Análisis de isótopos - Isotope analysis

Espectrómetro de masas de sector magnético utilizado en el análisis de la relación de isótopos, mediante ionización térmica

El análisis de isótopos es la identificación de la firma isotópica , la abundancia de ciertos isótopos estables y elementos químicos dentro de compuestos orgánicos e inorgánicos. El análisis isotópico se puede utilizar para comprender el flujo de energía a través de una red trófica, para reconstruir condiciones ambientales y climáticas pasadas, para investigar las dietas humanas y animales en el pasado, para la autenticación de alimentos y una variedad de otros elementos físicos, geológicos, paleontológicos y químicos. Procesos. Las relaciones de isótopos estables se miden mediante espectrometría de masas , que separa los diferentes isótopos de un elemento en función de su relación masa / carga .

Tejido afectado

El oxígeno isotópico se incorpora al cuerpo principalmente a través de la ingestión, momento en el que se utiliza en la formación de huesos y dientes con fines arqueológicos . El oxígeno se incorpora a la apatita hidroxilcarbónica del esmalte de los huesos y los dientes .

El hueso se remodela continuamente a lo largo de la vida de un individuo. Aunque no se conoce completamente la tasa de renovación del oxígeno isotópico en la hidroxiapatita , se supone que es similar a la del colágeno ; aproximadamente 10 años. En consecuencia, si un individuo permanece en una región durante 10 años o más, las proporciones de oxígeno isotópico en la hidroxiapatita ósea reflejarían las proporciones de oxígeno presentes en esa región.

Los dientes no están sujetos a remodelaciones continuas, por lo que sus proporciones de oxígeno isotópico permanecen constantes desde el momento de la formación. Las proporciones de oxígeno isotópico, entonces, de los dientes representan las proporciones de la región en la que nació y se crió el individuo. Cuando hay dientes deciduos , también es posible determinar la edad a la que se destetó al niño . La producción de leche materna se basa en el agua corporal de la madre, que tiene niveles más altos de 18 O debido a la pérdida preferencial de 16 O a través del sudor, la orina y el vapor de agua espirado.

Si bien los dientes son más resistentes a los cambios químicos y físicos con el tiempo, ambos están sujetos a diagénesis posdeposición . Como tal, el análisis isotópico hace uso de los grupos fosfato más resistentes , en lugar del grupo hidroxilo menos abundante o los grupos carbonato diagenéticos más probablemente presentes.

Aplicaciones

El análisis de isótopos tiene una amplia aplicabilidad en las ciencias naturales . Estos incluyen numerosas aplicaciones en las ciencias biológicas , terrestres y ambientales .

Arqueología

Reconstruyendo dietas antiguas

Los materiales arqueológicos, como huesos, residuos orgánicos, pelo o conchas marinas, pueden servir como sustratos para el análisis isotópico. Las proporciones de isótopos de carbono , nitrógeno y zinc se utilizan para investigar las dietas de personas del pasado; Estos sistemas isotópicos se pueden utilizar con otros, como el estroncio o el oxígeno, para responder preguntas sobre los movimientos de población y las interacciones culturales, como el comercio.

Los isótopos de carbono se analizan en arqueología para determinar la fuente de carbono en la base de la cadena alimentaria. Al examinar la relación de isótopos 12 C / 13 C , es posible determinar si los animales y los seres humanos comían predominantemente plantas C3 o C4 . Las posibles fuentes de alimentos C3 incluyen trigo , arroz , tubérculos , frutas , nueces y muchas verduras , mientras que las fuentes de alimentos C4 incluyen el mijo y la caña de azúcar. Las proporciones de isótopos de carbono también se pueden utilizar para distinguir entre fuentes de alimentos marinas, de agua dulce y terrestres.

