Vad är en isotopförhållande masspektrometer?
En isotopförhållande masspektrometer (IRMS) är ett instrument som mäter förhållandena mellan olika isotoper för specifika element. Alla element har isotoper som skiljer sig från varandra endast i antalet neutroner i kärnan, vilket ger dem olika atomvikter. Principen bakom spektrometern för isotopförhållandet är att differentiera isotoperna utifrån deras olika massor och bestämma förhållandena mellan par av isotoper. Den här enheten kan ge viktig information om ålder och ursprung för ett materialprov. Isotopförhållandet masspektrometer har tillämpningar inom många områden, inklusive geologi, biologi och kriminalteknik.
Utformningen av massspektrometrar för isotopförhållanden kan variera, men i allmänhet följer de samma grundprinciper. Det kommer att finnas ett inlopp där provet införs, vilket leder till en förbränningskammare där materialet omvandlas till en gas, eventuellt med några sätt att separera olika gaser som kan produceras. Detta steg omvandlar också komplexa biologiska material till de enkla föreningar som krävs för analys, såsom koldioxid (CO 2 ), vatten (H2O) och kväve (N2). Den resulterande gasen matas in i en joniseringskammare där den joniseras av en elektronstråle. Den joniserade gasen fokuseras sedan som en stråle in i ett massseparationsområde, där en elektromagnet används för att avleda jonerna, så att olika isotoper kommer att separeras beroende på deras massor.
Efter att ha passerat genom massseparationsområdet når jonerna till samlare som genererar elektriska signaler proportionella mot antalet detekterade joner. Joner från de lättare isotoperna kommer att avböjas mer av magnetfältet än de tyngre, så att samlarna kommer att placeras i enlighet därmed. Således kan de relativa proportionerna av olika isotoper beräknas.
Proverna måste beredas innan de införs i isotopförhållandet masspektrometer. När det gäller biologiska ämnen, till exempel, kan proverna vara i form av löv, jord eller annat icke-homogent material. Fast material torkas i allmänhet och mals till ett fint pulver. Flytande prover kommer antingen att torkas eller absorberas på poröst fast material. Innan en isotopförhållandeanalys utförs kommer kalibrering med material med kända element och isotopförhållanden vanligtvis att utföras.
De övergripande förhållandena av stabila isotoper av ett visst element på jorden fastställdes vid tidpunkten för planetens bildning. Även om olika isotoper av ett element har samma kemiska egenskaper, påverkas andra faktorer såsom rörlighet och flyktighet av isotopernas massor. På grund av dessa skillnader kan olika geokemiska och biokemiska processer koncentrera eller tappa särskilda isotoper relativt deras bakgrundsvärden, ett fenomen som kallas isotopisk fraktionering. Till exempel resulterar fotosyntes i en liten men signifikant uttömning av isotopen kol-13 relativt atmosfären.
Skillnader i förhållandena mellan isotoper hos element som kol, syre, kväve och andra kan ge viktig information om ett provs ursprung och historia. Det är möjligt att använda en isotopförhållande masspektrometer för att bestämma om ett material är av organiskt ursprung och till och med, i vissa fall, att fastställa det geografiska området där det har sitt ursprung. Detta kan vara användbart inom rättsvetenskap. Exempelvis kan prover av olagliga droger spåras tillbaka till sitt ursprung och jordprover som tagits från en misstänkt kan jämföras isotopiskt med dem från en brottsplats.
Eftersom temperatur och nederbörd kan påverka isotopisk fraktionering, kan isotopförhållande masspektrometri användas för att undersöka jordens klimat under tidigare tider. Hastigheterna för upptag och deponering av kol- och syreisotoper av skalbildande marina organismer varierar beroende på klimatet. Isotopförhållanden mellan fossila rester av dessa organismer kan således användas för att få information om klimatförhållandena när de levde.
Inom geologi är radiometrisk datering en viktig applikation för isotopförhållandet masspektrometer. Isotopförhållandena för vissa metallelement kan användas för att bestämma åldern för ett bergprov. När sten bildas kommer den att innehålla några radioaktiva isotoper. Dessa förfall till andra isotoper, antingen av samma element eller, mer vanligt, ett annat element, med en känd hastighet. Förhållandet mellan den ursprungliga - eller "förälder" - isotopen och förfallprodukten - eller "dotter" - isotopen kan således användas för att bestämma bergets ålder.