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.
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.
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).[2] 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).[3][4] Dins de les plantes C3, els processos que regulen els canvis en δ13C s'entenen bé, especialment a nivell de fulla,[5] però també durant la formació de la fusta.[6][7] 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[8] sobre els processos fisiològics d'arbres individuals i rodals forestals.[9] 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.[10] 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.
Exemple d'ús disòtop traçador. L'ús d'àtoms de carboni-13 permet determinar el mecanisme en la reacció de conversió 1,2- a 1,3-didehidrobenzè del fenil precursor d'arin substituït 1 a acenaftilè[12]
L'isòtop 14C és important per distingir els materials biosintetitzats dels fets per l'home. Els productes químics biogènics es deriven del carbonibiosfèric, 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.
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.[16][17] 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.[18] 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.[19] 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.[20] 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.[21] 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.[22][23] 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».[24]
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 salsdissoltes, 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.[25] Les signatures isotòpiques d'oxigen de mostres sòlides (orgàniques i inorgàniques) es mesuren normalment amb piròlisi i espectrometria de masses.[26] Els investigadors han d'evitar l'emmagatzematge inadequat o prolongat de les mostres per obtenir mesures precises.[26]
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.
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‰,[29][30] 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.[31][32]
Isòtops radiogènics
Isòtops del plom
El plom consta de quatre isòtops estables: 204Pb, 206Pb, 207Pb i 208Pb. Les variacions locals en el contingut d'urani/tori/plom provoquen una àmplia variació específica de la ubicació de les proporcions isotòpiques del plom de diferents localitats. El plom emès a l'atmosfera pels processos industrials té una composició isotòpica diferent del plom dels minerals. La combustió de la gasolina amb un additiu de tetraetilplom provoca la formació de partícules omnipresents riques en plom de la mida d'un micròmetre en el fum d'escapament dels cotxes; sobretot a les zones urbanes les partícules de plom artificials són molt més comunes que les naturals. Les diferències en el contingut isotòpic de les partícules que es troben en els objectes es poden utilitzar per a la geolocalització aproximada de l'origen de l'objecte.[25]
L'urani té una proporció d'isòtops relativament constant en totes les mostres naturals amb ~ 0,72% 235U unes 55 ppm234U (en equilibri secular amb el seu núclid pare 238U) i el balanç format per 238U. Les composicions isotòpiques que divergeixen significativament d'aquests valors són evidència que l'urani ha estat objecte d'esgotament o enriquiment d'alguna manera o que (una part d'ell) ha participat en una reacció de fissió nuclear. Si bé aquest últim és gairebé tan universal a causa de la influència humana com els dos primers, el reactor de fissió nuclear natural d'Oklo (Gabon), es va detectar mitjançant un desviament important de concentració de 235U en mostres d'Oklo en comparació amb les de tots els altres jaciments coneguts a la Terra. Tenint en compte que 235U és un material preocupant per la proliferació, ja que ara tots els proveïdors de combustible d'urani aprovats per l'OIEA fan un seguiment de la composició isotòpica de l'urani per assegurar-se que no se'n desvia amb finalitats nefastes. Així, es faria evident ràpidament si un altre dipòsit d'urani, a més d'Oklo, demostrés haver estat una vegada un reactor de fissió nuclear natural.
Aplicacions
Estudis arqueològics
En estudis arqueològics, s'han utilitzat proporcions d'isòtops estables per fer un seguiment de la dieta dins del període de temps de formació dels teixits analitzats (10-15 anys per al col·lagenossi i períodes intraanuals per a la bioapatita de l'esmalt dental) d'individus; «receptes» d'aliments (residus de recipients de ceràmica); llocs de cultiu i tipus de plantes cultivades (extraccions químiques de sediments); i migració d'individus (material dental).
Ciències forenses
Amb l'arribada de l'espectrometria de masses de proporcions d'isòtops (IRMS), les signatures isotòpiques dels materials troben un ús creixent en medicina forense, distingint l'origen de materials semblants i fent un seguiment dels materials fins a la seva font comuna. Per exemple, les signatures isòtopes de les plantes poden estar fins a cert punt influenciades per les condicions de creixement, inclosa la humitat i la disponibilitat de nutrients. En el cas dels materials sintètics, la signatura està influenciada per les condicions durant la reacció química. El perfil de signatura isotòpica és útil en casos en què altres tipus de perfils (com per exemple la caracterització de les impureses), no són òptimes. L'electrònica juntament amb detectors de centelleig s'utilitzen habitualment per avaluar signatures d'isòtops i identificar fonts desconegudes.