Las proporciones de isótopos de carbono se pueden medir en colágeno óseo o mineral óseo ( hidroxiapatita ), y cada una de estas fracciones de hueso se puede analizar para arrojar luz sobre los diferentes componentes de la dieta. El carbono en el colágeno de los huesos se obtiene predominantemente de las proteínas de la dieta, mientras que el carbono que se encuentra en el mineral de los huesos se obtiene de todo el carbono de la dieta consumido, incluidos los carbohidratos, los lípidos y las proteínas.

Para obtener una imagen precisa de las paleodietas, es importante comprender los procesos de diagénesis que pueden afectar la señal isotópica original. También es importante que el investigador conozca las variaciones de isótopos dentro de los individuos, entre individuos y a lo largo del tiempo.

Abastecimiento de materiales arqueológicos

El análisis de isótopos ha sido particularmente útil en arqueología como medio de caracterización. La caracterización de artefactos implica determinar la composición isotópica de posibles materiales de origen, como cuerpos de minerales metálicos, y comparar estos datos con la composición isotópica de los artefactos analizados. Se ha obtenido una amplia gama de materiales arqueológicos como metales, vidrio y pigmentos a base de plomo mediante caracterización isotópica. Particularmente en el Mediterráneo de la Edad del Bronce, el análisis de isótopos de plomo ha sido una herramienta útil para determinar las fuentes de metales y un indicador importante de los patrones comerciales. Sin embargo, la interpretación de los datos de isótopos de plomo suele ser polémica y se enfrenta a numerosos desafíos instrumentales y metodológicos. Problemas como la mezcla y reutilización de metales de diferentes fuentes, los datos fiables limitados y la contaminación de las muestras pueden ser problemas difíciles de interpretación.

Ecología

Todos los elementos biológicamente activos existen en varias formas isotópicas diferentes, de las cuales dos o más son estables. Por ejemplo, la mayor parte del carbono está presente como 12 C, y aproximadamente el 1% es 13 C. La proporción de los dos isótopos puede verse alterada por procesos biológicos y geofísicos, y los ecólogos pueden utilizar estas diferencias de diversas formas. Los principales elementos utilizados en la ecología isotópica son el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno y el azufre, pero también incluyen el silicio, el hierro y el estroncio.

Análisis de isótopos estables en ecosistemas acuáticos

Los isótopos estables se han convertido en un método popular para comprender los ecosistemas acuáticos porque pueden ayudar a los científicos a comprender los vínculos de origen y procesar la información en las redes tróficas marinas. Estos análisis también se pueden utilizar hasta cierto punto en sistemas terrestres. Ciertos isótopos pueden significar distintos productores primarios que forman las bases de las redes tróficas y el posicionamiento del nivel trófico . Las composiciones de isótopos estables se expresan en términos de valores delta (δ) en permil (‰), es decir, diferencias en partes por mil con respecto a un patrón . Expresan la proporción de un isótopo que hay en una muestra. Los valores se expresan como:

δX = [( muestra R / estándar R ) - 1] × 10 3

donde X representa el isótopo de interés (por ejemplo, 13 C) y R representa la relación del isótopo de interés y su forma natural (por ejemplo, 13 C / 12 C). Los valores delta más altos (o menos negativos) indican aumentos en el isótopo de interés de una muestra, en relación con el estándar , y los valores más bajos (o más negativos) indican disminuciones. Los materiales de referencia estándar para el carbono, el nitrógeno y el azufre son la piedra caliza belamnita de Pee Dee , el gas nitrógeno en la atmósfera y el meteorito Cañón Diablo, respectivamente. El análisis se suele realizar mediante un espectrómetro de masas, detectando pequeñas diferencias entre elementos gaseosos. El análisis de una muestra puede costar entre $ 30 y $ 100. Los isótopos estables ayudan a los científicos a analizar las dietas de los animales y las redes alimentarias al examinar los tejidos animales que tienen un enriquecimiento o agotamiento isotópico fijo frente a la dieta. Las fracciones de músculo o proteína se han convertido en el tejido animal más común utilizado para examinar los isótopos porque representan los nutrientes asimilados en su dieta. La principal ventaja de utilizar el análisis de isótopos estables en comparación con las observaciones del contenido del estómago es que no importa cuál sea el estado del estómago del animal (vacío o no), los marcadores de isótopos en los tejidos nos darán una comprensión de su posición trófica y fuente de alimento. . Los tres isótopos principales utilizados en el análisis de la red trófica de los ecosistemas acuáticos son 13 C, 15 N y 34 S. Si bien los tres indican información sobre la dinámica trófica , es común realizar análisis en al menos dos de los 3 isótopos mencionados anteriormente para una mejor comprensión de interacciones tróficas marinas y para resultados más sólidos.

