동위원소 시그니처

Isotopic signature

동위원소 시그니처(동위원소 지문)는 조사물질에서 특정 원소의 비방사성 '안정적 동위원소', 안정적인 방사성 동위원소 또는 불안정한 방사성 동위원소의 비율이다.표본물질의 동위원소 비율은 동위원소 표준물질에 대한 동위원소 비율 질량분석에 의해 측정된다.이 과정을 동위원소 분석이라고 한다.

안정 동위원소

서로 다른 동위원소의 원자 질량은 화학적 운동 거동에 영향을 미쳐 자연 동위원소 분리 과정을 이끈다.

탄소 동위원소

주요 기사 : §C13
조류군 ∙C범위13[1]
HCO를3 이용한 홍조류 -22.5 ~ -9.6 °C
CO사용2 홍조류 -34.5 ~ -29 。9‰
갈조류 -20.8 ~ -10.5 °C
녹조 -20.3 ~ -8 。8‰

예를 들어, 다른 메탄 공급원과 흡수원은 C와 C 동위원소에 대해 다른 친화력을 가지며, 이는 공기 중의 메탄에 있는 C/12C 비율에 따라 다른 공급원을 구별할 수 있게 한다.지구화학, 고기후학, 해양고학에서는 이 비율을 δC라고13 한다.이 비율은 Pe Dee Belemnite(PDB) 표준에 따라 계산됩니다.

C m (C / C n d - 1 ) \display style { { { { { { { } } _ { \{ sample } \ { \ ce { { / { { { { C } } { } { } } { } } } } 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000

마찬가지로, 무기 탄산염의 탄소는 동위원소 분화가 거의 이루어지지 않는 반면, 광합성에 의해 생성된 물질의 탄소는 무거운 동위원소로부터 고갈된다.또한 생화학 경로가 다른 식물에는 동위원소 분리 효과가 더 두드러지는 C3 탄소 고정, 무거운 C가 덜 고갈되는 C4 탄소 고정, 효과가 C 식물과4 비슷하지만 덜 두드러지는 Crassulacean Acid Metabassiate(CAM) 식물 두 종류가 있다.식물의 동위원소 분화는 물리적(원자량 증가로 인한 식물 조직 내 C의 느린 확산)과 생화학(두 가지 효소에 의한 C 선호)에 의해 발생한다.RuBisCO 및 포스포에놀피루브산카르복실화효소)[2]인자.식물의 두 종류의 다른 동위 원소 비율 먹이 사슬을 통해, 따라서 만약 동물이나 인간의 주요 식단 주로 C3식물(쌀, 밀, 콩, 감자)또는 C4식물들은 그들이 살과 뼈 콜라겐의 동위 원소 분석에 의해( 하지만, 산성 부식을 얻기 위해(옥수수, 혹은 곡식을 먹인 쇠고기)로 구성되어 있는지 여부를 확인할 수는 번식한다.e여러 연구에서 단순하고 복잡한 [3][4]기질의 생분해 중 유의한 C 식별이 보고되었기 때문에 정확한 측정, 탄소 동위원소 분류도 고려해야 한다.)C3 발전소 내에서는 특히 [5]잎 수준뿐만 아니라 목재 형성 [6][7]중 δC의13 변화를 조절하는 프로세스가 잘 이해된다.최근의 많은 연구는 잎 수준 동위원소 분화와 연간 목재 형성 패턴(즉, 나무 고리 δC13)을 결합하여 개별 나무와 [9]삼림대의 생리 과정에 대한 기후 변화와 대기 조성의[8] 영향을 정량화한다.적어도 지상 생태계에서 이해의 다음 단계는 식물, 토양, 대기 사이의 상호작용을 해독하고 토지 이용의 변화가 기후 [10]변화에 어떻게 영향을 미칠지를 예측하기 위한 여러 동위원소 프록시의 조합으로 보인다.마찬가지로, 해양 물고기는 민물고기보다 더 많은 C를 포함하고 있으며, 값은 각각 C와3 C 식물에4 가깝다.

