ایزوتوپ چیست ؟

 

به زبان ساده ایزوتوپ‌ به عناصری اطلاق می شود که تنها در تعداد نوترون ها با یکدیگر متفاوت باشند، در حقیقت به اتم هایی که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند ایزوتوپ می گویند. واژه ایزوتوپ برای عنصرهایی به کار می‌رود که تعداد پروتون‌های آن‌ها یکسان است بنابراین ایزوتوپ‌ها در یک خانه در جدول تناوبی قرار می گیرند. پروتون‌ها، تعیین‌کننده خواص شیمیایی عناصر هستند در نتیجه ایزوتوپ‌های یک عنصر خواص شیمیایی یکسان دارند. مهمترین تفاوت ایزوتوپ‌ها در تعداد نوترون‌های آن‌ها است این تفاوت باعث تغییر در خواص فیزیکی (نقطه جوش،چگالی و...) ایزوتوپ ها با یکدیگر می شود.

 

ایزوتوپ پایدار Stable isotope

 

در حقیقت ایزوتوپ های پایدار اشکالی غیر رادیواکتیو از اتم ها می باشند. لازم به ذکر است تا کنون 256 ایزوتوپ از 80 عنصر مختلف شناسایی شده اند از این ۸۰ عنصر ۲۶ عدد آن‌ها فقط یک ایزوتوپ پایدار دارند که به آن‌ها مونوایزوتوپ می‌گویند و بقیه بیشتر ازیک ایزوتوپ دارند. برای مثال عنصر قلع دارای ۱۰ ایزوتوپ پایدار و ناپایداراست. برای اینکه یک ایزوتوپ پایدار, باشد باید نسبت تعداد نوترون ها به پروتون های یک ایزوتوپ کمتر از یک و نیم باشد. البته عنصر تکنسیم با عدد اتمی ۴۳ و عدد جرمی ۹۹ از این قاعده مستثنا است. با اینکه نسبت تعداد نوترون ها به پروتون ها در این ایزوتوپ، کمتر از یک و نیم است اما ایزوتوپی کاملا ناپایدار است. برای مثال هیدروژن دارای سه ایزوتوپ شناخته شده است:

- هیدروژن که در هسته اتم خود تنها یک پروتون دارد و  هیچ نوترونی ندارد.

- دوتریوم  که شامل یک پروتون و یک نوترون است.

 هر دو ایزوتوپ فوق پایدار هستند اما ایزوتوپ دیگری از هیدروژن وجود دارد که ناپایدار است.

-  ایزوتوپ سوم هیدروژن یا تریتیوم  که ازدو نوترون و یک پروتون تشکیل شده است. تریتویم به دنبال یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم ۳ تبدیل می شود. نیمه عمر این ایزوتوپ کمی بیشتر از 12 سال است . پس  دوتریم تنها ایزوتوپ پایدار هیدروژن است در یک قاعده  کلی می توان گفت هر چه هسته اتم سنگین تر باشد امکان به وجود آمدن ایزوتوپ های ناپایدار نیز بیشتر می شود.

رادیو ایزوتوپ چیست و چه تفاوتی با ایزوتوپ های پایدار دارد؟

 

