동위원소 분석

Isotope analysis
동위원소 비율 분석에 사용되는 자기 섹터 질량 분석계, 열 이온화

동위원소 분석은 유기 화합물 및 무기 화합물 내에 있는 화학 원소의 안정 동위원소인 동위원소 특징의 식별이다.동위원소 분석은 먹이망을 통한 에너지 흐름을 이해하고, 과거의 환경 및 기후 조건을 재구성하고, 과거의 인간과 동물 식단을 조사하며, 식품 인증을 위해, 그리고 다른 다양한 물리적, 지질학적, 고생물학적 및 화학적 과정을 위해 사용될 수 있다.안정적인 동위원소 비율은 질량 대 전하 비율에 따라 원소의 다른 동위원소를 분리하는 질량 분석법을 사용하여 측정된다.

영향을 받는 조직

동위원소 산소는 주로 섭취를 통해 체내에 흡수되며, 이때는 고고학적 목적을 위해 뼈와 치아의 형성에 사용된다.산소는 뼈와 치아 에나멜의 탄화수소계 아파타이트에 통합됩니다.

뼈는 개인의 일생 동안 지속적으로 변형된다.하이드록시아파타이트에서 동위원소 산소의 회전 속도는 완전히 알려져 있지 않지만 콜라겐과 유사한 것으로 추정됩니다. 약 10년입니다.따라서 개인이 한 지역에 10년 이상 머무르는 경우, 골격 히드록시아파타이트의 동위원소 산소비는 해당 영역에 존재하는 산소비를 반영한다.

치아는 지속적인 리모델링을 받지 않으므로 형성 시점부터 동위원소 산소비가 일정하게 유지됩니다.치아의 동위원소 산소비는 개인이 태어나고 자란 지역의 비율을 나타낸다.낙엽성 치아가 있는 곳에서는 아이가 젖을 뗀 나이를 결정할 수도 있다.모유 생산은 땀, 소변, 수증기 만료로 인한 O의 우선 소실 때문에 높은 O의 수치를 가진 산모의 체수에 의존합니다.

치아는 시간이 지남에 따라 화학적, 물리적 변화에 더 강한 저항력을 가지고 있지만, 두 가지 모두 퇴적 후 변이 유발될 수 있습니다.따라서 동위원소 분석에서는 수산화기가 부족하거나 존재하는 디아제네틱 카보네이트기보다 저항성이 높은 인산기가 이용된다.

적용들

동위원소 분석은 자연과학에 광범위하게 적용된다.여기에는 생물, 지구 및 환경과학의 수많은 응용 분야가 포함됩니다.

고고학

고대 식단을 재구성하다

뼈, 유기 잔류물, 털 또는 조개껍데기와 같은 고고학적 재료는 동위원소 분석의 기판 역할을 할 수 있다.탄소, 질소 및 아연 동위원소 비율은 과거 사람들의 식단을 조사하는데 사용된다. 이러한 동위원소 시스템은 스트론튬 또는 산소와 같은 다른 동위원소 시스템과 함께 인구 이동과 [1]무역과 같은 문화적 상호작용에 대한 질문에 답하기 위해 사용될 수 있다.

사료 사슬의 기초에 있는 탄소의 출처를 결정하기 위해 고고학에서 탄소 동위원소를 분석한다.C/13C 동위원소 비율을 조사하면 동물과 인간이 주로 C3 또는 C4 식물을 [2]먹었는지 여부를 판단할 수 있다.잠재적 C3 음식 공급원은 밀, 쌀, 덩이줄기, 과일, 견과류, 그리고 많은 채소들을 포함하며, C4 음식 공급원은 기장과 [3]사탕수수를 포함합니다.탄소 동위원소 비율은 해양,[4][5] 담수 및 육지 식품 공급원을 구별하는 데도 사용할 수 있다.