Carbono-13

Los isótopos de carbono nos ayudan a determinar la fuente de producción primaria responsable del flujo de energía en un ecosistema. La transferencia de 13 C a través de los niveles tróficos permanece relativamente igual, excepto por un pequeño aumento (un enriquecimiento <1 ‰). Las grandes diferencias de δ 13 C entre animales indican que tienen diferentes fuentes de alimento o que sus redes tróficas se basan en diferentes productores primarios (es decir, diferentes especies de fitoplancton, pastos de marisma). Debido a que δ 13 C indica la fuente original de productores primarios, el Los isótopos también pueden ayudarnos a determinar cambios en las dietas, tanto a corto como a largo plazo o permanentes. Estos cambios pueden incluso correlacionarse con cambios estacionales, lo que refleja la abundancia de fitoplancton. Los científicos han descubierto que puede haber amplios rangos de valores de δ 13 C en poblaciones de fitoplancton en una región geográfica. Si bien no es muy seguro por qué puede ser esto, existen varias hipótesis para que esto ocurra. Estos incluyen isótopos dentro de los depósitos de carbono inorgánico disuelto (DIC) que pueden variar con la temperatura y la ubicación y que las tasas de crecimiento del fitoplancton pueden afectar su absorción de los isótopos. δ 13 C se ha utilizado para determinar la migración de animales juveniles de áreas costeras protegidas a ubicaciones costa afuera mediante el examen de los cambios en sus dietas. Un estudio de Fry (1983) estudió las composiciones isotópicas en camarones juveniles de los pastizales del sur de Texas. Fry descubrió que al comienzo del estudio los camarones tenían valores isotópicos de δ 13 C = -11 a -14 ‰ y 6-8 ‰ para δ 15 N y δ 34 S. A medida que los camarones maduraban y migraban mar adentro, los valores isotópicos cambiado a aquellos que se asemejan a organismos marinos (δ 13 C = -15 ‰ y δ 15 N = 11.5 ‰ y δ 34 S = 16 ‰).

Azufre-34

Si bien no hay enriquecimiento de 34 S entre los niveles tróficos, el isótopo estable puede ser útil para distinguir productores bentónicos frente a pelágicos y productores de marismas frente a fitoplancton . Similar al 13 C, también puede ayudar a distinguir entre diferentes fitoplancton como los principales productores primarios en las redes tróficas. Las diferencias entre los sulfatos y los sulfuros del agua de mar (c. 21 ‰ frente a -10 ‰) ayudan a los científicos en las discriminaciones. El azufre tiende a ser más abundante en áreas menos aeróbicas, como los sistemas bentónicos y las plantas de los pantanos, que en los sistemas pelágicos y más aeróbicos. Así, en los sistemas bentónicos, existen valores de δ 34 S menores .

