Un isòtop traçador (marcador isotòpic o emprenta isotòpica) és una proporció d'isòtops no radiogènics estables, isòtops radiogènics estables, o isòtops radioactius inestables d'elements concrets en un material investigat. Les proporcions d'isòtops d'un material de mostra es mesuren mitjançant espectrometria de masses de proporcions d'isòtops contra un material de referència isotòpic. Aquest procés s'anomena anàlisi isotòpica.
En aquesta tècnica, un o més àtoms de la molècula d'interès se substitueixen per un àtom del mateix element químic, però d'un isòtop diferent (com ara un isòtop radioactiu utilitzat en el marcatge radioactiu). Atès que l'àtom «marcat» té el mateix nombre de protons, es comportarà gairebé de la mateixa manera que l'àtom no marcat i, amb poques excepcions, no interferirà amb la reacció que es vol investigar. No obstant això, la diferència en el nombre de neutrons implica que serà possible detectar-ho de manera diferent que els altres àtoms del mateix element.
Isòtops estables La massa atòmica dels diferents isòtops afecta el seu comportament cinètic químic, donant lloc a processos naturals de separació d'isòtops.
Isòtops del carboni
Per exemple, diferents fonts i embornals de metà tenen una afinitat diferent pels isòtops 12C i 13C, la qual cosa permet distingir entre diferents fonts per la relació 13C/12C en metà a l'aire. En geoquímica, paleoclimatologia i paleoceanografia aquesta relació s'anomena δ13C. La relació es calcula respecte a l'estàndard Pee Dee Belemnite (PDB):
‰
De la mateixa manera, el carboni dels carbonats inorgànics mostra poc fraccionament isotòpic, mentre que el carboni dels materials originats per la fotosíntesi s'esgota dels isòtops més pesats. A més, hi ha dos tipus de plantes amb diferents vies bioquímiques; la fixació del carboni C3, on l'efecte de separació d'isòtops és més pronunciat, la fixació del carboni C4, on el 13C més pesat està menys esgotat, i les plantes de metabolisme àcid de les crassulàcies (CAM), on l'efecte és similar però menys pronunciat que amb les plantes C4. Grup d'algues Rang δ13C HCO3- usant algues vermelles −22.5‰ a −9.6‰ CO2- usant algues vermelles −34.5‰ a −29.9‰ Algues marrons −20.8‰ a −10.5‰ Algues verdes −20.3‰ a −8.8‰ El fraccionament isotòpic a les plantes és causat per factors físics (difusió més lenta del 13C als teixits vegetals a causa de l'augment del pes atòmic) i bioquímics (preferència del 12C per dos enzims: RuBisCO i fosfoenolpiruvat carboxilasa). Les diferents proporcions d'isòtops per als dos tipus de plantes es propaguen a través de la cadena alimentària, per la qual cosa és possible determinar si la dieta principal d'un humà o animal consisteix principalment en plantes C3 (arròs, blat, soia, patates) o plantes C4 (blat de moro o vedella alimentada amb blat de moro) mitjançant l'anàlisi d'isòtops del seu col·lagen de carn i ossos (no obstant això, per obtenir determinacions més precises, també s'ha de tenir en compte el fraccionament isotòpic del carboni, ja que diversos estudis han informat una discriminació significativa del 13C durant la biodegradació de substrats). Dins de les plantes C3, els processos que regulen els canvis en δ13C s'entenen bé, especialment a nivell de fulla, però també durant la formació de la fusta. Molts estudis recents combinen el fraccionament isotòpic a nivell de fulla amb patrons anuals de formació de fusta (és a dir, el δ13C de l'anell de l'arbre) per quantificar els impactes de les variacions climàtiques i la composició atmosfèrica sobre els processos fisiològics d'arbres individuals i rodals forestals. La següent fase de comprensió, almenys en els ecosistemes terrestres, sembla ser la combinació de múltiples mesures isotòpics per desxifrar les interaccions entre plantes, sòls i atmosfera, i predir com els canvis en l'ús del sòl afectaran el canvi climàtic. De la mateixa manera, els peixos marins contenen més 13C que els peixos d'aigua dolça, amb valors aproximats a les plantes C4 i C3 respectivament.