به طور کلی ایزوتوپ‌ها به دو گروه ایزوتوپ پایدار و ناپایدار تقسیم بندی می‌شوند. اگر تعداد نوترون‌ها به پروتون‌ها در هسته اتم کمتر از یک ونیم باشد ایزوتوپ پایدار و اگر بیشتر از یک و نیم باشد ایزوتوپ‌ ناپایدار است. رادیو ایزوتوپ‌ها در حقیقت ایزوتوپ‌های ناپایدار و پرتوزای یک عنصر هستند. رادیو ایزوتوپ‌ها یا ایزوتوپ‌های نا پایدار(رادیواکتیو) عنصرهایی هستند که هسته آن ها دچار واپاشی (Radioactive Decay) می شود و انرژی تولید می کند. رادیو ایزوتوپ ها را می توان به صورت طبیعی و مصنوعی تولید نمود.. یکی از معمول ترین راه ها برای تولید مصنوعی رادیو ایزوتوپ ها استفاده از راکتور های هسته ای برای تولید ایزوتوپ های غنی از پروتون و نوترون است.مهم ترین کاربرد رادیو ایزوتوپ ها در پزشکی هسته ای می باشد. اولین بار از پزشکی هسته ای برای مطالعه بیماری تیروئید با رادیو ایزوتوپ ید131 استفاده شد. پزشکی هسته ای شاخه‌ای از پزشکی است که با استفاده از پرتوها، اطلاعات تشخیصی از اعضای بدن را فراهم می‌کند یا به درمان آن‌ها می‌پردازد. اطلاعات حاصل از این تکنیک موجب تشخیص سریع و دقیق بیماری‌های سرطان ،تیروئید، استخوان، قلب، کبد و بسیاری از اندام‌های دیگر می‌شود که تنها نمونه ای از کاربرد رادیو ایزوتوپ ها در پزشکی است.

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار

 

نسبت ایزوتوپی ایزوتوپ های پایدار برای عناصر مختلف در مناطق مختلف جغرافیایی و محصولات خاص فرآیند های شیمیایی متفاوت است. این امر به دلیل سرعت متفاوت ایزوتوپ های مختلف یک عنصر برای شرکت در یک فرآیند( دلیل سینتیکی ) یا سطح انرژی متفاوت این عناصر برای شرکت در واکنش مذکور ( دلالیل ترمودینامیکی) می باشد. اثر سینتیکی به دلیل تفاوت در قدرت پیوند های ایجاد شده توسط ایزوتوپ های متفاوت یک عنصر با اتم های دیگر بروز می کند. وقتی ایزوتوپ های یک عنصر درگیر یک واکنش شیمیایی می شوند تفاوت در قدرت پیوند ایجاد شده بین هریک از این ایزوتوپ ها و اتم مورد نظر باعث ایجاد اختلاف در سرعت واکنش شده و در نهایت باعث می شود یک اختلاف در نسبت ایزوتوپی برای عنصر مورد نظر در باقی مانده مواد اولیه و محصول نهایی ایجاد می شود.

تحقیقات نشان داده اند که معمولا قدرت پیوند، برای یک پیوند واحد, برای ایزوتوپ سبکتر یک عنصر، کمتر می باشد. لذا این ایزوتوپ ها با سرعت بیشتری در فرآیند های شیمیایی شرکت می کنند که این امر باعث می شود در یک فرآیند سینتیکی غنای ایزوتوپ سبک تر در محصولات واکنش بیشتر شود و غنای ایزوتوپ سنگین تر در باقی مانده مواد اولیه افزایش پیدا کند.

علاوه بر موارد فوق، اثرات محیطی نظیر تغییر فصول، دما و طول جغرافیایی باعث می شود نسبت ایزوتوپ های پایدار در سیستم های مختلف یکسان نباشد. لذا از آنالیز نسبت ایزوتوپی ایزوتوپ های پایدار در نمونه ها می توان اطلاعات کاملی راجع به منشا، تطابق نمونه و فرآیند تولید نمونه ها را پیدا کرد . در حقیقت نسبت ایزوتوپی مانند یک اثر انگشت منحصر به فرد برای یک نمونه عمل می کند.

متداول ترین ایزوتوپ های مورد اندازه گیری؛ هیدروژن (H)، کربن (C)، نیتروژن (N)، اکسیژن (O)و سولفور (S) می باشند. براي آنالیز ايزوتوپی بايد نسبت ايزوتوپ هاي 2H/1H 13C/12C,15N/14N,34S/32S,18O/16O را در نمونه اندازه گیري کرد.  

