Una firma isotópica (también huella dactilar isotópica ) es una proporción de " isótopos estables " no radiogénicos , isótopos radiogénicos estables o isótopos radioactivos inestables de elementos particulares en un material investigado. Las proporciones de isótopos en un material de muestra se miden mediante espectrometría de masas de proporción de isótopos frente a un material de referencia isotópico . Este proceso se llama análisis de isótopos .
Isótopos estables
La masa atómica de diferentes isótopos afecta su comportamiento cinético químico , dando lugar a procesos naturales de separación de isótopos .
Isótopos de carbono
Grupo de algas | δ 13 C rango [1] |
---|---|
HCO 3 -utilizando algas rojas | De −22,5 ‰ a −9,6 ‰ |
CO 2 usando algas rojas | De −34,5 ‰ a −29,9 ‰ |
algas marrones | −20,8 ‰ a −10,5 ‰ |
Alga verde | −20,3 ‰ a −8,8 ‰ |
Por ejemplo, diferentes fuentes y sumideros de metano tienen diferente afinidad por los isótopos 12 C y 13 C , lo que permite distinguir entre diferentes fuentes por la relación 13 C / 12 C en el metano en el aire. En geoquímica , paleoclimatología y Paleoceanografía esta relación se llama δ 13 C . La relación se calcula con respecto al estándar Pee Dee Belemnite (PDB) :
- ‰
De manera similar, el carbono en los carbonatos inorgánicos muestra poco fraccionamiento isotópico, mientras que el carbono en los materiales originados por la fotosíntesis está agotado de los isótopos más pesados. Además, existen dos tipos de plantas con diferentes vías bioquímicas; la fijación de carbono C3 , donde el efecto de separación de isótopos es más pronunciado, la fijación de carbono C4 , donde el 13 C más pesado está menos agotado, y las plantas de metabolismo del ácido crasuláceo (CAM), donde el efecto es similar pero menos pronunciado que con las plantas C 4 . El fraccionamiento isotópico en plantas es causado por factores físicos (difusión más lenta de 13 C en los tejidos vegetales debido al aumento del peso atómico) y bioquímicos (preferencia de 12 C por dos enzimas: RuBisCO y fosfoenolpiruvato carboxilasa ). [2] Las diferentes proporciones de isótopos para los dos tipos de plantas se propagan a través de la cadena alimentaria , por lo que es posible determinar si la dieta principal de un ser humano o un animal consiste principalmente en plantas C 3 ( arroz , trigo , soja , patatas ). o plantas C 4 ( maíz o carne de res alimentada con maíz ) mediante análisis isotópico de su colágeno de carne y hueso (sin embargo, para obtener determinaciones más precisas, también se debe tener en cuenta el fraccionamiento isotópico de carbono, ya que varios estudios han reportado una discriminación significativa de 13 C durante la biodegradación de sustratos simples y complejos). [3] [4] Dentro de las plantas C3, los procesos que regulan los cambios en δ 13 C son bien conocidos, particularmente a nivel de las hojas, [5] pero también durante la formación de la madera. [6] [7] Muchos estudios recientes combinan el fraccionamiento isotópico a nivel de las hojas con patrones anuales de formación de madera (es decir, anillo de árboles δ 13 C) para cuantificar los impactos de las variaciones climáticas y la composición atmosférica [8] en los procesos fisiológicos de árboles individuales y rodales forestales . [9] La siguiente fase de comprensión, al menos en los ecosistemas terrestres, parece ser la combinación de múltiples proxies isotópicos para descifrar las interacciones entre las plantas, los suelos y la atmósfera, y predecir cómo los cambios en el uso de la tierra afectarán el cambio climático. [10] De manera similar, los peces marinos contienen más 13 C que los peces de agua dulce, con valores que se aproximan a las plantas C 4 y C 3 respectivamente.
La proporción de isótopos de carbono 13 y carbono 12 en estos tipos de plantas es la siguiente: [11]
- C 4 plantas: -16 a -10 ‰
- Plantas CAM: -20 a -10 ‰
- Plantas C 3 : -33 a -24 ‰
Las calizas formadas por precipitación en los mares a partir del dióxido de carbono atmosférico contienen una proporción normal de 13 C. Por el contrario, la calcita que se encuentra en los domos de sal se origina a partir del dióxido de carbono formado por la oxidación del petróleo , que debido a su origen vegetal está empobrecido en 13 C. La capa de piedra caliza depositada en la extinción del Pérmico 252 Mya se puede identificar por la caída del 1% en 13 C / 12 C.
El isótopo 14 C es importante para distinguir los materiales biosintetizados de los artificiales. Los productos químicos biogénicos se derivan del carbono biosférico, que contiene 14 C. El carbono en los productos químicos fabricados artificialmente generalmente se deriva de combustibles fósiles como el carbón o el petróleo , donde el 14 C originalmente presente se ha descompuesto por debajo de límites detectables. La cantidad de 14 C actualmente presente en una muestra indica, por tanto, la proporción de carbono de origen biogénico.
