Los isótopos estables
Muchos elementos de la Tabla Periódica y entre ellos, el
H, C, N, O y S, poseen dos o más isótopos (núclidos de diferente masa pero
idéntica configuración electrónica)
“estables” que no participan en ningún proceso de
desintegración nuclear, de ahí su nombre. Estos elementos (y sus isótopos) se
encuentran ampliamente distribuidos por la litosfera, hidrosfera, biosfera y
atmósfera en forma de diferentes moléculas, constituyendo unos excelentes
trazadores naturales de los procesos fisicoquímicos que ocurren en la
naturaleza.
En los isótopos estables, las diferencias de masa son lo
suficientemente grandes como para que las características físicas y químicas de
las moléculas que los contienen, sean ligeramente diferentes. El ejemplo más
clásico es el de la presión de vapor de una molécula de agua que contiene los
isótopos pesados de oxígeno e hidrógeno (18O y 2H), que es ligeramente inferior
a la de aquella que contiene los ligeros (16O y 1H). Al evaporarse, las
moléculas que pasarán primero a vapor serán aquellas más “ligeras” (1H1H 16O).
En la naturaleza tienen lugar muchos procesos
fisicoquímicos (incluyendo las reacciones enzimáticas) que determinan la forma
en que los isótopos se reparten entre diferentes sustancias o entre diferentes
fases de una misma sustancia, y a esto se le conoce como fraccionamiento isotópico.
Estas diferencias pueden medirse mediante la Espectrometría de Masas de Razones
Isotópicas (IRMS o GIRMS, en sus siglas inglesas) en lo que denominamos
estudios de abundancia natural.
La espectrometría de masas de razones
isotópicas
El análisis de los isótopos estables se realiza en forma
de moléculas gaseosas del tipo
H2, CO2, N2 o SO2 que son introducidas en el
espectrómetro de masas. Por lo tanto, se requiere siempre de un proceso
analítico previo que transforme la materia a analizar en estas moléculas. Para
ello existen diferentes procedimientos que han ido cambiando a lo largo de la
historia y que dependen del tipo de muestra, pero que podrían dividirse en dos
grandes grupos:
a) sistemas “off-line” de extracción
en vacío que se caracterizan porque el gas final se recoge en un portamuestras
que es llevado posteriormente al espectrómetro. Requieren gran cantidad de
muestra y están poco automatizados.
b) sistemas “on-line” que se
diferencian en que el gas se introduce en el espectrómetro a la vez que se
produce, de tal forma que el sistema de preparación y el de medida están unidos
y trabajan simultáneamente. Necesitan menos muestra y están altamente automatizados.
El diseño básico de un espectrómetro
de masas ha cambiado poco desde sus inicios en la primera mitad del siglo
pasado, aunque los avances técnicos permiten cada vez mejores precisiones y
exactitudes con menores cantidades de muestra. Consta de una fuente de
ionización por impacto electrónico, un tubo de vuelo con analizador magnético y
un sistema colector de iones.
La fuente de ionización produce un
chorro de electrones que al chocar con las moléculas originan cationes
monovalentes, los cuales son extraídos y aceleradas mediante potenciales
crecientes (3Kv) y dirigidos hacia el campo magnético donde el haz único será
separado en otros tantos según las diferentes masas moleculares.
Finalmente, los iones de cada uno de
estos haces separados, impactan en Copas de Faraday dispuestas en posiciones
fijas. En cada impacto, el catión toma el electrón necesario para neutralizarse
y este potencial eléctrico producido se neutraliza al pasar por una resistencia
de precisión conectada a tierra.
Un elevado vacío en todo el sistema (superior a 10-6 mbar.)
garantiza que el recorrido de los iones esté libre de posibles impactos. El
sistema, en su conjunto, debe asegurar una alta sensibilidad y linealidad, que
se obtiene mediante una elevada eficiencia en la ionización y extracción (con
alta presión de gas) y una buena separación y focalización del analizador magnético
para que ningún ión impacte fuera de las copas.
Existen dos tipos diferentes de Espectrómetros:
Espectrómetros
de Doble Ingreso: en los que ambos gases se miden alternativamente
durante un número determinado de veces consiguiéndose la mejor precisión analítica
posible. Ambos gases se deben introducir en la fuente de ionización manteniendo
el mismo flujo iónico, lo que se consigue variando la presión del contenedor
variable o below donde se
alojan. Dos capilares de admisión aseguran que dicho flujo sea viscoso lo que
minimiza los posibles fraccionamientos.
Espectrómetros
de Flujo Continuo: la introducción tanto de la muestra como del gas de
referencia se hace inmersos en un flujo de He que actúa como gas portador o de arrastre.
Este flujo de He conlleva un vacío mucho menor en el sistema y una menor precisión
teórica. En este caso muestra y patrón no se miden consecutivamente, más bien
al contrario, los pulsos de patrón suelen estar separados por varios de muestra
y viceversa.
Los resultados finales se dan en notación
delta (δ) para las mediciones de abundancia natural o sustancias
ligeramente marcadas, o mediante notación átomo por ciento (At%) para
las sustancias fuertemente enriquecidas en algún isótopo.
Inicialmente, el estudio de los
isótopos estables estuvo relacionado mayoritariamente con la geoquímica y los
estudios de abundancia natural, pero con el desarrollo de los espectrómetros de
masas de flujo continuo y la posibilidad de usar las sustancias marcadas, su aplicación
se extendió a las ciencias biológicas, de tal modo que hoy en día es una
técnica analítica casi rutinaria en muchos campos de investigación.
Funcionamiento de un espectrómetro de masas:
Análisis
isotópico de compuestos específicos
La determinación de la composición
isotópica de C, N o H de compuestos moleculares
o biomoléculas (biomarcadores también
pueden denominarse) mediante la técnica GCC-IRMS (también se puede encontrar
como GC-IRMS, GC-C/TC-IRMS o irmGC/MS) es una aplicación relativamente reciente
que ha revolucionado el campo de la isotopía. Poder medir a nivel de picomoles
de compuesto, en mezclas previamente separadas por medio de la cromatografía de
gases, permite la aplicación de los análisis de isótopos estables en
situaciones donde hasta hace poco tiempo era imposible por la enorme cantidad
de tiempo y esfuerzo necesario para aislar las sustancias de interés.
Así podemos encontrar análisis
isotópicos en estudios metabólicos, en biodegradación, en ecología microbiana,
en arqueología o en estudios paleoambientales por poner sólo algunos ejemplos.
Siendo los compuestos estudiados del tipo ácidos grasos, aminoácidos, alcanos,
alcoholes, PAHs, PCBs, entre otros.
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