Es va publicar un estudi que demostra la possibilitat de determinar l'origen d'una cinta d'embalatge de PSA marró comú mitjançant l'ús de la signatura isotòpica de carboni, oxigen i hidrogen del polímer de suport, els additius i l'adhesiu.[33] La mesura de les proporcions isotòpiques del carboni es pot utilitzar per a la detecció de l'adulteració de la mel. L'addició de sucres originats a partir de blat de moro o canya de sucre (plantes C4) esbiaixeix la proporció isotòpica dels sucres presents a la mel, però no influeix en la proporció isotòpica de les proteïnes; en una mel no adulterada, les proporcions isotòpiques del carboni de sucres i proteïnes haurien de coincidir.[34] Es pot detectar un nivell d'addició tan baix com el 7%.[35]
Les empremtes isotòpiques s'utilitzen per estudiar l'origen dels materials al Sistema Solar.[37] Per exemple, les proporcions d'oxigen isotòpic de la Lluna semblen ser essencialment idèntiques a les de la Terra.[38] Les proporcions isotòpiques d'oxigen, que es poden mesurar amb molta precisió, donen una signatura única i diferent per a cada cos del Sistema Solar.[39] Diferents signatures isotòpiques d'oxigen poden indicar l'origen del material expulsat a l'espai.[40] La proporció d'isòtops del titani de la Lluna (50Ti/47Ti) sembla propera a la de la Terra (dins de 4 ppm).[41][42] El 2013, es va publicar un estudi que indicava que l'aigua del magma lunar era «indistingible» de les condrites carbonàcies i gairebé la mateixa que la de la Terra, basat en la composició dels isòtops d'aigua.[37][43]
L'evidència d'isòtops de sofre també s'ha utilitzat per corroborar el moment del Gran Esdeveniment d'Oxidació, durant el qual l'atmosfera de la Terra va experimentar un augment mesurable d'oxigen (al voltant del 9% dels valors moderns)[45] per primera vegada fa uns 2.300-2.400 milions d'anys. S'ha trobat que els fraccionaments d'isòtops de sofre independents de la massa estaven generalitzats en el registre geològic abans d'uns 2.450 milions d'anys, i des d'aleshores aquestes emprentes isotòpiques han cedit al fraccionament dependent de la massa, proporcionant una forta evidència que l'atmosfera va passar d'anòxica a oxigenada en aquest llindar.[46]
Se sap que els bacteris sulfat-reductors moderns redueixen favorablement el 32S més lleuger en lloc del 34S, i la presència d'aquests microorganismes pot alterar de manera mesurable la composició d'isòtops de sofre de l'oceà.[31] Com que els valors de δ34S dels minerals sulfurs estan influenciats principalment per la presència de bacteris sulfat-reductors,[47] l'absència de fraccionaments d'isòtops de sofre en els minerals sulfurs suggereix l'absència d'aquests processos bacterians o l'absència de sulfat disponible lliurement. Alguns han utilitzat aquest coneixement del fraccionament microbià del sofre per suggerir que els minerals (és a dir, la pirita) amb grans fraccionaments d'isòtops de sofre en relació amb la composició de l'aigua de mar inferida poden ser proves de vida.[48][49] Aquesta afirmació no és clara, però, i de vegades es contesta utilitzant proves geològiques dels minerals sulfurs de ~ 3,49 Ga trobats a la Formació de Dresser d'Austràlia Occidental, que es troba que tenen valors de δ34S tan negatius com -22‰.[50] Com que no s'ha demostrat que els minerals sulfurs i barita es formen en absència d'una entrada hidrotermal important, no és una evidència concloent de la vida o de la via de reducció del sulfat microbià a l'Arqueà.[51]
Adams, Thomas S.; Sterner, Robert W. «The effect of dietary nitrogen content on trophic level 15N enrichment» (en anglès). Limnol. Oceanogr., 45(3), 2000. Bibcode: 2000LimOc..45..601A. DOI: 10.4319/lo.2000.45.3.0601.