Isótopos de nitrógeno
El nitrógeno-15 , o 15 N, se utiliza a menudo en la investigación agrícola y médica , por ejemplo, en el experimento Meselson-Stahl para establecer la naturaleza de la replicación del ADN . [12] Una extensión de esta investigación resultó en el desarrollo de sondeo de isótopos estables basado en ADN, que permite examinar los vínculos entre la función metabólica y la identidad taxonómica de los microorganismos en el medio ambiente, sin la necesidad de aislar el cultivo . [13] [14] Las proteínas se pueden marcar isotópicamente cultivándolas en un medio que contenga 15 N como única fuente de nitrógeno, por ejemplo, en proteómica cuantitativa como SILAC .
El nitrógeno 15 se usa ampliamente para rastrear compuestos de nitrógeno mineral (particularmente fertilizantes ) en el medio ambiente. Cuando se combina con el uso de otras etiquetas isotópicas, el 15 N también es un trazador muy importante para describir el destino de los contaminantes orgánicos nitrogenados . [15] [16] El rastreo de nitrógeno 15 es un método importante utilizado en biogeoquímica .
La proporción de isótopos de nitrógeno estables, 15 N / 14 N o δ 15 N , tiende a aumentar con el nivel trófico , de modo que los herbívoros tienen valores de isótopos de nitrógeno más altos que las plantas y los carnívoros tienen valores de isótopos de nitrógeno más altos que los herbívoros. Dependiendo del tejido que se esté examinando, tiende a haber un aumento de 3-4 partes por mil con cada aumento en el nivel trófico. [17] Por lo tanto, los tejidos y el cabello de los veganos contienen δ 15 N significativamente más bajos que los cuerpos de las personas que comen principalmente carne. De manera similar, una dieta terrestre produce una firma diferente a una dieta de origen marino. El análisis isotópico del cabello es una fuente importante de información para los arqueólogos , ya que proporciona pistas sobre las dietas antiguas y las diferentes actitudes culturales hacia las fuentes de alimentos. [18]
Varios otros factores ambientales y fisiológicos pueden influir en la composición isotópica del nitrógeno en la base de la red trófica (es decir, en las plantas) o al nivel de animales individuales. Por ejemplo, en las regiones áridas, el ciclo del nitrógeno tiende a ser más 'abierto' y propenso a la pérdida de 14 N, aumentando δ 15 N en suelos y plantas. [19] Esto conduce a valores relativamente altos de δ 15 N en plantas y animales en ecosistemas cálidos y áridos en relación con ecosistemas más fríos y húmedos. [20] Además, el δ 15 N elevado se ha relacionado con la excreción preferencial de 14N y la reutilización de tejidos ya enriquecidos con 15N en el cuerpo en condiciones de estrés hídrico prolongado o ingesta insuficiente de proteínas. [21] [22]
δ 15 N también proporciona una herramienta de diagnóstico en la ciencia planetaria, ya que la proporción que se muestra en las atmósferas y los materiales de la superficie "está estrechamente relacionada con las condiciones en las que se forman los materiales". [23]
Isótopos de oxígeno
El oxígeno viene en tres variantes, pero el 17 O es tan raro que es muy difícil de detectar (~ 0.04% abundante). [24] La proporción de 18 O / 16 O en el agua depende de la cantidad de evaporación que experimentó el agua (ya que el 18 O es más pesado y, por lo tanto, es menos probable que se vaporice). Como la tensión de vapor depende de la concentración de sales disueltas, la relación 18 O / 16 O muestra una correlación con la salinidad y la temperatura del agua. A medida que el oxígeno se incorpora a las conchas de los organismos secretores de carbonato de calcio , estos sedimentos constituyen un registro cronológico de la temperatura y la salinidad del agua en el área.