이러한 유형의 발전소에서 탄소-13과 탄소-12 동위원소의 비율은 다음과 같다.[11]

  • C공장4 : -16 ~ -10 ℃
  • CAM 플랜트: -20 ~ -10 ℃
  • C공장3 : -33 ~ -24 ℃

대기 중 이산화탄소의 바닷물 침전에 의해 형성된 암석에는 정상 비율의 C가 포함되어 있다.반대로 소금 돔에서 발견되는 칼사이트는 석유의 산화에 의해 형성되는 이산화탄소에서 유래하며, 식물 유래 때문에 C-depleted이다.페름기 멸종 252Mya에서 퇴적된 석회암 층은 C/12C가 1% 하락한 것으로 확인할 수 있다.

C 동위원소는 생합성 물질과 인공 물질을 구별하는 데 중요하다.바이오제닉 화학물질은 C를 함유한 생물권 탄소에서 유래한다.인공적으로 만들어진 화학물질의 탄소는 보통 석탄이나 석유와 같은 화석 연료에서 추출되는데, 원래 존재하는 C는 검출 가능한 한계 이하로 부패했다.따라서 시료에 현재 존재하는 C의 양은 생물유래 탄소의 비율을 나타냅니다.

질소 동위원소

주요 기사 : nN15

질소-15(N)는 농업 및 의학 연구, 예를 들어 [12]메셀슨-스탈 실험에서 DNA 복제의 성격을 확립하는 데 사용된다.이 연구의 확장에 의해 DNA 기반의 안정 동위원소 탐사가 개발되어 [13][14]배양물 분리 없이 환경 내 미생물의 대사 기능과 분류학적 정체성 사이의 연관성을 조사할 수 있게 되었다.단백질은 예를 들어 SILAC와 같은 정량단백질학에서 질소의 유일한 공급원으로서 N을 포함한 배지에서 배양함으로써 동위원소적으로 라벨링할 수 있다.

질소-15는 환경 내 미네랄 질소 화합물(특히 비료)을 추적하는 데 광범위하게 사용된다.N은 다른 동위원소 라벨의 사용과 결합되었을 때 질소 유기 오염 [15][16]물질의 운명을 설명하는 매우 중요한 추적자이기도 하다.질소-15 추적은 생물 지구 화학에서 사용되는 중요한 방법이다.

안정적인 질소 동위원소인 N/14N 또는 δN의15 비율은 영양 수준에 따라 증가하는 경향이 있어 초식동물은 식물보다 질소 동위원소 값이 높고 육식동물은 초식동위원소 값이 높다.검사되는 조직에 따라 영양 [17]수준이 증가할 때마다 천 개당 3-4 파트가 증가하는 경향이 있습니다.따라서 채식주의자들의 조직과 털은 고기를 주로 먹는 사람들의 몸보다 훨씬 낮은 δN을15 함유하고 있다.마찬가지로, 육지 식단은 해양 식단과는 다른 특징을 낳는다.머리카락의 동위원소 분석은 고대 식단과 음식 자원에 [18]대한 다른 문화적 태도에 대한 단서를 제공하는 고고학자들에게 중요한 정보원입니다.

다른 여러 환경 및 생리학적 요인이 먹이 거미줄의 기초(식물) 또는 개별 동물 수준에서 질소 동위원소 구성에 영향을 미칠 수 있다.예를 들어 건조한 지역에서는 질소 순환이 더 '개방'되는 경향이 있으며, 토양과 식물의 [19]δN이15 증가하여 N이 손실되기 쉽다.이는 더 춥고 습한 [20]생태계에 비해 뜨겁고 건조한 생태계의 식물과 동물에서 상대적으로 높은 δN15 값을 초래한다.또한 상승된 δN은15 장기간의 수분 스트레스 조건 또는 불충분한 단백질 [21][22]섭취 하에서 체내 이미 농축된 15N 조직의 우선 배설 및 재사용과 관련이 있다.

또한15 대기 및 표면 물질에 나타나는 비율이 물질이 [23]형성되는 조건과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 행성 과학에서 N은 진단 도구를 제공합니다.