Nitrógeno-15

Los isótopos de nitrógeno indican la posición del nivel trófico de los organismos (que refleja el momento en que se tomaron las muestras de tejido). Hay un componente de enriquecimiento mayor con δ 15 N porque su retención es mayor que la de 14 N. Esto se puede ver al analizar los desechos de organismos. La orina de ganado ha demostrado que hay un agotamiento de 15 N en relación con la dieta. A medida que los organismos se comen unos a otros, los isótopos de 15 N se transfieren a los depredadores. Por lo tanto, los organismos más altos en la pirámide trófica han acumulado niveles más altos de 15 N (y valores más altos de δ 15 N) en relación con sus presas y otros antes que ellos en la red trófica. Numerosos estudios sobre ecosistemas marinos han demostrado que, en promedio, hay un enriquecimiento de 3,2 ‰ de 15 N en comparación con la dieta entre diferentes especies de nivel trófico en los ecosistemas. En el mar Báltico, Hansson et al. (1997) encontraron que al analizar una variedad de criaturas (como materia orgánica particulada (fitoplancton), zooplancton , mísidos , espadín, olía y arenque,) había un aparente fraccionamiento de 2,4 ‰ entre los consumidores y su presa aparente.

Además del posicionamiento trófico de los organismos, los valores de δ 15 N se han vuelto de uso común para distinguir entre fuentes de nutrientes derivadas de la tierra y naturales. A medida que el agua viaja de los tanques sépticos a los acuíferos, el agua rica en nitrógeno se envía a las zonas costeras. El nitrato de las aguas residuales tiene concentraciones más altas de 15 N que el nitrato que se encuentra en los suelos naturales en las zonas cercanas a la costa. Para las bacterias, es más conveniente para ellas absorber 14 N en lugar de 15 N porque es un elemento más liviano y más fácil de metabolizar. Por lo tanto, debido a la preferencia de las bacterias al realizar procesos biogeoquímicos como la desnitrificación y volatilización del amoníaco, 14 N se elimina del agua a una velocidad más rápida que 15 N, lo que resulta en más 15 N que ingresan al acuífero. 15 N es aproximadamente 10-20 ‰ en contraposición a los valores naturales de 15 N de 2-8 ‰. El nitrógeno inorgánico que se emite de las fosas sépticas y otras aguas residuales de origen humano suele presentarse en forma de . Una vez que el nitrógeno ingresa a los estuarios a través de las aguas subterráneas, se cree que debido a que ingresan más 15 N, también habrá más 15 N en la reserva de nitrógeno inorgánico entregado y que los productores que absorben N. El 14 N es más fácil de absorber, porque hay mucho más 15 N, todavía habrá cantidades más altas de asimilación de lo normal. Estos niveles de δ 15 N pueden examinarse en criaturas que viven en la zona y no son migratorias (como macrófitas , almejas e incluso algunos peces). Este método de identificar altos niveles de entrada de nitrógeno se está convirtiendo en un método cada vez más popular para intentar monitorear la entrada de nutrientes en los estuarios y ecosistemas costeros. Los administradores ambientales se han preocupado cada vez más por medir los aportes de nutrientes antropogénicos a los estuarios porque el exceso de nutrientes puede provocar eutrofización y eventos hipóxicos , eliminando los organismos de un área por completo.

Oxígeno-18

El análisis de la proporción de 18 O a 16 O en las conchas de la almeja del delta del Colorado se utilizó para evaluar la extensión histórica del estuario en el delta del río Colorado antes de la construcción de las presas río arriba.

Hidrógeno-2

La proporción de 2 H, también conocida como deuterio , a 1 H se ha estudiado tanto en tejidos vegetales como animales. Los isótopos de hidrógeno en el tejido vegetal están correlacionados con los valores locales del agua, pero varían según el fraccionamiento durante la fotosíntesis , la transpiración y otros procesos en la formación de celulosa. Un estudio sobre las proporciones de isótopos de los tejidos de las plantas que crecen dentro de un área pequeña en Texas encontró que los tejidos de las plantas CAM estaban enriquecidos en deuterio en relación con las plantas C4 . Las proporciones de isótopos de hidrógeno en el tejido animal reflejan la dieta, incluida el agua potable, y se han utilizado para estudiar la migración de las aves y las redes alimentarias acuáticas.

