Кіріспе
Радиоактивті материалдарды талдау үшін қолданылатын математикалық қатынас. Изотоптық қолтаңба (немесе изотоптық саусақ іздері) – зерттеліп отырған материалдағы белгілі бір элементтердің радиогендік емес "тұрақты изотоптарының", тұрақты радиогендік изотоптарының немесе тұрақсыз радиоактивті изотоптарының арақатынасы болып табылады. Үлгі материалдағы изотоптардың қатынасы изотоптық эталондық материалға шаққанда изотоптық қатынас массалық спектрометриясы арқылы өлшенеді. Бұл процесс изотоптық талдау деп аталады.
An isotopic signature (also isotopic fingerprint) is a ratio of non radiogenic 'stable isotopes', stable radiogenic isotopes, or unstable radioactive isotopes of particular elements in an investigated material. The ratios of isotopes in a sample material are measured by isotope ratio mass spectrometry against an isotopic reference material. This process is called isotope analysis.
Тұрақты изотоптар
Әр түрлі изотоптардың атомдық массасы олардың химиялық кинетикалық қасиеттеріне әсер етеді, осыдан табиғи изотоптарды бөліп алу процестері жүзеге асырылады.
Азот изотоптары
Азот 15 немесе 15N көбінесе ауыл шаруашылығы және медициналық зерттеулерде қолданылады, мысалы, ДНҚ репликациясының механизмін анықтау үшін Месселсон-Сталл экспериментінде. Осы зерттеудің жалғасы ретінде ДНҚ-ға негізделген тұрақты изотоптық зонд әзірленді, ол микроорганизмдердің қоршаған ортадағы метаболикалық функциясы мен таксономиялық жақындығы арасындағы байланысты зерттеуге мүмкіндік береді, бұл үшін мәдениетті оқшаулау қажет емес. Ақуыздарды 15N азотының жалғыз көзі бар ортада өсіру арқылы изотоптық түрде белгілеуге болады, мысалы, SILAC сияқты сандық протеомикада. Азот 15 қоршаған ортада минералды азотты қосылыстарды (әсіресе тыңайтқыштарды) анықтау үшін кеңінен қолданылады. Басқа изотоптық белгілермен бірге қолданылғанда, 15N азотты органикалық ластаушылардың тағдырын сипаттау үшін өте маңызды индикатор болып табылады. Азот 15-тің іздеуі биогеохимияда қолданылатын маңызды әдіс. Тұрақты азот изотоптарының қатынасы, 15N/14N немесе δ15N, трофикалық деңгеймен бірге көбейеді, сондықтан шөпқоректілерде өсімдіктерге қарағанда жоғары азот изотоптарының мәндері байқалады, ал етқоректілерде шөпқоректілерге қарағанда жоғары мәндер болады. Тексерілетін тіндерге байланысты, трофикалық деңгейдің әрбір артуымен 3-4 промильге өсу байқалады. Сондықтан вегетариандардың тіндері мен шаштарында δ15N мәні, көбінесе ет жейтін адамдарға қарағанда айтарлықтай төмен болады. Сол сияқты, құрлықтағы диета теңіздік диетадан өзгеше із қалдырады. Шаштың изотоптық талдауы археологтар үшін маңызды ақпарат көзі болып табылады, ол ежелгі диеталар және тағамдық ресурстарға қатысты әртүрлі мәдени көзқарастар туралы ақпарат береді. Азық тізбегінің негізінде (мысалы, өсімдіктерде) немесе жеке жануарлар деңгейінде азоттың изотоптық құрамына әсер ететін көптеген экологиялық және физиологиялық факторлар бар. Мысалы, құрғақ аймақтарда азот айналымы көбірек "ашық" болып келеді және 14N жоғалтуға бейім, бұл топырақ пен өсімдіктерде δ15N-нің артуына әкеледі. Бұл салқын және ылғалды экожүйелерге қарағанда ыстық және құрғақ экожүйелердегі өсімдіктер мен жануарларда салыстырмалы түрде жоғары δ15N мәндеріне әкеледі. Сонымен қатар, δ15N-нің жоғарылауы ұзақ су тапшылығы немесе жеткіліксіз белок тұтыну кезінде организмдегі 14N-нің артық шығарылуымен және 15N-мен байытылған тіндердің қайта пайдаланылуымен байланысты. δ15N планеталық ғылымда диагностикалық құрал ретінде де қолданылады, себебі атмосфера мен жер бетіндегі материалдардағы қатынас "материалдардың қалыптасу жағдайларымен тығыз байланысты".
