Anàlisis isotòpic

Archiu:Thermal ionization mass spectrometer.jpg

Espectrómetro de masses de sector magnètic utilisat en anàlisis de proporcions d'isòtops, per mig de ionisació tèrmica.

El anàlisis isotòpic és l'identificació de la firma isotòpica d'una mostra, és dir, la caracterisació de la distribució de certs isòtops estables de determinats elements dins dels composts químics orgànics i inorgànics. L'anàlisis d'isòtops estables pot utilisar-se per a conéixer el fluix d'energia i nutrients en una ret trófica, possibilitant fer inferència directes de nivell trófico i de dietes d'animals i humans, per a reconstruir condicions ambientals i climàtiques passades, per a l'autenticació d'aliments i una varietat d'atres processos físics, geològics, antropològics, paleontológicos, químics i forenses.

Les variacions en les proporcions del fraccionament isotòpic (raó) es medixen utilisant la espectrometria de masses, procediment que separa els diferents isòtops d'un element en funció de la seua proporció massa-carrega.

En el cas particular del oxigen, les seues proporcions isotòpiques són diferencialmente afectades per patrons climatològics globals i per la topografia regional, que determinen cóm els isòtops gaseosos són transportats en l'atmòsfera. Les àrees d'humitat més baixa causen la pèrdua preferent del ¹⁸O de l'aigua en forma de vapor i precipitació. Ademés, l'aigua en ¹⁶O retorna preferentment al sistema atmosfèric quan s'evapora, i en canvi l'aigua en ¹⁸O té una major tendència a permanéixer en forma líquida o a mantindre's en els decorreguts del cos de plantes i animals.

Efecte en els teixits orgànics

Els isòtops d'oxigen s'incorporen als organismes principalment a través de la ingestió, intervenint en la formació dels teixits com pèl, ungles, oss i dents (lo que ho fa especialment útil per a propòsits arqueològics i antropològics). L'oxigen s'incorpora a la hidroxiapatita dels ossos i del esmalt de les dents. En el cas del pèl i de les ungles, l'oxigen s'incorpora en els aminoàcits de la queratina.

El pèl i les ungles es troben en constant creiximent per lo que proveïxen informació sobre la vida recent d'una persona. El pèl creix, aproximadament, un centímetro per més, mentres que les ungles creixen un centímetro cada tres mesos. Depenent del llarc dels mateixos, l'informació obtinguda pot representar semanes o fins a anys.

L'os és contínuament remodelat durant la vida de cada individu. A pesar de que l'índex de transformació de l'oxigen isotòpic en la hidroxiapatita no és conegut exactament, se supon que és similar al del colágeno; d'aproximadament 10 anys. Consegüentment, les proporcions d'oxigen isotòpiques en la hidroxiapatita de l'os d'un individu ubicat en una regió determinada durant 10 anys o més, reflectirà les proporcions d'isòtops d'oxigen presents en aquella regió.

Les dents no són somesos a renovació contínua, per lo que les seues proporcions d'oxigen isotòpiques queden fixades en l'instant de la seua formació, representant les proporcions de la regió en la que l'individu va nàixer i es crie. En el cas de les dentició decidua (temporals), també és possible determinar l'edat en la que un chiquet va abandonar l'alletament, perque la llet materna incorpora l'aigua del cos de la mare en nivells més alts de ¹⁸O (per la pèrdua preferent de ¹⁶O a través de la suor, l'orina, i el vapor d'aigua expirat).

Mentres que les dents són més resistents a canvis químics i físics en el pas del temps que els ossos, abdós estan subjectes a diagénesis per deposiciónes posteriors. En tal cas, l'anàlisis isotòpic fa us dels grups fosfat, molt més resistents que els menys abundants grups hidroxilo, o que els provablement més sensibles a efectes diagenéticos grups carbonat presents.

Aplicacions

L'anàlisis isotòpic té múltiples aplicacions en les ciències naturals, incloent la biologia, i les ciències migambientals i de la Terra.

Arqueologia

Reconstrucció de la palaeodieta

Restants de teixits recuperats en llocs arqueològics, com a ossos, dents, residus orgànics, cabells o closques marines, poden ser analisats isotópicamente. La distribució dels isòtops del carbono i del nitrogen són usats per a reconstruir la dieta, i els isòtops del oxigen solen determinar l'orige geogràfic i el paleoambiente. Els isòtops del estronci i del plom poden utilisar-se per a analisar els moviments de les poblacions, hàbits migratoris i movilitat estacional. En arqueologia és comuna combinar elements en l'anàlisis isotòpic per a reconstruir la dieta, el canvi en les fonts d'aigua, les migracions, i les interaccions culturals. Per eixemple, els arqueòlecs varen ser capaços de confirmar que el creiximent de la població dins de la part alta del Valle de Riu Min en Tailàndia durant l'Edat del Ferro es va deure a factors locals més que a la immigració d'atres àrees.