La proporció d'isòtops de carboni-13 i carboni-12 en aquest tipus de plantes és la següent: Plantes C4 : -16 a -10 ‰ Plantes CAM : -20 a -10 ‰ Plantes C3 : -33 a -24 ‰
Les pedres calcàries formades per la precipitació als mars del diòxid de carboni atmosfèric contenen una proporció normal de 13C. Per contra, la calcita que es troba als doms de sal prové del diòxid de carboni format per l'oxidació del petroli, que pel seu origen vegetal està esgotat en 13C. La capa de pedra calcària dipositada a l'extinció del Pèrmic (252 Ma) es pot identificar per la caiguda de l'1% en la relació 13C/12C.
L'isòtop 14C és important per distingir els materials biosintetitzats dels fets per l'home. Els productes químics biogènics es deriven del carboni biosfèric, que conté 14C. El carboni en els productes químics fabricats artificialment es deriva generalment de combustibles fòssils com el carbó o el petroli, on el 14C present originalment s'ha desintegrat per sota dels límits detectables. Per tant, la quantitat de 14C present actualment en una mostra indica la proporció de carboni d'origen biogènic.
Isòtops del nitrogen
El nitrogen-15, o 15N, s'utilitza sovint en investigacions agrícoles i mèdiques, per exemple en l'experiment de Meselson i Stahl per establir la naturalesa de la replicació de l'ADN. Una extensió d'aquesta investigació va donar lloc al desenvolupament d'un sondeig d'isòtops estables basat en l'ADN, que permet examinar els vincles entre la funció metabòlica i la identitat taxonòmica dels microorganismes del medi, sense necessitat d'aïllar el cultiu. Les proteïnes es poden marcar isotòpicament cultivant-les en un medi que conté 15N com a única font de nitrogen, per exemple, en proteòmica quantitativa com SILAC.
El nitrogen-15 s'utilitza àmpliament per localitzar compostos de nitrogen mineral (especialment fertilitzants) al medi ambient. Quan es combina amb l'ús d'altres etiquetes isotòpiques, el 15N també és un traçador molt important per descriure el destí dels contaminants orgànics nitrogenats. El traçat de nitrogen-15 és un mètode important utilitzat en biogeoquímica.
La proporció d'isòtops estables de nitrogen, 15N/14N o δ15N, tendeix a augmentar amb el nivell tròfic, de manera que els herbívors tenen valors d'isòtops de nitrogen més alts que les plantes, i els carnívors tenen valors d'isòtops de nitrogen més alts que els herbívors. Depenent del teixit que s'examini, tendeix a haver-hi un augment de 3-4 parts per mil amb cada augment del nivell tròfic. Per tant, els teixits i els cabells dels vegans contenen δ15N significativament més baix que els cossos de les persones que mengen principalment carn. De la mateixa manera, una dieta terrestre produeix una signatura diferent a la d'una dieta marina. L'anàlisi isotòpica del cabell és una font important d'informació per als arqueòlegs, que proporciona pistes sobre les antigues dietes i les diferents actituds culturals davant les fonts d'aliments. Una sèrie d'altres factors ambientals i fisiològics poden influir en la composició isotòpica del nitrogen a la base de la xarxa tròfica (és a dir, a les plantes) o a nivell d'animals individuals. Per exemple, a les regions àrides, el cicle del nitrogen tendeix a ser més «obert» i propens a la pèrdua de 14N, augmentant δ15N en sòls i plantes. Això condueix a valors de δ15N relativament alts en plantes i animals en ecosistemes càlids i àrids en relació amb els ecosistemes més freds i humits. A més, l'elevat δ15N s'ha relacionat amb l'excreció preferent de 14N i la reutilització de teixits de 15N ja enriquits al cos en condicions d'estrès hídric prolongat o amb una ingesta insuficient de proteïnes. δ15N també proporciona una eina de diagnòstic en ciència planetària, ja que la proporció que s'exhibeix a les atmosferes i els materials superficials «està estretament lligada a les condicions en què es formen els materials».