Қорғасын изотоптары
Қорғасын төрт тұрақты изотоптан тұрады: 204Pb, 206Pb, 207Pb және 208Pb. Уран/торий/қорғасын мөлшерінің жергілікті айырмашылықтары қорғасынның әртүрлі аймақтардағы изотоптық қатынастарында кеңінен өзгеріске алып келеді. Өнеркәсіптік процестер арқылы атмосфераға таратылатын қорғасынның изотоптық құрамы минералдардағы қорғасыннан өзгеше болады. Тетраэтилқорғасын қосылған бензиннің жағылуы автомобиль түтінінде микрометрлік өлшемдегі қорғасынға толы бөлшектердің пайда болуына себеп болды; әсіресе қалалық аймақтарда адам жасаған қорғасын бөлшектері табиғи бөлшектерге қарағанда көптеп кездеседі. Объектілерде табылған бөлшектердегі изотоптық құрамының айырмашылықтары объектінің шығу тегін шамамен анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Балдың сапасын нашарлатуын анықтау үшін көміртегі изотоптық қатынастарын өлшеуге болады. Жүгері немесе қант қамысынан (C4 өсімдіктері) алынған қанттарды қосу балдағы қанттардың изотоптық қатынасын өзгертеді, бірақ ақуыздардың изотоптық қатынасына әсер етпейді; таза балда қанттар мен ақуыздардың көміртегі изотоптық қатынастары сәйкес келуі тиіс. 7% дейінгі қосылған мөлшерін анықтауға болады. Ядролық жарылыстар ауадағы көмірқышқыл газындағы 13C пен жылдам нейтрондардың реакциясы арқылы 10Be-ді қалыптастырады. Бұл ядролық сынақ алаңдарындағы бұрынғы белсенділіктің тарихи көрсеткіштерінің бірі.
Күн жүйесінің пайда болуы
Изотоптық саусақ іздері Күн жүйесіндегі материалдардың тегін зерттеу үшін қолданылады. Өте дәл өлшенетін оттегі изотоптарының арақатынасы Күн жүйесінің әрбір денесі үшін бірегей және ерекше белгіні көрсетеді. Оттегі изотоптарының әртүрлі белгілері ғарышқа лақтырылған материалдың тегін анықтауға мүмкіндік береді. Айдың титан изотоптарының арақатынасы (50Ti/47Ti) Жердегіге жақын (4 ppm-ге дейін). 2013 жылы су изотоптарының құрамына негізделген зерттеу, Айдың магмасындағы судың көміртекті хондриттерден "ажыратуға келмейтін" және Жердегі суға ұқсас екенін көрсетті.
Жердегі алғашқы тіршілік туралы деректер
Изотоптық биогеохимия өмірді қоршаған уақыт шкаласын және оның Жердегі ең алғашқы көріністерін зерттеу үшін пайдаланылған. Шөгінділерде сақталған, өмірге тән изотоптық іздер 3,85 миллиард жыл бұрын Жерде өмірдің болғанын көрсетеді, бірақ оны міндетті түрде дәлелдемейді. Күкірт изотоптарының мәліметтері Ұлы Тотығу Оқиғасының уақытын растау үшін де қолданылды, оның кезінде Жер атмосферасы алғаш рет шамамен 2,3-2,4 миллиард жыл бұрын оттегінің деңгейінің байқалатын өсуін (қазіргі деңгейлердің шамамен 9%-ына дейін) бастан өткерді. 2,45 миллиард жыл бұрын геологиялық жазбаларда күкірт изотоптарының массаға тәуелсіз фракциялануы кеңінен таралғаны анықталды, ал бұл изотоптық белгілер кейін массаға тәуелді фракциялануға ұшырады, атмосфераның сол шекте отсыздан оттегіге ауысқанына күшті дәлел келтіреді. Қазіргі сульфатты азайтушы бактериялар 34S-ке қарағанда 32S-ті жеңілдетеді, және осы микроорганизмдердің болуы мұхиттың күкірт изотоптарының құрамын өзгерте алады. Сульфид минералдарында күкірт изотоптарының фракциялануының болмауы бактериялық процестердің немесе қолжетімді сульфаттың жоқтығын көрсетеді. Кейбіреулер микробиологиялық күкірт фракциялануы туралы осы білімді пайдаланып, теңіз суының болжамды құрамына қатысты үлкен күкірт изотоптарының фракциялануын көрсететін минералдардың (әсіресе пириттің) өмірдің белгісі болуы мүмкін деп ұсынды. Алайда, бұл талап нақты емес, және кейде Батыс Австралияның Дрессер формациясында табылған ~3,49 миллиард жылдық сульфид минералдарының геологиялық мәліметтерімен күреседі, олардың δ34S мәндері -22‰ дейін теріс болып табылады. Сульфид және барит минералдарының гидротермальдық әсердің болмауында пайда болғаны дәлелденбегендіктен, бұл Архейде өмірдің немесе микробтық сульфатты азайту жолының нақты дәлелі емес.