탄소 동위원소 비율은 뼈 콜라겐 또는 뼈 미네랄(히드록시라파타이트)에서 측정할 수 있으며, 이러한 뼈의 각 부분을 분석하여 식단의 다른 성분을 밝혀낼 수 있다.뼈 콜라겐의 탄소는 주로 식이성 단백질로부터 공급되는 반면, 뼈 미네랄에서 발견되는 탄소는 탄수화물, 지질, [6]그리고 단백질을 포함한 모든 소비된 식이성 탄소에서 공급됩니다.

팔레오디엣의 정확한 그림을 얻으려면 원래 동위원소 신호에 영향을 줄 수 있는 디아제네시스 과정을 이해하는 것이 중요합니다.또한 연구자들은 개인 내, 개인 간, 그리고 [1]시간에 따른 동위원소의 변화를 아는 것이 중요하다.

고고학 자료 조달

동위원소 분석은 특성화의 수단으로 고고학에서 특히 유용했다.아티팩트의 특성화에는 금속 광체와 같은 가능한 소스 물질의 동위원소 조성을 결정하고 이러한 데이터를 분석된 아티팩트의 동위원소 조성과 비교하는 것이 포함된다.금속, 유리 및 납 기반 안료와 같은 광범위한 고고학적 재료는 동위원소 [7]특성을 사용하여 조달되었습니다.특히 청동기시대 지중해에서 납 동위원소 분석은 금속의 출처를 결정하는 데 유용한 도구이자 무역 패턴의 중요한 지표였다.그러나 납 동위원소 데이터의 해석은 종종 논쟁의 여지가 있으며 다양한 도구적 및 방법론적 [8]문제에 직면한다.서로 다른 출처의 금속의 혼합 및 재사용, 제한된 신뢰성 있는 데이터 및 샘플의 오염과 같은 문제는 해석에 있어 어려운 문제가 될 수 있다.

생태학

모든 생물학적 활성 원소는 여러 가지 다른 동위원소 형태로 존재하며, 그 중 2개 이상이 안정적이다.예를 들어, 대부분의 탄소는 C로 존재하며, 약 1%는 C입니다.두 동위원소의 비율은 생물학적 및 지구물리학적 과정에 의해 변경될 수 있으며, 이러한 차이는 생태학자에 의해 다양한 방법으로 사용될 수 있다.동위원소 생태학에서 사용되는 주요 원소는 탄소, 질소, 산소, 수소, 황이지만 실리콘, 철, 스트론튬도 [9]포함한다.

수생 생태계의 안정적인 동위원소 분석

안정적인 동위원소는 과학자들이 해양 먹이 거미줄의 소스 링크와 정보를 이해하는 데 도움을 줄 수 있기 때문에 수생 생태계를 이해하는 데 인기 있는 방법이 되었다.이러한 분석은 지상 시스템에서도 어느 정도 사용할 수 있다.특정 동위원소는 먹이 거미줄과 영양 수준 위치 결정의 기초를 형성하는 별개의 1차 생산자를 의미할 수 있습니다.안정적인 동위원소 구성은 퍼밀(permil) 단위의 델타 값(θ), 즉 표준과의 1000분의 1 차이로 표현된다.그것들은 표본에 포함된 동위원소의 비율을 나타냅니다.값은 다음과 같이 표시됩니다.