 

کاربرد آنالیز ایزوتوپ های پایدار

 

 

 

نقشه ایزوتوپ های پایدار Isoscapes

 

نخستین فردی که نقشه های ایزوتوپ های پایدار را ابداع نمود فردی بنام Jason West از دانشگاه A&M  تگزاس بود. این نقشه ها حاوی توزیع فضایی نسبت های ایزوتوپ های پایدار از قبیل ایزوتوپ های پایدار عناصر کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد ، استرانسیم و ... در بخش های مختلف جغرافیایی زمین بر اساس رفتار طبیعی آن ها در محیط می باشد. 

ایزوتوپ های مختلف رفتار متفاوتی را در تاریخچه مواد از خود به نمایش می گذارند برای مثال ایزوتوپ های کربن نوع رژیم غذایی را مشخص می کند در حالی که ایزوتوپ های هیدروژن و اکسیژن در کشف منشا مواد به کار برده می شوند.ترکیب نقشه های فضایی نسبت های ایزوتوپی چندین عنصر در یک نقشه ،سبب ایجاد نقشه ای بسیار مهم در کشف حقایق  و مجهولات بخصوص در جرم شناسی می شود که در این زمینه می تواند نقش کلیدی ایفا کند.

امروزه آنالیز­های ایزوتوپی، راه گشای بسیاری از مسائل مهم مطرح در علوم مختلف می باشد.آنالیز ایزوتوپ پایدار در علوم مختلف از جمله: کشاورزی، باستان شناسی، دیرینه اقلیم شناسی(مطالعه الگوهای آب و هوایی گذشته)، اقیانوس شناسی، زیست شناسی،زمین شناسی، علوم محیطی، شیمی جنایی جرم شناسی و علوم قضایی، بیوشیمی(آب کل بدن ،متابولیسم گلوکز و انرژی مصرفی مفید)، مواد غذایی و نوشیدنی و ....کاربرد فراوان دارد. اندازه گیری نسبت D/H و 18O/16O نمونه های آبی(غنای طبیعی) جهت كاربردهای گوناگون هیدرولوژی،علوم محیطی، پزشكی، داروسازی كنترل كیفی و تعیین غلظت تركیبات مختلف آلی دوتره و تشخیص غنای ایزوتوپی آنها به کار می رود.در ذیل به بخشی از این کاربردها اشاره شده است:

 

آنالیز ایزوتوپی در صنایع نفت و گاز

 

توسعه اولیه در استفاده از آنالیزایزوتوپهای پایدار در حوزه ژئوشیمی صورت گرفت و جهت حل مشکلات مرتبط با انرژی بکار گرفته شد. امروزه آنالیز ایزوتوپهای پایدار بخش جدایی­ ناپذیری از فعالیتهای اکتشافی نفت و گاز می­ باشد. کاربردهای آنالیز ایزوتوپی در بخش نفت و گاز را می­توان بصورت زیر دسته­ بندی کرد:

 

۱-آنالیز ایزوتوپی Mudgas

آنالیز Mudgas اطلاعات ارزشمندی به­ شرح ذیل ارائه می­کند:

- تمایز بین گازهایی با منشاء بیولوژیک و گازهایی با منشاء ترموژنیک

- ارتباط بین سنگ مخزن- نفت- گاز

- وجود ارتباط بین گاز و نفت موجود در چاهها

- ارزیابی بلوغ سیالات و سنگ مخزن

- تشخیص وجود نشت در مخزن

 

2- آنالیز ایزوتوپی گاز طبیعی

 

آنالیز ایزوتوپی کربن و هیدروژن در اجزاء گازهای C1 تا C5 در گازهای طبیعی می­تواند چهارده پارامتر ایزوتوپی متفاوت ایجاد نماید. این داده­ ها به همراه اطلاعات موجود در خصوص غلظت این اجزاء در مخلوط گازی یک اثر انگشت بسیار اختصاصی جهت ایجاد تمایز بین گازهایی که در ظاهر شبیه هم هستند ایجاد می­کند. اطلاعات مفیدی که این آنالیز تولید می­ کند به شرح ذیل می­ باشد:

