estágio também converte materiais biológicos complexos em compostos simples necessários para análise, como dióxido de carbono (CO 2 ), água (H2O) e nitrogênio (N 2 ). O gás resultante é alimentado em uma câmara de ionização, onde é ionizado por um feixe de elétrons. O gás ionizado é então focado como um feixe em uma área de separação de massa, onde um eletroímã é usado para desviar os íons, de modo que diferentes isótopos sejam separados de acordo com suas massas.
Depois de passar pela área de separação de massa, os íons atingem coletores que geram sinais elétricos proporcionais ao número de íons detectados. Os íons dos isótopos mais leves serão desviados mais pelo campo magnético do que pelos mais pesados, de modo que os coletores serão posicionados de acordo. Assim, as proporções relativas de diferentes isótopos podem ser calculadas.
As amostras devem ser preparadas antes de serem introduzidas no espectrômetro de massa com razão isotópica. No caso de substâncias biológicas, por exemplo, as amostras podem estar na forma de folhas, solo ou outro material não homogêneo. O material sólido será geralmente seco e moído em pó fino. As amostras líquidas serão secas ou absorvidas em material sólido poroso. Antes de realizar uma análise da razão isotópica, a calibração usando materiais de elemento conhecido e razão isotópica será normalmente realizada.
As proporções gerais de isótopos estáveis de qualquer elemento na Terra foram fixadas no momento da formação do planeta. Embora diferentes isótopos de um elemento tenham as mesmas propriedades químicas, outros fatores como mobilidade e volatilidade são influenciados pelas massas dos isótopos. Devido a essas diferenças, vários processos geoquímicos e bioquímicos podem concentrar ou esgotar isótopos específicos em relação aos seus valores de base, um fenômeno conhecido como fracionamento isotópico. Por exemplo, a fotossíntese resulta em uma depleção pequena, mas significativa, do isótopo carbono-13 em relação à atmosfera.
Diferenças nas proporções de isótopos de elementos como carbono, oxigênio, nitrogênio e outros podem fornecer informações importantes sobre a origem e o histórico de uma amostra. É possível usar um espectrômetro de massa com razão de isótopos para determinar se um material é de origem orgânica e até, em alguns casos, identificar a área geográfica em que se originou. Isso pode ser útil na ciência forense. Por exemplo, amostras de drogas ilegais podem ser rastreadas até suas origens e amostras de solo de um suspeito podem ser comparadas isotopicamente com as de uma cena de crime.
Como a temperatura e a precipitação podem influenciar o fracionamento isotópico, a espectrometria de massa da razão isotópica pode ser usada para investigar o clima da Terra em tempos passados. As taxas de captação e deposição de isótopos de carbono e oxigênio por organismos marinhos formadores de conchas variam de acordo com o clima. Razões isotópicas de restos fossilizados desses organismos podem, portanto, ser usadas para obter informações sobre as condições climáticas quando estavam vivos.
Em geologia, a datação radiométrica é uma aplicação importante para o espectrômetro de massa de razão isotópica. As razões isotópicas de certos elementos metálicos podem ser usadas para determinar a idade de uma amostra de rocha. Quando a rocha é formada, ela contém alguns isótopos radioativos. Estes decaem para outros isótopos, seja do mesmo elemento ou, mais comumente, de um elemento diferente, a uma taxa conhecida. A proporção do isótopo original - ou “pai” - para o produto de decomposição - ou “isótopo filha” - pode, portanto, ser usada para determinar a idade da rocha.