산소 동위원소

주요 기사 : ★O18】

산소는 세 가지 종류가 있지만 O는 매우 드물기 때문에 검출이 매우 어렵습니다(~0.04% 풍부).[24]물 16속 O/O의 비율은 물이 경험하는 증발량에 따라 달라집니다(O가 무거우므로 기화 가능성이 낮습니다).증기장력은 용존염 농도에 따라 달라지므로 O/16O비는 물의 염도와 온도에 상관관계를 나타낸다.산소가 탄산칼슘을 분비하는 유기체의 껍질에 내장되면서, 그러한 퇴적물은 그 지역의 물의 온도와 염도에 대한 연대기적 기록을 증명합니다.

대기 중 산소 동위원소 비율은 1년 중 시기 및 지리적 위치에 따라 예측 가능하게 변화한다. 예를 들어 몬태나의 O-리치 강수량과 플로리다 키스의 O-리치 강수량 사이에는 2%의 차이가 있다.이 변동성은 물질의 원산지 지리적 위치를 대략적으로 결정하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 산화우라늄이 어디에서 생산되었는지를 결정하는 것이 가능하다.환경과의 표면 동위원소 교환 속도를 [25]고려해야 한다.

고체 샘플(유기 및 무기)의 산소 동위원소 신호는 보통 열분해 및 질량 [26]분석으로 측정된다.연구자들은 정확한 [26]측정을 위해 검체를 부적절하거나 장기간 보관하지 않도록 해야 합니다.

황 동위원소

주요 기사 : sS34, 황의 동위원소

황은 S, S, S, S 등 4개의 안정 동위원소를 가지고 있는데, 그 중 S가 가장 많은 이유는 황이 초신성에서 매우 흔한 C에 의해 생성되기 때문이다.황 동위원소 비율은 거의 항상 S에 대한 비율로 표시되는데, 이는 이 주요 상대적 풍부함(95.0%) 때문이다.황 동위원소 분류는 다른 안정 동위원소보다 풍부(4.25%)하기 때문에 일반적으로 δS34 단위로 측정되지만 δS도33 측정되기도 한다.황 동위원소 비율의 차이는 주로 반응과 변환 중 운동 분화에 의해 존재하는 것으로 생각된다.

황 동위원소는 일반적으로 표준으로 측정된다. 1993년 이전에는 S:34S가 22.220인 Canyon Diablo Troilite 표준(CDT의 약자)이 표준 소재와 동위원소 눈금의 영점으로 사용되었다.1993년부터 빈-CDT 규격이 제로 포인트로 사용되고 있으며, 황 동위원소 측정의 기준 물질로 사용되는 것은 여러 가지가 있다.이 표준에서 측정한 자연 작용에 의한 유황 분류는 다음 방정식으로 계산한 -72 µ ~ +147 [27][28]µ 사이에 존재하는 것으로 나타났다.

천연 황 동위원소 값
내추럴 소스 § S34 범위
석유[29] -32 ~ -8 °C
강물[30] - 8 ~ 10 °C
달암[30] -2 ~ 2.5 °C
운석[30] 0 ~ 2 °C
바닷물[30] 17 ~ 20 °C
가장 관련성이 높은 황 동위원소
동위원소 풍부 반감기
32S. 94.99% 안정적인.
33S. 0.75% 안정적인.
34S. 4.25% 안정적인.
35S. 0.1% 미만 87.4일
36S. 0.01% 안정적인.

산화환원 활성 원소로서, 황은 산소 [31][32]위기로 인해 야기된 대기 산화환원 상태의 변화를 반영하는 해양 증발물과 같은 지구 역사 전반에 걸쳐 화학 변화를 기록하는 데 유용할 수 있습니다.

