ISOTOPI STABILI E CSIA
Analisi degli isotopi stabili
Molti fra i più comuni elementi che compongono un composto chimico si presentano in natura come una miscela di isotopi diversi. Il rapporto fra questi isotopi può variare a seconda dell’origine o del processo produttivo, ma anche a seguito di processi fisici, chimici e biologici che possono aver interessato nel tempo tale composto. Questo rapporto isotopico rappresenta quindi un sorta di vera e propria “impronta digitale”, o “fingerprinting”, la cui misura permette di ottenere informazioni fondamentali per applicazioni in ambiti fra i più diversi: geochimico, ambientale, idrologico, ecologico, geologico, biologico fino all’energia e, più recentemente, al campo della chimica forense.
Cosa sono gli isotopi stabili?
Gli isotopi stabili sono forme naturali e non radioattive di elementi che hanno lo stesso numero di protoni, ma un diverso numero di neutroni, cosa che comporta differenze nelle masse atomiche degli isotopi: ad esempio, carbonio 12 e carbonio 13.
Gran parte dell’idrosfera e della biosfera è composta da diversi blocchi elementari di base e questi includono gli elementi e gli isotopi stabili di idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N), carbonio (C), e zolfo (S). Esistono molti isotopi degli elementi che si trovano nella tavola periodica, ma questi cinque “isotopi leggeri” sono quelli più abbondanti e utili.
Cosa è l’analisi degli isotopi stabili?
Le firme isotopiche consentono di tracciare le sorgenti e il destino dei composti nell’ambiente. Le differenze nella massa atomica [tra gli isotopi] causano una differenza quantitativa nel tasso di reazione, portando a effetti di frazionamento isotopico tra le sorgenti e i prodotti coinvolti in una trasformazione chimica. Il frazionamento si riferisce alla separazione di un isotopo rispetto a un altro, comportando differenze nei rapporti isotopici del reagente e del prodotto di reazione. La composizione isotopica è spesso espressa con la notazione standard delta (δ), che confronta il campione a uno standard internazionale:
δ = [(Rcampione/Rstandard) – 1] x 1000.
Rcampione e Rstandardsono i rapporti isotopici misurati del campione e del materiale standard. Le firme δ vengono misurate tramite uno spettrometro di massa, che determina la composizione isotopica sulla base del rapporto massa-carica dell’elemento.
Come gli scienziati misurano gli isotopi stabili?
Gli scienziati misurano gli isotopi stabili tramite uno strumento chiamato spettrometro di massa isotopico (isotope ratio mass spectrometer, IRMS). I campioni sono generalmente trasformati in un gas semplice mediante combustione ad elevate temperature. Ad esempio, tutte le determinazioni di 13C, 12C vengono eseguite su un gas che è al 100% CO2, e così ogni campione che contiene carbonio viene combusto e trasformato in CO2 pura prima dell’analisi con spettrometria di massa. Ci sono diverse apparecchiature ed applicazioni per l’IRMS.
Chi utilizza l’analisi degli isotopi stabili?
Gli isotopi stabili vengono spesso utilizzati per tracciare i cicli geochimici dei nutrienti e i contaminanti che migrano nell’ambiente. Le applicazioni riguardano sia gli ambienti acquatici sia quelli terrestri, e comprendono studi sulla catena alimentare, l’attribuzione delle sorgenti contaminanti, il monitoraggio di animali migratori, la valutazione dei cicli dei nutrienti, l’adulterazione degli alimenti, l’environmental forensics e numerose altre applicazioni interdisciplinari.
Cosa è la CSIA?
L’analisi isotopica composto-specifica (Compound Specific Isotope Analysis, CSIA) comporta la determinazione del valore isotopico a livello di molecola per i singoli composti di interesse, a differenza della tradizionale analisi definita “bulk”, cioè di massa. Questo metodo viene utilizzato per l’analisi degli isotopi stabili che naturalmente sono presenti nell’ambiente ed è stata utilizzata su diversi elementi e tipologie di campioni a seconda dell’applicazione e del settore di interesse. Può essere utilizzata per ottenere informazioni sull’origine, le sorgenti, i percorsi di degradazione e la migrazione di un composto nell’ambiente naturale.