¿Qué es un espectrómetro de masas con relación isotópica?

Un espectrómetro de masas con relación de isótopos (IRMS) es un instrumento que mide las relaciones de diferentes isótopos de elementos particulares. Todos los elementos tienen isótopos que difieren entre sí solo en la cantidad de neutrones en el núcleo, dándoles diferentes pesos atómicos. El principio detrás del espectrómetro de masas de relación isotópica es diferenciar los isótopos en función de sus diferentes masas y determinar las relaciones entre pares de isótopos. Este dispositivo puede proporcionar información vital sobre la edad y el origen de una muestra de material. El espectrómetro de masas con relación de isótopos tiene aplicaciones en muchas áreas, incluyendo geología, biología y ciencias forenses.

El diseño de los espectrómetros de masas con relación isotópica puede variar, pero en general, siguen los mismos principios básicos. Habrá una entrada donde se introduce la muestra, lo que lleva a una cámara de combustión donde el material se convierte en un gas, posiblemente con algunos medios para separar los diferentes gases que se pueden producir. Esta etapa también convierte materiales biológicos complejos en los compuestos simples necesarios para el análisis, como el dióxido de carbono (CO ₂ ), el agua (H ₂ O) y el nitrógeno (N ₂ ). El gas resultante se alimenta a una cámara de ionización donde es ionizado por un haz de electrones. Luego, el gas ionizado se enfoca como un haz en un área de separación de masa, donde se usa un electroimán para desviar los iones, de modo que los diferentes isótopos se separen de acuerdo con sus masas.

Después de pasar por el área de separación de masa, los iones alcanzan los colectores que generan señales eléctricas proporcionales al número de iones detectados. Los iones de los isótopos más ligeros habrán sido desviados más por el campo magnético que los más pesados, por lo que los colectores se colocarán en consecuencia. Por lo tanto, se pueden calcular las proporciones relativas de diferentes isótopos.

Las muestras deben prepararse antes de introducirse en el espectrómetro de masas con relación isotópica. En el caso de sustancias biológicas, por ejemplo, las muestras pueden estar en forma de hojas, tierra u otro material no homogéneo. El material sólido generalmente se secará y se triturará en un polvo fino. Las muestras líquidas se secarán o se absorberán sobre material sólido poroso. Antes de llevar a cabo un análisis de relación de isótopos, generalmente se realizará la calibración utilizando materiales de elementos conocidos y relaciones de isótopos.

Las relaciones generales de isótopos estables de cualquier elemento dado en la Tierra se fijaron en el momento de la formación del planeta. Aunque diferentes isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas, otros factores como la movilidad y la volatilidad están influenciados por las masas de los isótopos. Debido a estas diferencias, varios procesos geoquímicos y bioquímicos pueden concentrar o agotar isótopos particulares en relación con sus valores de fondo, un fenómeno conocido como fraccionamiento isotópico. Por ejemplo, la fotosíntesis da como resultado un agotamiento pequeño pero significativo del isótopo carbono-13 en relación con la atmósfera.

Las diferencias en las proporciones de isótopos de elementos como el carbono, el oxígeno, el nitrógeno y otros pueden proporcionar información importante sobre el origen y la historia de una muestra. Es posible utilizar un espectrómetro de masas con relación de isótopos para determinar si un material es de origen orgánico e incluso, en algunos casos, para determinar el área geográfica donde se originó. Esto puede ser de utilidad en la ciencia forense. Por ejemplo, las muestras de drogas ilegales se remontan a sus orígenes y las muestras de suelo tomadas de un sospechoso se pueden comparar isotópicamente con las de la escena del crimen.

Como la temperatura y la precipitación pueden influir en el fraccionamiento isotópico, la espectrometría de masas con relación isotópica se puede utilizar para investigar el clima de la Tierra en tiempos pasados. Las tasas de absorción y deposición de isótopos de carbono y oxígeno por los organismos marinos que forman conchas varían según el clima. Las proporciones de isótopos de restos fosilizados de estos organismos se pueden utilizar para obtener información sobre las condiciones climáticas cuando estaban vivos.

En geología, la datación radiométrica es una aplicación importante para el espectrómetro de masas con relación isotópica. Las relaciones de isótopos de ciertos elementos metálicos se pueden usar para determinar la edad de una muestra de roca. Cuando se forma roca, contendrá algunos isótopos radiactivos. Estos se descomponen en otros isótopos, ya sea del mismo elemento o, más comúnmente, un elemento diferente, a una velocidad conocida. La relación del isótopo original - o “padre” - con respecto al producto de descomposición - o “isótopo hija” - se puede usar para determinar la edad de la roca.