Isòtops de l'oxigen
L'oxigen es presenta en tres variants, però el 17O és tan rar que és molt difícil de detectar (~0,04% abundant). La proporció de 18O/16O a l'aigua depèn de la quantitat d'evaporació que va experimentar l'aigua (ja que el 18O és més pesat i, per tant, és menys probable que es vaporitzi). Com que la tensió del vapor depèn de la concentració de sals dissoltes, la relació 18O/16O mostra una correlació amb la salinitat i la temperatura de l'aigua. A mesura que l'oxigen s'incorpora a les cloïsses dels organismes secretors de carbonat de calci, aquests sediments demostren un registre cronològic de la temperatura i la salinitat de l'aigua de la zona.
La proporció d'isòtops d'oxigen a l'atmosfera varia de manera previsible amb l'època de l'any i la ubicació geogràfica; per exemple, hi ha una diferència del 2% entre la precipitació rica en 18O a Montana i la precipitació esgotada en 18O als Keys de Florida. Aquesta variabilitat es pot utilitzar per a la determinació aproximada de la ubicació geogràfica d'origen d'un material; per exemple, és possible determinar on es va produir un enviament d'òxid d'urani. S'ha de tenir en compte la taxa d'intercanvi d'isòtops de superfície amb l'entorn. Les signatures isotòpiques d'oxigen de mostres sòlides (orgàniques i inorgàniques) es mesuren normalment amb piròlisi i espectrometria de masses. Els investigadors han d'evitar l'emmagatzematge inadequat o prolongat de les mostres per obtenir mesures precises.
Isòtops del sofre
+Isòtops del sofre més rellevantsIsòtopAbundànciaSemivida32S94.99%Estable33S0.75%Estable34S4.25%Estable35S<0.1%87.4 dies36S0.01%Estable El sofre té quatre isòtops estables, 32S, 33S, 34S i 36S, dels quals el 32S és el més abundant per un gran marge a causa del fet que és creat pel 12C molt comú a les supernoves. Les proporcions d'isòtops de sofre s'expressen gairebé sempre com a relacions relatives a 32S a causa d'aquesta gran abundància relativa (95,0%). Els fraccionaments d'isòtops de sofre es mesuren normalment en termes de δ34S a causa de la seva major abundància (4,25%) en comparació amb els altres isòtops estables de sofre, tot i que de vegades també es mesura δ33S. Es creu que les diferències en les proporcions d'isòtops de sofre existeixen principalment a causa del fraccionament cinètic durant les reaccions i transformacions. <div style=display:inline-table> +Valors d'isòtops naturals de sofreFont naturalRang δ34SPetroli -32‰ a -8‰Aigua de riu -8‰ a 10‰Roques lunars -2‰ a 2.5‰Meteorits0‰ a 2‰Aigua de mar17‰ a 20‰ Els isòtops de sofre es mesuren generalment contra estàndards; abans de 1993, l'estàndard de troilita de Canyon Diablo (abreujat a CDT), que té un 32S/34S igual a 22.220, s'utilitzava tant com a material de referència com com a punt zero per a l'escala isotòpica. Des de 1993, l'estàndard Vienna-CDT s'ha utilitzat com a punt zero, i hi ha diversos materials utilitzats com a materials de referència per a les mesures d'isòtops de sofre. S'ha demostrat que els fraccionaments de sofre per processos naturals mesurats amb aquests estàndards existeixen entre -72‰ i +147‰, tal com es calcula mitjançant l'equació següent:
Com a element molt redox-actiu, el sofre pot ser útil per registrar els principals esdeveniments que alteren la química al llarg de la història de la Terra, com les evaporites marines que reflecteixen el canvi en l'estat redox de l'atmosfera provocat per la Catàstrofe de l'oxigen.
Isòtops radiogènics Isòtops del plom