δX = [(Rsamplestandard / R) – 13] × 10

여기서 X는 관심 동위원소(예: C)를 나타내고 R은 관심 동위원소 및 자연 형태(예: C/12C)[10]의 비율을 나타낸다.델타 값이 높으면(또는 음수보다 작으면) 표본의 관심 동위원소가 표준과 비교하여 증가하고, 값이 낮으면(또는 음수보다 많으면) 감소함을 나타냅니다.탄소, 질소, 황의 표준 기준물질은 각각 Pe Dee Belamnite 석회암, 대기 중 질소 가스, 카논 디아블로 운석이다.분석은 보통 질량 분석계를 사용하여 이루어지며, 기체 원소 간의 작은 차이를 감지합니다.샘플 분석 비용은 30달러에서 [10]100달러 사이입니다.안정적인 동위원소는 고정된 동위원소 농축 또는 고갈을 동반하는 동물 조직 대 식단을 조사함으로써 과학자들이 동물의 식단과 먹이사슬을 분석하는데 도움을 준다.근육이나 단백질 분율은 그들의 식단에서 동화된 영양소를 나타내기 때문에 동위원소를 검사하는데 사용되는 가장 흔한 동물 조직이 되었다.위 내용물 관측과 달리 안정적인 동위원소 분석을 사용하는 주된 장점은 동물의 위 상태가 어떻든 간에(빈 상태든 아니든) 조직의 동위원소 추적기를 통해 영양학적 위치와 먹이 [11]공급원을 이해할 수 있다는 것이다.수생 생태계 먹이 웹 분석에 사용되는 3대 동위원소는 C, N, S이다.세 가지 모두 영양 역학에 대한 정보를 나타내지만, 해양 영양 상호작용을 더 잘 이해하고 더 강력한 결과를 얻기 위해 앞서 언급한 세 가지 동위원소 중 적어도 두 가지에 대해 분석을 수행하는 것이 일반적이다.

수소-2

중수소로 알려진 H와 H의 비율은 식물과 동물 조직 모두에서 연구되어 왔다.식물 조직의 수소 동위원소는 국소 물 값과 상관관계가 있지만 광합성, 증산 및 셀룰로오스의 형성 과정에서 분화에 따라 달라집니다.텍사스의 작은 영역 내에서 자라는 식물의 동위원소 비율에 대한 연구는 CAM 식물의 조직이 C4 [12]식물에 비해 중수소에서 농축된 것을 발견했다.동물 조직의 수소 동위원소 비율은 식수를 포함한 식단을 반영하며 조류[13] 이동과 수생 먹이 [14][15]거미줄 연구에 사용되어 왔다.

카본-13

탄소 동위원소는 생태계의 에너지 흐름을 담당하는 주요 생산원을 결정하는 데 도움이 됩니다.영양 레벨을 통한 C의 전달은 약간의 증가(농축 < 1 µ)를 제외하고는 비교적 동일하게 유지됩니다.동물 간 µC의13 큰 차이는 그들이 다른 식량원을 가지고 있거나 먹이망이 다른 1차 생산자(즉, 다른 종의 식물 플랑크톤, 습지 풀)에 기초하고 있음을 나타낸다.δC는13 1차 생산자의 원래 공급원을 나타내기 때문에 동위원소는 또한 단기, 장기 또는 영구적인 식단의 변화를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.이러한 변화는 식물성 플랑크톤의 [11]풍부함을 반영하여 계절 변화와 관련이 있을 수 있습니다.과학자들은 지리적 영역에 걸쳐 식물성 플랑크톤 개체군의 광범위한 δC13 값이 존재할 수 있다는 것을 발견했다.왜 그런지는 확실하지 않지만, 이 사건에 대한 몇 가지 가설이 있습니다.여기에는 용해 무기 탄소 풀(DIC) 내의 동위원소가 온도와 위치에 따라 다를 수 있으며 식물성 플랑크톤의 성장률이 동위원소 섭취에 영향을 미칠 수 있다.②C는13 보호대상 연안지역에서 연안지역으로 이동되는 어린 동물의 식생활 변화를 조사하는데 사용되어 왔다.프라이(1983)의 연구는 남부 텍사스 초원의 어린 새우의 동위원소 구성을 연구했다.프라이는 연구를 시작할 때 새우의 동위원소 값이 ofC1315 = -11 ~ -14 andN 및 sS의34 경우 6-8 for인 것을 발견했다.새우가 성숙하여 앞바다로 이동함에 따라 동위원소 값은 앞바다 유기체와 유사한 값으로 변화하였다(cC13= -15 and, nN15= 11.5 and, sS34= [16]16‰).

황-34

영양 수준 사이에 S의 농축은 없지만 안정 동위원소는 해저 생성자와 해양 생성자, 습지 생성자와 식물성 플랑크톤 [11]생성자를 구별하는 데 유용할 수 있다.C와 유사하게, 그것은 또한 먹이 거미줄의 주요 1차 생산자로서 다른 식물성 플랑크톤을 구별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.바닷물 황산염과 황화물의 차이(c. 21º 대 -10º)는 과학자들의 식별에 도움이 됩니다.유황은 원양과 더 많은 유산소 시스템보다 해저 시스템과 습지 식물과 같은 적은 유산소 영역에서 더 많이 발생하는 경향이 있습니다.따라서 해저계에서는 보다 작은 µS34 [11]값이 존재합니다.