Blake, M. E.; Bartlett, K. L.; Jones, M. Jr. J. «A m-Benzyne to o-Benzyne Conversion Through a 1,2-Shift of a Phenyl Group» (en anglès). Am. Chem. Soc., 125, 2003.
Cabaneiro, Ana; Fernández, Irene «Disclosing biome sensitivity to atmospheric changes: Stable C isotope ecophysiological dependences during photosynthetic uptake in Maritime pine and Scots pine ecosystems from southwestern Europe» (en anglès). Environmental Technology & Innovation, 4, 2015. DOI: 10.1016/j.eti.2015.04.007. ISSN: 2352-1864.
Carter, James F.; Grundy, Polly L.; Hill, Jenny C.; Ronan, Neil C.; Titterton, Emma L. «Forensic isotope ratio mass spectrometry of packaging tapes» (en anglès). Analyst, 129(12), 2004. Bibcode: 2004Ana...129.1206C. DOI: 10.1039/b409341k. PMID: 15565219.
Cupples, A. M.; Shaffer, E. A.; Chee-Sanford, J. C.; Sims, G. K. «DNA buoyant density shifts during 15N DNA stable isotope probing» (en anglès). Microbiological Research, 162(4), 2007. DOI: 10.1016/j.micres.2006.01.016. PMID: 16563712.
Drake, Henrik; Roberts, Nick M. W.; Reinhardt, Manuel; Whitehouse, Martin; Ivarsson, Magnus «Biosignatures of ancient microbial life are present across the igneous crust of the Fennoscandian shield» (en anglès). Communications Earth & Environment, 2(1), juny 2021. DOI: 10.1038/s43247-021-00170-2. ISSN: 2662-4435.
Ewe, Sharon M. L.; Lobo Sternberg, Leonel da Silveira; Busch, David E «Water-use patterns of woody species in pineland and hammock communities of South Florida» (en anglès). Forest Ecology and Management, 118(1)-118(3), 1999. DOI: 10.1016/S0378-1127(98)00493-9. ISSN: 0378-1127.
Fernández, Irene; Cadisch, Georg «Discrimination against 13C during degradation of simple and complex substrates by two white rot fungi» (en anglès). Rapid Communications in Mass Spectrometry, 17(23), 2003. Bibcode: 2003RCMS...17.2614F. DOI: 10.1002/rcm.1234. ISSN: 0951-4198. PMID: 14648898.
Fernández, I.; Mahieu, N.; Cadisch, G. «Carbon isotopic fractionation during decomposition of plant materials of different quality» (en anglès). Global Biogeochemical Cycles, 17(3), 2003. Bibcode: 2003GBioC..17.1075F. DOI: 10.1029/2001GB001834. ISSN: 0886-6236.
Gómez Guerrero, Armando; Silva, Lucas C. R.; Barrera Reyes, Miguel; Kishchuk, Barbara; Velázquez Martínez, Alejandro «Growth decline and divergent tree ring isotopic composition (δ13C and δ18O) contradict predictions of CO2 stimulation in high altitudinal forests» (en anglès). Global Change Biology, 19(6), 2013. Bibcode: 2013GCBio..19.1748G. DOI: 10.1111/gcb.12170. ISSN: 1354-1013. PMID: 23504983.
González Martín, I.; Marqués Macías, E.; Sánchez Sánchez, J.; González Rivera, B. «Detection of honey adulteration with beet sugar using stable isotope methodology» (en anglès). Food Chemistry, 61(3), 1998. DOI: 10.1016/S0308-8146(97)00101-5.
Handley, L. L; Austin, A. T.; Stewart, G. R.; Robinson, D.; Scrimgeour, C.M. «The 15N natural abundance (δ15N) of ecosystem samples reflects measures of water availability» (en anglès). Aust. J. Plant Physiol., 26(2), 1999. DOI: 10.1071/pp98146. ISSN: 0310-7841.