Ciencia forense

Un desarrollo reciente en la ciencia forense es el análisis isotópico de hebras de cabello. El cabello tiene una tasa de crecimiento reconocible de 9-11 mm por mes o 15 cm por año. El crecimiento del cabello humano es principalmente una función de la dieta, especialmente la ingesta de agua potable. Las proporciones isotópicas estables del agua potable son una función de la ubicación y la geología a través de la cual se filtra el agua. Las variaciones de los isótopos 87 Sr, 88 Sr y de oxígeno son diferentes en todo el mundo. Estas diferencias en la proporción isotópica se 'fijan' biológicamente en nuestro cabello a medida que crece y, por lo tanto, es posible identificar historias geográficas recientes mediante el análisis de hebras de cabello. Por ejemplo, podría ser posible identificar si un sospechoso de terrorismo había estado recientemente en un lugar en particular a partir del análisis del cabello. Este análisis de cabello es un método no invasivo que se está volviendo muy popular en los casos en que el ADN u otros medios tradicionales no brindan respuestas.

Los investigadores forenses pueden utilizar el análisis de isótopos para determinar si dos o más muestras de explosivos son de un origen común. La mayoría de los explosivos contienen átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, por lo que comparar sus abundancias relativas de isótopos puede revelar la existencia de un origen común. Los investigadores también han demostrado que el análisis de las relaciones 12 C / 13 C puede localizar el país de origen de un explosivo determinado.

El análisis isotópico estable también se ha utilizado en la identificación de rutas de tráfico de drogas. Las abundancias isotópicas son diferentes en la morfina cultivada a partir de amapolas en el sudeste asiático frente a las amapolas cultivadas en el sudoeste de Asia. Lo mismo se aplica a la cocaína que se deriva de Bolivia y a la de Colombia.

Trazabilidad

Ver también: Trazabilidad

El análisis isotópico estable también se ha utilizado para rastrear el origen geográfico de los alimentos, la madera y para rastrear las fuentes y el destino de los nitratos en el medio ambiente.

Geología

Artículo principal: geoquímica de isótopos

Hidrología

En hidrología isotópica , los isótopos estables del agua ( 2 H y 18 O) se utilizan para estimar la fuente, la edad y las trayectorias de flujo del agua que fluye a través de los ecosistemas. Los principales efectos que modifican la composición isotópica estable del agua son la evaporación y la condensación . La variabilidad en los isótopos del agua se utiliza para estudiar las fuentes de agua de los arroyos y ríos, las tasas de evaporación, la recarga de las aguas subterráneas y otros procesos hidrológicos.

Paleoclimatología

La proporción de 18 O a 16 O en el hielo y los núcleos de aguas profundas depende de la temperatura y puede usarse como una medida aproximada para reconstruir el cambio climático. Durante los períodos más fríos de la historia de la Tierra (glaciares), como durante las edades de hielo , el 16 O se evapora preferentemente de los océanos más fríos, dejando atrás el 18 O , un poco más pesado y lento . Los organismos como los foraminíferos, que combinan el oxígeno disuelto en el agua circundante con el carbono y el calcio para construir sus conchas, incorporan, por tanto, la relación de 18 O a 16 O dependiente de la temperatura . Cuando estos organismos mueren, se asientan en el lecho marino, preservando un registro largo e invaluable del cambio climático global durante gran parte del Cuaternario . De manera similar, los núcleos de hielo en tierra se enriquecen en el 18 O más pesado en relación con el 16 O durante las fases climáticas más cálidas ( interglaciares ) a medida que hay más energía disponible para la evaporación del isótopo 18 O más pesado . El registro de isótopos de oxígeno conservado en los núcleos de hielo es, por tanto, un "espejo" del registro contenido en los sedimentos oceánicos.

Los isótopos de oxígeno conservan un registro de los efectos de los ciclos de Milankovitch sobre el cambio climático durante el Cuaternario, revelando una ciclicidad de aproximadamente 100.000 años en el clima de la Tierra .

Referencias

enlaces externos