Els isòtops de carbono entren en la cadena alimentària quan els herbívors consumixen plantes, i els isòtops d'oxigen s'introduïxen en la cadena alimentària en consumir aigua lliure i l'aigua continguda en la dieta. Examinant la proporció dels isòtops ¹²C/¹³C, és possible determinar si els animals varen menjar predominantment plantes dels tipos C3 o C4. Fonts alimentàries potencials del tipo C3 inclouen el arròs, els tubèrculs, les frutes, els fruts secs i moltes verdures, mentres que les fonts alimentàries del tipo C4 inclouen el dacseta i la canya de sucre. Els de isòtops de carbono també es poden usar per a distinguir entre fonts d'aliments marines, d'aigua dolça i terrestres.

Els isòtops de carbono es poden medir en el colágeno òsseu o en el mineral òsseu (hidroxiapatita), i cada una d'estes fraccions d'os es pot analisar per a tirar llum sobre els diferents components de la dieta. El carbono en el colágeno òsseu prové predominantment de la proteïna dietètica, mentres que el carbono que es troba en el mineral òsseu prové de tot el carbono dietètic consumit, inclosos els carbohidrats, els lípits i les proteïnes per lo que la medició d'esta fase representarà el promig de la dieta total.

Per a obtindre un quadro cuidadós de palaeodietas, és important entendre els processos de diagenesis que poden afectar a la firma isotòpica original. És també important per a l'investigador conéixer les variacions d'isòtops dins de cada individu, entre distints individus, i en el transcurs del temps.

Procedència de materials arqueològics

L'anàlisis isotòpic ha segut particularment útil en arqueologia com a mig de caracterisació. La caracterisació d'objectes implica determinar la composició isotòpica dels materials (com els instruments de metal, per eixemple) i comparar-la en la composició isotòpica dels metals de mines o jaciments coneguts. S'ha pogut determinar l'orige d'una àmplia gama de materials arqueològics com metals, vidre i pigments de plom utilisant la caracterisació isotòpica. Particularment en l'Edat del Bronze Mediterrànea, l'anàlisis d'isòtops de plom ha segut una ferramenta útil per a determinar les fonts de metals i un indicador important de patrons de comerç. L'interpretació de les senyes dels isòtops del plom aixina i tot és a sovint controvertida i afronta reptes instrumentals i metodològics numerosos. Problemes com el mesclat i la reutilisació de metals de fonts diferents, senyes fiables llimitades i la contaminació de les mostres poden constituir problemes difícils de resoldre per a conseguir una interpretació correcta.

Ecologia

Tots els elements biològicament actius existixen en un cert número de formes isotòpiques diferents, de les que dos o més són estables. Per eixemple la majoria del carbono està present com ¹²C, en aproximadament un 1% de ¹³C. La proporció dels dos isòtops pot ser alterada per processos biològics i geofísicos , i estes diferències poden ser utilisades de distintes maneres en els estudis ecològics. Els elements principals utilisats en ecologia d'isòtops són el carbono, el nitrogen, l'oxigen, l'hidrogen i el sofre.

Anàlisis de la proporció entre el ¹⁸O i el ¹⁶O en les closcas de la pechina de la Delta del Colorat va permetre evalúar l'extensió històrica del estuari del delta del riu Colorat en anterioritat a la construcció dels dics situats riu dalt.

Anàlisis d'isòtops estables en ecosistemes aquàtics

Els isòtops estables s'han convertit en un método popular per a comprendre els ecosistemes aquàtics perque poden ajudar als científics a comprendre les rets tróficas marines. Este anàlisis també se sol usar, encara que en menor grau, en sistemes terrestres. Certs isòtops poden determinar els distints productors primaris que formen les bases de les rets tróficas i la seua posició en els nivells tróficos. Les composicions d'isòtop estables estan expressades en determinis de valors de delta (δ) per mil (‰), és dir, en diferències de parts per de miller respecte a un estàndart. Expressen la proporció d'un isòtop en una mostra. Els valors estan expressats com:

δX = [(Rmuestra / Restándard) – 1] x 10³

a on X representa l'isòtop analisat (p. eix., ¹³C) i R representa la proporció de l'isòtop analisat i la seua forma natural (p. eix., ¹³C/¹²C). Un valor més alt (menys negatiu) de delta indica auments en l'isòtop de la mostra analisada, respecte a l'estàndart, i més baix (o més negatiu) els valors indiquen disminució. Els materials de referència estàndars per al carbono, el nitrogen, i el sofre són la calcàrea Pee Dee Belamnite (PDB), el gas nitrogen en l'atmòsfera (AIR), i el meteorit del Canó del Diable (CDT) respectivament. L'anàlisis és normalment fet utilisant un espectrómetro de massa, detectant diferències chicotetes entre elements gaseosos. L'anàlisis d'una mostra pot costar entre 30 i 100 dólars. Els isòtops estables permeten als científics analisar rets tróficas i dietes animals comparant els teixits animals que soporten un enriquiment isotòpic fix (o un agotament) contra la dieta. Músculs o fraccions de proteïna són el teixit animal més comunament utilisat per a examinar els isòtops perque representen els nutrients assimilats en la dieta. La ventaja principal d'utilisar l'anàlisis d'un isòtop estable com a contrast a les observacions del contingut de l'estòmec, és que en qualsevol circumstància l'estat de l'estòmec de l'animal (buit o no), l'isòtop permet traçar a través dels teixits la seua posició en la cadena trófica i les seues fonts alimentàries. Els tres isòtops importants utilisats en l'anàlisis de la ret trófica d'ecosistema aquàtics són ¹³C, ¹⁵N i ³⁴S. Encara que qualsevol dels tres facilita informació sobre la dinàmica trófica, és comuna efectuar l'anàlisis d'a lo manco dos dels tres isòtops mencionats per a obtindre un millor enteniment de les interaccions tróficas marines i resultats més concloents.

¹³C

Els isòtops del carbono contribuïxen a determinar la font de producció primària responsable del fluix d'energia en un ecosistema. La transferència de ¹³C a través dels nivells tróficos és relativament constant, llevat un aument chicotet (un enriquiment < 1 ‰). Diferències grans de δ¹³C entre els animals indiquen que tenen fonts alimentàries diferents o que les seues rets tróficas estan basades en productors primaris diferents (per eixemple, espècies diferent de fitoplàncton, o herbes de pantà.) Degut a que el δ¹³C indica la font original de productors primaris, els isòtops també poden ajudar a determinar canvis en les dietes, tant a curt determini, com a llarc determini o permanents. Estos canvis poden inclús correlacionarse en canvis estacionals, reflectint l'abundància de fitoplàncton. Els científics han trobat que pot haver games àmplies de valors de δ¹³C en poblacions de fitoplàncton sobre una regió geogràfica. No es coneixen en seguritat les causes d'este fet, pero hi ha vàries hipòtesis per a explicar-ho. Estes inclouen isòtops de carbono dissolts dins de basses inorgàniques (DIC) que poden variar en la temperatura i l'ubicació; i que els índexs de creiximent del fitoplàncton poden afectar al seu nivell d'assimilació dels isòtops. δ¹³C ha segut utilisat per a determinar la migració d'animals jovenils des de les àrees costeres d'crío a ubicacions profundes examinant els canvis en les seues dietes. Un estudi realisat per Fregir (1983) va analisar les composicions isotòpiques en gambes jovenils en el sur de Texas. Va trobar que a principis de l'estudi les gambes presentaven valors isotòpics de δ¹³C = -11 a -14‰ i 6-8‰ per a δ¹⁵N i δ³⁴S. Quan les gambes varen madurar i varen emigrar llunt de la costa, els valors isotòpics varen canviar, semblant-se al dels organismes del seu nou hàbitat (δ¹³C= -15‰ i δ¹⁵N = 11.5‰ i δ³⁴S = 16‰).

³⁴S

Ya que no hi ha cap enriquiment de ³⁴S entre nivells tróficos, l'isòtop estable pot ser útil per a distinguir entre organismes bentónicos i pelágicos; i entre organismes de marisma i fitoplàncton. De la mateixa manera que el ¹³C, també pot ajudar a distinguir entre diferents tipos de fitoplàncton com els productors primaris clau en les rets tróficas. Les diferències entre sulfat i sulfur en l'aigua de mar (21‰ vs -10‰) facilita estes determinacions. El sofre tendix a tindre més presència en les àrees menys aeròbiques, com els sistemes bentónicos i les plantes de pantà, que en sistemes pelágicos més aeròbics. Aixina, en els sistemes bentónicos, hi ha valors de δ³⁴S més menuts.