방사성 동위원소

납 동위원소

납은 Pb, Pb, Pb, Pb의 4가지 안정 동위원소로 구성됩니다.우라늄/토륨/납 함량의 국소적 변화는 다른 국소로부터의 납에 대한 동위원소 비율의 광범위한 위치 특이적 변화를 야기한다.산업공정에 의해 대기에 방출되는 납은 광물의 납과 다른 동위원소 조성을 가진다.휘발유를 테트라에틸납 첨가제로 연소시키면 자동차 배기가스 매연에 유비쿼터스 마이크로미터 크기의 납이 풍부한 미립자가 형성되었습니다. 특히 도시 지역에서는 천연 납 입자에 비해 인공 납 입자가 훨씬 더 흔합니다.물체에서 발견된 입자의 동위원소 함량 차이는 물체의 [25]근원의 대략적인 지리 위치에 사용할 수 있습니다.

방사성 동위원소

뜨거운 입자, 핵 낙진 및 방사성 폐기물의 방사성 입자 또한 뚜렷한 동위원소 신호를 나타낸다.방사성핵종 구성(따라서 나이와 발생원)은 질량분석 또는 감마분석으로 판단할 수 있다.예를 들어 핵폭발로 생성된 입자는 검출 가능한 양의 Co와 Eu를 포함한다.체르노빌 사고는 이 입자들을 방출하지 않았지만 Sb와 Ce를 방출했다.수중 폭발로 인한 입자는 대부분 조사된 바다 소금으로 구성됩니다.핵융합 및 핵분열 핵무기의 Eu/155Eu, Eu/155Eu, 239Pu/Pu의 비율도 달라 기원을 알 수 없는 뜨거운 입자를 식별할 수 있다.

우라늄은 ~0.72%로 모든 자연 샘플에서 상대적으로 끊임 없는 동위 원소 비율이 235U가 55개 ppm234U(그것의 parent핵종 238U과 영년 평형에)그리고 대차를 만들었습니다에 의해 238U.Isotopic 구성은 의견이 갈려 크게에서 그러한 가치 있는 증거의 우라늄을 하고 주제에 고갈 또는 농축 실험에서 몇몇 패션.또는(부분핵분열 반응에 참여했다는 것을 알게 되었습니다.후자는 거의 전자와 마찬가지로 인간의 영향 때문이지만, 가봉의 Oklo의 자연 핵분열 원자로는 Oklo의 샘플에서 지구상의 다른 모든 알려진 퇴적물과 비교하여 U 농도의 유의한 전환을 통해 검출되었다.U는 현재 IAEA가 승인한 우라늄 연료의 모든 공급자가 우라늄의 동위원소 조성을 추적하여 악의적 목적으로 전용되는 물질이 없음을 보장하고 있다.따라서 Oklo 외에 또 다른 우라늄 광상이 한때 천연 핵분열 원자로였던 것으로 입증된다면 그것은 곧 명백해질 것이다.

적용들

고고학 연구

고고학적 연구에서 안정적인 동위원소 비율은 개인의 분석된 조직(골 콜라겐의 경우 10-15년, 치아 에나멜 바이오아파타이트의 경우 연내 기간) 내 식단을 추적하기 위해 사용되었다. 식품(세라믹 용기 잔류물)의 "수취"; 재배 위치와 식물 유형(화학적 외부)퇴적물로부터의 티온(tions) 및 개체 이동(물질 이동).[citation needed]

법의학

안정적인 동위원소 비율 질량 분석의 등장으로, 물질의 동위원소 서명은 법의학에서 사용이 증가하여 유사한 물질의 기원을 구별하고 공통 선원으로 물질을 추적한다.예를 들어 식물의 동위원소 신호는 수분과 영양소 가용성을 포함한 성장 조건에 의해 어느 정도 영향을 받을 수 있다.합성물질의 경우 화학반응 시 조건에 의해 시그니처가 영향을 받는다.동위원소 시그니처 프로파일링은 불순물의 특성화 등 다른 종류의 프로파일링이 최적이 아닌 경우에 유용합니다.섬광기 검출기와 결합된 전자장치는 동위원소 서명을 평가하고 알려지지 않은 선원을 식별하기 위해 정기적으로 사용된다.

바탕 폴리머, 첨가제 및 [33]접착제의 탄소, 산소 및 수소 동위원소 서명을 사용하여 일반적인 갈색 PSA 포장 테이프의 기원을 확인할 수 있는 가능성을 보여주는 연구가 발표되었습니다.