- ارزیابی پیوستگی مخزن

- آب بندی مخزن

- جانمایی مکان تولید

- پایش عملکرد تولید

- درک بهتر از معماری مخزن

آنالیز ایزوتوپهای پایدار یک تکنیک اساسی برای تعیین پروفایل چاه در حین عملیات اکتشاف نفت می­باشد. درک منشاء نفت و گاز موجود در هر مخزن جدید یک نیاز اساسی برای تعیین امکان­ پذیری و مناسب بودن آن مخزن جهت استخراج می­ باشد که در این ارتباط آنالیز ایزوتوپی گاز نقش تعیین کننده­ای را ایفا می­ کند.

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار در علوم غذایی

 

آنالیز ایزوتوپی می­ تواند فعالیتهای متقلبانه در فرایندهای تولید مواد غذایی را آشکار سازد.این رویکرد بر اساس تشخیص امضای ایزوتوپی ذاتی و منحصربفرد مواد تشکیل دهنده غذا صورت می­ پذیرد. آنالیز ایزوتوپی مواد غذایی همچنین می­ تواند منشاء جغرافیایی این مواد را نیز تعیین کند. نمونه­ های قابل آنالیز شامل: میوه­ جات، سبزیجات، لبنیات، گوشت، پروتئین، خوراک دریایی، روغن زیتون، روغن پالم، عسل و زعفران و .......

حفاظت از محیط زیست و چشم ­اندازهای طبیعی آن در مقابل آلودگی بسیار مهم و اساسی است. هنگامی که توجه خود را به تعیین منشاء آلودگی­ های زیست­ محیطی معطوف می­ داریم، آنالیزهای ایزوتوپهای پایدار بسیار مفید و راه­گشا خواهند بود. تجمع زیستی مواد مضر یک تهدید بلند مدت برای انسان وسایر موجودات به حساب می­ آید، بویژه در کشورهای در حال توسعه که مقررات زیست­ محیطی به خوبی رعایت نمی­ شوند. آلودگی محیط زیست که توسط نشت نفت رخ می­ دهد سریعا بایستی شناسایی شده و منشاء آن مشخص گردیده و اقدامات مناسبی انجام گیرد تا از تکرار آن جلوگیری شود.
آزمایش­های مبتنی بر ایزوتوپهای پایداراز تکنیکی استفاده می­کند که تشخیص آلوده کننده­ های زیست محیطی را در حد مقادیر بسیار ناچیز تضمین کرده و بدین ترتیب تعیین منشاء آلوده­ کننده­ ها حتی در مقادیر بسیار پایین امکان ­پذیر است. نمونه­ های قابل آنالیز در این حوزه عبارتند از آلوده­ کننده­ های آلی مانند: PCB ، دی­اکسی­­ها، آفت­ کشها، پلی آروماتیک هیدروکربن ها، BTX ، ترکیبات فرار آلی، خاکهای آلوده و نمونه­ های بافتهای آلوده و .......

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار در جرم شناسی

 

استفاده از آنالیز ایزوتوپ پایدار در پزشکی قانونی ، قابلیت های منحصر به فردی را در آزمایشگاه جرم امروزی به ارمغان می آورد. استفاده از اثر انگشت ایزوتوپ با ثبات منحصر به فرد باعث می شود تا شباهت هایی بین مواد مخدر کشف شده تعیین کرد و در پی آن و دنبال کردن مسیرهای قاچاق، به منبع اصلی دست یافت. همین اصل را می توان در مورد سایر مواد جنایی مانند مواد منفجره یا پول و کالاهای تقلبی نیز به کار برد.