질소-15

질소 동위원소는 유기체의 영양 수준 위치를 나타낸다(조직 샘플 채취 시간을 반영).잔류량이 N보다 높기 때문에 δN인15 농축성분이 더 크다.이것은 유기체의 [11]노폐물을 분석함으로써 알 수 있다.소의 소변은 [17]식사에 비해 N이 고갈된 것으로 나타났다.유기체가 서로를 잡아먹으면서 N개의 동위원소가 포식자에게 전달된다.따라서 영양피라미드 상위에 있는 유기체는 먹이 및 그 이전의 다른 유기체들에 비해 더 높은 수준의 N(및 더15 높은 δN 값)이 먹이망에 축적되었다.해양생태계에 관한 수많은 연구에 따르면 [11]생태계의 영양수준이 다른 종들 간에 식단에 비해 평균적으로 3.2 %의 N이 농축되어 있는 것으로 나타났다.발트해에서 Hansson 외 연구진(1997년)은 다양한 생물(입자 유기물(피토플랑크톤), 동물성 플랑크톤, 미시드, 스프랫, 빙어, 청어 등)을 분석할 때 소비자와 그들의 겉으로 [18]보이는 먹이 사이에 2.4µ의 분명한 분류가 있다는 것을 발견했다.

생물의 영양적 위치 결정과 더불어 δN15 값은 육지 유래 영양소와 천연 영양원을 구별하는 데 일반적으로 사용되고 있다.물이 정화조에서 대수층으로 이동함에 따라 질소가 풍부한 물이 해안 지역으로 전달됩니다.폐수 질산염은 [19]근해 지역의 자연 토양에서 발견되는 질산염보다 높은 농도의 N을 가지고 있다.세균은 N보다 N이 가볍고 대사하기 쉽기 때문에 N을 흡수하는 것이 더 편리하다.따라서 암모니아 탈질, 휘발성 등 생물지구화학적 과정을 할 때 박테리아가 선호하기 때문에 N이 물속에서 N보다 빠른 속도로 제거되어 대수층으로 들어가는 N이 많아진다.15N은 자연 N의 2~8°[19]C에 비해 대략 10~20°C이다.정화조 및 기타 인간유래 오수에서 방출되는 무기질소는 NH4+ 의 형태이다.일단 질소 지하수를 통해 강 어귀에 들어가기 때문에 훨씬 15N 것이 많기 때문에15N로 들어가고 있다는 또한 더 많은 15N은 무기 질소 수영장에 더 생산자지만 14N을 채택하는 게 더 쉽다 N. 심지어 잡아먹이 수거 배달된다 생각되고, 아직도 더 높아질 것이다 양 assi.milated평소보다 더요이러한 수준의 δN은15 이 지역에 살고 있고 이동성이 없는 생물(대식동물, 조개, 심지어 일부 물고기)[18][20][21]에서 조사될 수 있다.높은 수준의 질소 투입량을 식별하는 이 방법은 강어귀와 해안 생태계에 대한 영양소 투입량을 모니터링하는 데 있어 점점 더 인기 있는 방법이 되고 있다.환경 관리자들은 영양소의 과다 섭취는 부영양화와 저산소 현상으로 이어져 한 지역에서 [22]유기체를 완전히 제거할 수 있기 때문에 강어귀에 대한 인위적인 영양소 투입량 측정에 점점 더 관심을 갖게 되었다.

산소-18

상류 댐 [23]건설 전 콜로라도 강 삼각주 하구의 역사적 범위를 평가하기 위해 콜로라도 강 삼각주 조개 껍데기 내 O 대 O 비율 분석을 사용했다.