La proporción de isótopos de oxígeno en la atmósfera varía de manera predecible con la época del año y la ubicación geográfica; por ejemplo, hay una diferencia del 2% entre 18 precipitación O-rico en Montana y 18 precipitación O-empobrecido en Cayos de Florida. Esta variabilidad se puede utilizar para la determinación aproximada de la ubicación geográfica de origen de un material; por ejemplo, es posible determinar dónde se produjo un envío de óxido de uranio . Debe tenerse en cuenta la tasa de intercambio de isótopos de superficie con el medio ambiente. [25]
Las firmas isotópicas de oxígeno de muestras sólidas (orgánicas e inorgánicas) generalmente se miden con pirólisis y espectrometría de masas . [26] Los investigadores deben evitar el almacenamiento inadecuado o prolongado de las muestras para obtener mediciones precisas. [26]
Isótopos radiogénicos
Isótopos de plomo
El plomo consta de cuatro isótopos estables : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb y 208 Pb. Las variaciones locales en el contenido de uranio / torio / plomo provocan una amplia variación específica de la ubicación de las relaciones isotópicas para el plomo de diferentes localidades. El plomo emitido a la atmósfera por procesos industriales tiene una composición isotópica diferente al plomo en minerales. La combustión de gasolina con aditivo de plomo de tetraetilo condujo a la formación de partículas ricas en plomo del tamaño de un micrómetro en el humo de escape de los automóviles ; especialmente en áreas urbanas, las partículas de plomo creadas por el hombre son mucho más comunes que las naturales. Las diferencias en el contenido isotópico de las partículas que se encuentran en los objetos se pueden utilizar para la geolocalización aproximada del origen del objeto. [25]
Isótopos radioactivos
Las partículas calientes , las partículas radiactivas de la lluvia radiactiva y los desechos radiactivos también exhiben firmas isotópicas distintas. Su composición de radionúclidos (y por tanto su edad y origen) puede determinarse mediante espectrometría de masas o espectrometría gamma . Por ejemplo, las partículas generadas por una explosión nuclear contienen cantidades detectables de 60 Co y 152 Eu . El accidente de Chernobyl no liberó estas partículas, pero sí 125 Sb y 144 Ce . Las partículas de las explosiones submarinas consistirán principalmente en sales marinas irradiadas. Las proporciones de 152 Eu / 155 Eu, 154 Eu / 155 Eu y 238 Pu / 239 Pu también son diferentes para las armas nucleares de fusión y fisión , lo que permite la identificación de partículas calientes de origen desconocido.
Aplicaciones
Estudios arqueológicos
En estudios arqueológicos, se han utilizado proporciones de isótopos estables para rastrear la dieta dentro del lapso de tiempo de formación de los tejidos analizados (10 a 15 años para el colágeno óseo y períodos intraanuales para la bioapatita del esmalte dental) de los individuos; "recetas" de productos alimenticios (residuos de recipientes de cerámica); ubicaciones de cultivo y tipos de plantas cultivadas (extracciones químicas de sedimentos); y migración de individuos (material dental). [ cita requerida ]
Forense
Con el advenimiento de la espectrometría de masas de relación de isótopos estables , las firmas isotópicas de materiales encuentran un uso cada vez mayor en la medicina forense , distinguiendo el origen de materiales similares y rastreando los materiales hasta su fuente común. Por ejemplo, las firmas isotópicas de las plantas pueden verse influidas en cierto grado por las condiciones de crecimiento, incluida la humedad y la disponibilidad de nutrientes. En el caso de materiales sintéticos, la firma está influenciada por las condiciones durante la reacción química. El perfil de firma isotópica es útil en los casos en que otros tipos de perfil, por ejemplo, la caracterización de impurezas , no son óptimos. La electrónica junto con los detectores de centelleo se utilizan habitualmente para evaluar las firmas de isótopos e identificar fuentes desconocidas.
Se publicó un estudio que demuestra la posibilidad de determinar el origen de una cinta de embalaje de PSA marrón común mediante el uso de la firma isotópica de carbono, oxígeno e hidrógeno del polímero de respaldo, los aditivos y el adhesivo . [27]
La medición de las proporciones isotópicas de carbono se puede utilizar para detectar la adulteración de la miel . La adición de azúcares provenientes de maíz o caña de azúcar (plantas C4) sesga la proporción isotópica de azúcares presentes en la miel, pero no influye en la proporción isotópica de proteínas; en una miel no adulterada, las proporciones isotópicas de carbono de azúcares y proteínas deben coincidir. [28] Se puede detectar un nivel de adición tan bajo como el 7%. [29]
Las explosiones nucleares se forman 10 Be por una reacción de neutrones rápidos con 13 C en el dióxido de carbono del aire. Este es uno de los indicadores históricos de la actividad pasada en los sitios de pruebas nucleares. [30]
Orígenes del sistema solar
Las huellas dactilares isotópicas se utilizan para estudiar el origen de los materiales en el Sistema Solar. [31] Por ejemplo, la Luna 's de oxígeno isotópicas proporciones parecen ser esencialmente idéntico al de la Tierra. [32] Las proporciones isotópicas de oxígeno, que pueden medirse con mucha precisión, producen una firma única y distinta para cada cuerpo del sistema solar. [33] Diferentes firmas isotópicas de oxígeno pueden indicar el origen del material expulsado al espacio. [34] La proporción de isótopos de titanio de la Luna ( 50 Ti / 47 Ti) parece cercana a la de la Tierra (dentro de las 4 ppm). [35] [36] En 2013, se publicó un estudio que indicaba que el agua en el magma lunar era "indistinguible" de las condritas carbonáceas y casi igual a la de la Tierra, según la composición de los isótopos del agua. [31] [37]
Orígenes de la vida
Las huellas dactilares isotópicas típicas de la vida, conservadas en sedimentos, se han utilizado para sugerir que ya existía vida en el planeta hace 3.850 millones de años. [38]
Ver también
- Isoscapes
- Electroquímica de isótopos
Referencias
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Otras lecturas
- Isótopos de carbono: eres lo que comes
- Investigación para el aumento del cabello
- Proyecto Ayacucho Archaeo Isotope
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