¹⁵N

Els isòtops de nitrogen indiquen el nivell trófico de varis organismes marins (reflectint l'instant en el que les mostres de teixit varen ser preses). Hi ha un component d'enriquiment major de δ¹⁵N perque la seua retenció és més alta que la del ¹⁴N. Açò pot ser observat analisant els residus dels organismes. L'orina del ganado ha mostrat que hi ha un descens de el ¹⁵N relatiu a la dieta. Quan uns organismes ingerixen a uns atres, l'isòtop ¹⁵N és transferit als predadores. Aixina, els organismes situats més dalt en la piràmide trófica acumulen nivells més alts de ¹⁵N ( i més alts valors de δ¹⁵N) relacionats en els seus assuts abans d'entrar en la ret trófica. Els numerosos estudis en ecosistemes marins han mostrat que en promig hi ha un 3.2‰ d'enriquiment de ¹⁵N contra la dieta entre espècies de diferent nivell trófico en els ecosistemes. En la mar Bàltica, Hansson (1997) va trobar analisant una gran varietat de criatures com a partícules de matèria orgànica (fitoplàncton), zooplancton, camarones, anchoves, eperlanos i arencs; hi havia un fraccionament aparent d'un 2.4‰ entre consumidors i el seu assut aparent.

Ademés del posicionament dels organismes en la cadena trófica, els valors de δ¹⁵N han segut generalment utilisats per a distinguir entre les fonts de nutrients naturals i les derivades de terra. De la mateixa manera que l'aigua dels tancs sèptics pot infiltrar-se en els aqüífers, l'aigua rica en nitrogen s'aboca en les àrees costeres. Els nitrat presents en estes aigües tenen concentracions més altes de ¹⁵N que el nitrat present de forma natural en zones costeres sense aportacions continentals. Per a les bactèries, és més convenient assimilar el ¹⁴N que el ¹⁵N perque és un element més llauger i més fàcil de metabolizar. Aixina, per la preferència de les bactèries quan actuen en processos biogeoquímics com la desnitrificación i la volatilisació d'amoníac, el ¹⁴N és extret de l'aigua més ràpidament que el ¹⁵N, resultant en un aument de la proporció de ¹⁵N present en l'aqüífer. Els valors de el ¹⁵N se situen aproximadament en el 10-20‰, quan els seus valors naturals oscilen entre el 2-8‰. El nitrogen inorgànic que és emés dels tancs sèptics i d'atres sistemes de sanejament humans normalment es presenta en forma de NH4+. Una volta que el nitrogen s'introduïx en els estuaris a través de vies d'aigua subterrànees, es creu que l'aument de el ¹⁵N introduït, també implica un aument de el ¹⁵N en la cantitat de nitrogen inorgànic entregada, lo que a la seua volta aumenta l'assimilació de N pels organismes productors. Inclús aixina, el ¹⁴N és més fàcil de metabolizar, perque hi ha molt més ¹⁵N, i encara hi haurà cantitats més altes assimilades que les normals. Estos nivells de δ¹⁵N poden ser examinats en criatures que viuen en un àrea determinada i no són migratoris (com macrofitas, pechines i inclús algun peix). Este método d'identificar els nivells alts d'entrada de nitrogen s'està convertint en un método cada volta més estés per a intentar controlar l'entrada de nutrients a estuaris i ecosistemes costers. Els directors migambientals cada volta es preocupen més de medir les entrades antropogénicas de nutrients als estuaris perque el seu excés pot provocar eutrofización i episodis hipóxicos, eliminant per complet els organismes d'un àrea determinada.

Forense

Archiu:Bitacora-logo.png

Logo de la Base d'Informació Isotòpica de Teixits Actuals Com a Referència Argentina

En les ciències forenses, principalment en la antropologia forense, l'anàlisis isotòpic s'utilisa majorment per a l'assignació de regió d'orige. Solen analisar-se diferents composts i teixits humans. Els resultats d'estos anàlisis deuen comparar-se en uns atres de bases de senyes de referència. En Argentina existix BITACORA (per les seues sigles, Base d'Informació Isotòpica de Teixits Actuals Com a Referència Argentina).