법의학

법의학의 최근 발전은 머리카락 가닥의 동위원소 분석이다.머리카락의 성장률은 월 9~11mm[24] 또는 연간 [25]15cm이다.인간의 머리카락은 주로 식생활, 특히 식수 [citation needed]섭취의 기능이다.음용수의 안정적인 동위원소 비율은 위치와 물이 스며드는 지질에 따라 달라집니다.87Sr, Sr 및 산소 동위원소 변화는 전 세계적으로 다르다.이러한 동위원소 비율의 차이는 머리카락이 자라면서 생물학적으로 우리 머리카락에서 '설정'되고, 따라서 머리카락 가닥의 분석에 의해 최근의 지리적 이력을 식별하는 것이 가능해졌다.예를 들어, 테러 용의자가 최근 특정 장소에 갔는지 여부는 머리카락 분석을 통해 확인할 수 있다.이 모발 분석은 DNA나 다른 전통적인 방법들이 답을 가져오지 않는 경우에 매우 [citation needed]인기 있는 비침습적 방법이다.

법의학 조사자는 동위원소 분석을 사용하여 폭발물의 두 개 이상의 샘플이 공통 기원이 되는지 여부를 판단할 수 있다.대부분의 고폭발물은 탄소, 수소, 질소, 산소 원자를 포함하고 있기 때문에 그들의 상대적 동위원소 함량을 비교하면 공통 기원의 존재를 알 수 있다.연구원들은 또한 C/13C 비율을 분석하면 특정 [citation needed]폭발물의 원산지를 찾을 수 있다는 것을 보여주었다.

안정적인 동위원소 분석은 약물 밀매 경로의 식별에도 사용되었다.동남아시아의 양귀비와 남서아시아의 양귀비는 동위원소 함량이 다르다.볼리비아에서 유래한 코카인과 [26]콜롬비아에서 유래한 코카인에 대해서도 마찬가지다.

트레이서빌리티

다음 항목도 참조하십시오.트레이서빌리티

안정적인 동위원소 분석은 식품,[27] 목재,[28] 환경 [29][30]내 질산염의 발생원 및 운명을 추적하는 데에도 사용되어 왔다.

지질학

주요 기사:동위원소 지구 화학

수문학

동위원소 수문학에서는 안정적인 물의 동위원소(H와 O)를 사용하여 생태계를 흐르는 물의 2원천, 나이 및 흐름 경로를 추정합니다.물의 안정적인 동위원소 구성을 변화시키는 주효과는 증발과 [31]응축이다.물 동위원소의 변동성은 하천과 강으로 가는 물의 원천, 증발 속도, 지하수 재충전 및 기타 수문학적 [32][33][34]과정을 연구하는 데 사용된다.

고생후학

얼음과 심해의 O 대 O의 비율은 온도에 따라 달라지며, 기후 변화를 재구성하기 위한 대용 수단으로 사용될 수 있다.빙하기와 같은 지구 역사의 추운 기간 동안, O는 약간 더 무겁고 더 느린 O를 남겨두고 먼저 차가운 바다에서 증발됩니다.따라서 주위 물에 용해된 산소를 탄소 및 칼슘과 결합하여 껍데기를 만드는 유라미페라 같은 유기체는 온도에 의존하는 O 대 O 비율을 통합합니다.이 유기체들이 죽었을 때, 그들은 해저에 자리를 잡으며, 4차기 [35]대부분에서 지구 기후 변화에 대한 길고 귀중한 기록을 보존합니다.마찬가지로, 육지의 얼음 코어는 더 무거운 O 동위원소의 증발을 위해 더 많은 에너지를 사용할 수 있기 때문에 따뜻한 기후 단계(간빙기) 동안 O에 비해 무거운 O로 농축된다.따라서 얼음 코어에 보존된 산소 동위원소 기록은 해양 [citation needed]퇴적물에 포함된 기록의 "거울"이다.

산소 동위원소는 4차 기간 동안 기후 변화에 대한 밀란코비치 사이클의 영향 기록을 보존하며, [citation needed]지구 기후에서 약 10만 년의 순환을 보여준다.

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