Hobson, Keith A.; Alisauskas, Ray T.; Clark, Robert G. «Stable-Nitrogen Isotope Enrichment in Avian Tissues Due to Fasting and Nutritional Stress: Implications for Isotopic Analyses of Diet» (en anglès). The Condor, 95(2), 1993. DOI: 10.2307/1369361. JSTOR: 1369361.
Holland, Heinrich D «The oxygenation of the atmosphere and oceans» (en anglès). Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 361(1470), juny 2006. DOI: 10.1098/rstb.2006.1838. PMC: 1578726. PMID: 16754606.
Maberly, S. C.; Raven, J. A.; Johnston, A. M. «Discrimination between 12C and 13C by marine plants» (en anglès). Oecologia, 91(4), 1992, pàg. 481. DOI: 10.1007/BF00650320. JSTOR: 4220100.
Marsh, K. L.; Sims, G. K.; Mulvaney, R. L. «Availability of urea to autotrophic ammonia-oxidizing bacteria as related to the fate of 14C- and 15N-labeled urea added to soil» (en anglès). Biology and Fertility of Soils, 42(2), 2005. DOI: 10.1007/s00374-005-0004-2.
Radajewski, S.; McDonald, I. R.; Murrell, J. C. «Stable-isotope probing of nucleic acids: a window to the function of uncultured microorganisms» (en anglès). Current Opinion in Biotechnology, 14(3), 2003. DOI: 10.1016/s0958-1669(03)00064-8. PMID: 12849783.
Richards, M. P.; Trinkaus, E. «Isotopic evidence for the diets of European Neanderthals and early modern humans» (en anglès). Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(38), 2009. DOI: 10.1073/pnas.0903821106. PMC: 2752538. PMID: 19706482.
Saal, A. E.; Hauri, E. H.; Van Orman, J. A.; Rutherford, M. J. «Hydrogen Isotopes in Lunar Volcanic Glasses and Melt Inclusions Reveal a Carbonaceous Chondrite Heritage» (en anglès). Science, 340(6138), 2013. Bibcode: 2013Sci...340.1317S. DOI: 10.1126/science.1235142. PMID: 23661641.
Silva, Lucas C. R.; Anand, Madhur; Shipley, Bill «Probing for the influence of atmospheric CO2 and climate change on forest ecosystems across biomes» (en anglès). Global Ecology and Biogeography, 22(1), 2013. DOI: 10.1111/j.1466-8238.2012.00783.x. ISSN: 1466-822X.
Szpak, Paul; White, Christine D.; Longstaffe, Fred J.; Millaire, Jean-Francois; Vásquez Sánchez, Victor F. «Carbon and Nitrogen Isotopic Survey of Northern Peruvian Plants: Baselines for Paleodietary and Paleoecological Studies» (en anglès). PLOS One, 8(1), 2013. Bibcode: 2013PLoSO...853763S. DOI: 10.1371/journal.pone.0053763. PMC: 3547067. PMID: 23341996.
Tsang, Man-Yin; Yao, Weiqi; Tse, Kevin «Oxidized silver cups can skew oxygen isotope results of small samples» (en anglès). Experimental Results, 1, 2020. DOI: 10.1017/exp.2020.15. ISSN: 2516-712X.
Wacey, David; McLoughlin, Nicola; Whitehouse, Martin J.; Kilburn, Matt R. «Two coexisting sulfur metabolisms in a ca. 3400 Ma sandstone» (en anglès). Geology, 38(12), desembre 2010. Bibcode: 2010Geo....38.1115W. DOI: 10.1130/G31329.1. ISSN: 0091-7613.
Whitehead, N.; Endo, S; Tanaka, K.; Takatsuji, T.; Hoshi, M. «A preliminary study on the use of 10Be in forensic radioecology of nuclear explosion sites» (en anglès). Journal of Environmental Radioactivity, 99(2), 2008. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2007.07.016. PMID: 17904707.
![Exemple d'ús disòtop traçador. L'ús d'àtoms de carboni-13 permet determinar el mecanisme en la reacció de conversió 1,2- a 1,3-didehidrobenzè del fenil precursor d'arin substituït 1 a acenaftilè[12]](Fitxer:Benzyneconversioncolouredlabels.png)