Teixits Queratinosos

Els teixits queratinosos són aquells que es troben composts per queratina, com per eixemple, el cabell i les ungles. El cabell té un índex de creiximent reconeixible de 9-11 milímetros mm per més (uns 15 centímetros cm per any). El creiximent del cabell és principalment una funció de la dieta, especialment de l'ingesta d'aigua. Les proporcions isotòpiques de l'aigua potable són estables, encara que depenen de l'ubicació i de la geologia del terreny a través del que l'aigua s'infiltra. Les variacions de 87Sr, 88Sr i dels isòtops de l'oxigen són diferents en tot lo món. Estes diferències en proporció isotòpica són llavors biològicament fixades en el cabell quan creix, per lo tant permet devindre identificar històries geogràfiques recents per mig de l'anàlisis de bri de cabell. Per eixemple, seria possible identificar si un sospitós terroriste recentment haguera estat en una ubicació particular per mig de l'anàlisis del seu cabell. Este anàlisis del cabell és un procediment no invasivo l'us del qual s'està estenent en aquells casos en els que el ADN o atres mijos tradicionals no aporten respostes suficients.

Dents

Els dents estan composts per dos fases, una orgànica, la dentina, i una mineral o inorgànica, l'esmalt. L'anàlisis isotòpic de cada una d'estes fases brindarà informació diferent.

• Dentina

L'anàlisis isotòpic de la dentina consistix en la medició de C i N en les fibres colágenas, lo que proveïx informació per a l'estimació de la dieta.

• Esmalt

L'anàlisis isotòpic del esmalt dental consistix en la medició de C i O de la hidroxiapatita, lo que proveïx informació tendiente a l'assignació d'orige geogràfic.

Ossos

De la mateixa manera que les dents, els ossos també estan composts per dos fases, una orgànica, les fibres de colágeno i una mineral o orgànica, la hidroxiapatita. Per mig de l'anàlisis isotòpic d'estes fases s'obté la mateixa informació que de les fases de les dents, pero varia la temporalitat. Mentres que l'informació obtinguda de medicions dentals representarà l'infància/adolescència de la persona (moment en el que es produïx la formació dentaria), l'obtinguda de medicions isotòpiques en os representarà els últims anys de vida de la persona per la remodelació òssea.

Explosius

L'anàlisis d'isòtops pot ser utilisat pels detectius forenses per a determinar si dos o més mostres d'explosius són d'un orige comú. Els explosius contenen carbono, hidrogen, nitrogen i àtoms d'oxigen. Comparar les seues abundància relatives d'isòtops pot revelar l'existència d'un orige comú. Els investigadors també han demostrat que els anàlisis de les proporcions de ¹²C/¹³C poden identificar el país d'orige d'un explosiu dau.

Substàncies Psicoactivas

L'anàlisis d'isòtops estables també ha segut utilisat en l'identificació de rutes de narcotràfic. Les abundància isotòpiques són diferents en la morfina obtinguda de roselles en el surest d'Àsia i en l'obtinguda de roselles creixcudes en el suroest d'Àsia. D'igual forma, és possible averiguar per eixemple si una mostra de cocaïna procedix de Bolívia o de Colòmbia.

Paleoclimatología

La proporció de ¹⁸O i ¹⁶O en el gèl i en els núcleus de mar profunda és depenent de la temperatura, i pot ser utilisada com a mida aproximada per a reconstruir els canvis en el clima. Durant periodos més frets de l'història de la Terra (glacials) com durant les edats de gèl, el ¹⁶O és preferentment evaporat dels oceans més frets, deixant el llaugerament més pesat i inactiu ¹⁸O arrere. Per lo tant, organismes com els foraminíferos que combinen l'oxigen dissolt en l'aigua circumdant en carbono i calcio per a construir les seues closques, incorporen la proporció entre ¹⁸O i ¹⁶O dependent de la temperatura. Quan estos organismes moren, es depositen en el llit marí, preservant un llarc i inestimable registre del canvi de clima global a través d'una gran part del periodo Cuaternario. De modo paregut, núcleus de gèl sobre la terra estan enriquits en el més pesat ¹⁸O respecte a el ¹⁶O durant fases climàtiques més càlides (interglaciales), quan hi ha més energia disponible per a l'evaporament del més pesat isòtop ¹⁸O. El registre d'isòtops de l'oxigen preservats en els núcleus de gèl és per tant un "espill" del registre contingut en els sediment oceànics.

Els isòtops d'oxigen preserven un registre dels efectes dels cicles de Milankovitch relacionats en els canvis de clima durant el Cuaternario, revelant un cicle d'aproximadament 100 000 anys en el clima de la Terra.