꿀의 혼입 검출에는 탄소 동위원소 비율 측정을 이용할 수 있다.옥수수 또는 사탕수수(C4 식물)에서 유래한 설탕의 첨가는 꿀에 존재하는 설탕의 동위원소 비율을 왜곡시키지만 단백질의 동위원소 비율에는 영향을 미치지 않는다. 혼합되지 않은 꿀에서는 설탕과 단백질의 탄소 동위원소 비율이 [34]일치해야 한다.최소 7%의 덧셈을 [35]검출할 수 있습니다.

핵폭발은 빠른 중성자와 공기 중의 이산화탄소 중 C의 반응에 의해 형성된다.이는 핵실험장에서의 [36]과거 활동을 보여주는 과거 지표 중 하나이다.

태양계 기원

주요 기사:달의 기원

동위원소 지문은 태양계의 [37]물질의 기원을 연구하는데 사용된다.예를 들어, 달의 산소 동위원소 비율은 기본적으로 지구와 [38]동일한 것으로 보인다.매우 정밀하게 측정될 수 있는 산소 동위원소 비율은 각 태양계 [39]본체에 대해 독특하고 뚜렷한 신호를 제공합니다.다른 산소 동위원소 신호는 우주로 [40]배출되는 물질의 기원을 나타낼 수 있습니다.달의 티타늄 동위원소 비율(50Ti/47Ti)은 지구의 비율([41][42]4ppm 이내)에 근접한 것으로 보인다.2013년, 달 마그마의 물은 탄소질 콘드라이트와 구별할 수 없으며 물 [37][43]동위원소의 조성에 근거해 지구와 거의 비슷하다는 연구 결과가 발표되었습니다.

지구상의 초기 생명체에 대한 기록

주요 기사:생명의 진화사 연대표

동위원소 생물 지구 화학은 지구상의 생명체와 생명체의 초기 반복을 둘러싼 연대를 조사하는데 사용되어 왔다.퇴적물에 보존된 전형적인 생명체의 동위원소 지문은 38억 5천만 년 전에 [44]이미 지구에 생명체가 존재했다는 것을 암시하기 위해 사용되었지만 반드시 입증할 필요는 없다.

황 동위원소 증거는 또한 약 23억-24억 년 전에 처음으로 측정 가능한 산소 증가(현대[45] 값의 약 9%)를 경험했던 대산화 사건의 시기를 확증하기 위해 사용되었다.질량 비의존성 황 동위원소 분류는 약 24억 5천만 년 전에 지질학 기록에서 널리 행해진 것으로 밝혀졌으며, 이러한 동위원소 표식은 질량 의존적 분류로 바뀌어 대기가 무산소에서 [46]산소로 전환되었다는 강력한 증거를 제공한다.

현대의 황산염 환원 박테리아는 S 대신 가벼운 S를 감소시키는 것으로 알려져 있으며,[31] 이러한 미생물의 존재는 바다의 황 동위원소 조성을 현저하게 변화시킬 수 있다.황화물 광물의 δS34 값은 주로 황산 [47]환원세균의 존재에 의해 영향을 받기 때문에 황화물 광물에 황 동위원소 분화가 없는 것은 이러한 세균 작용이 없거나 자유롭게 이용할 수 있는 황산염이 없음을 의미한다.일부는 미생물 황 분화에 대한 지식을 사용하여 추정된 해수 성분과 비교하여 황 동위원소 분화가 큰 광물(황철광)이 생명체의 [48][49]증거일 수 있음을 시사했다.그러나 이러한 주장은 명확하지 않으며, 때때로 서호주 드레서 층에서 발견된 황화물 약 3.49 Ga 광물의 지질학적 증거를 사용하여 논쟁되기도 한다. 황화물 광물은 δS34 값이 [50]-22만큼 음의 것으로 밝혀졌다.황화물과 바라이트 광물이 주요 열수 투입이 없을 때 형성되었다는 것이 입증되지 않았기 때문에,[51] 그것은 생명체나 시생대 미생물 황산염 환원 경로의 결정적인 증거가 아니다.

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