همچنین می توان با استفاده از ایزوتوپ های پایدار و مقایسه اثر انگشت ایزوتوپ پایدار مو ، استخوان، دندان و ناخن با پایگاه داده های شناخته شده، برای قرار دادن اجساد ناشناس در منطقه جغرافیایی استفاده کرد تا تاریخچه قربانی را ارزیابی کرد.

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار در بوم شناسی و کشاورزی

 

آنالیز ایزوتوپهای پایدار فهم ما از تاثیرات متقابل پیچیده ­ای که در دنیای موجودات زنده وجود دارد را افزایش می ­دهد. با آنالیز ایزوتوپهای پایدار توضیح زنجیره غذایی پیچیده ­ای که بین موجودات دریایی وجود دارد ساده­ تر شده و انسان را در محافظت از گونه­ های آسیب­ پذیر و در شکل دادن به سیاستهای حمایتی از این موجودات یاری می­ رساند. برروی زمین نیز الگوهای مهاجرتی حیوانات در گستره یک قاره می­ توانند با بکارگیری امضای ایزوتوپی ایجاد شده ناشی از محل زندگی آنها پیگیری شوند. در کشاورزی، آنالیز ایزوتوپهای پایدار بینش وسیعی را درخصوص ارتباط خاک و گیاه فراهم می ­آورد. آنالیز ایزوتوپهای پایدار در گستره وسیعی از مواد مرتبط با تحقیقات اکولوژی به محققین اجازه می­دهد که به اطلاعاتی دست یابند که با سایر تکنیکهای تجزیه ­ای قابل دستیابی نیستند.اصول حاکم در جزء به جزء شدن ایزوتوپی اجازه می­ دهد که فرآیندهای زیست زمین شناختی در سطحی از جزئیات، مورد بررسی قرار گیرند که توسط تکنیکهای معمول مبتنی برآنالیز عنصری غیرقابل دسترسی هستند.

به عنوان مثال ایزوتوپهای کربن می ­توانند بعنوان یک ردیاب در تشخیص جریان انرژی در اکوسیستم مورد استفاده قرار گیرند در حالی که ایزوتوپهای نیتروژن در تعیین موقعیت زنجیره غذایی ارگانیسم­ها بسیار مفید هستند. ایزوتوپهای گوگرد در تمایز بین  فرآیندهای  کف اقیانوسی(benthic) از فرآیندهای سطح اقیانوسی (Pelagic) و همچنین تمایز بین گیاهان تالابی (marsh plant) از فیتوپلانکتونها بکار می­ آید. نمونه­ هایی که در این تحقیقات مورد استفاده قرار می­ گیرند شامل مواد گیاهی و درختی، بافتهای پرندگان، حیوانات و موجودات دریایی، حشرات و پلانکتونها، خاک، آبهای سطحی و آب حاصل از گیاهان و بیومارکرها.

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار در هواشناسی، اقیانوس شناسی، تغییرات اقلیمی

 

اقیانوس شناسی شاخه­ های گوناگونی از علم را دربر می­گیرد که شامل فر­آیندهای بیولوژیک، شیمیایی و فیزیکی می ­باشد که در اقیانوسها بوقوع می­ پیوندد. آنالیز ایزوتوپهای پایدار ابزار قدرتمندی در ردیابی این فرآیندها در اختیار می­ گذارد. ایزوتوپهای پایدار اکسیژن و هیدروژن ، هیدرولوژی آبهای اقیانوسی را آشکار کرده و می ­توان توسط آنها چرخه آب، فرآیندهای تبخیری و تاثیر جو در مقیاس محلی و منطقه­ ای و حتی جهانی را دنبال نمود.

چرخه مواد مغذی و اکولوژی اقیانوسها نیز به نوبه خود جالب توجه هستند. بعنوان مثال ایزوتوپهای پایدار گوگرد، نیتروژن و کربن ابزارهای قدرتمندی هستند که برای ردیابی فعالیت جلبکها، توضیح ساختارهای زنجیره غذایی در اجتماعات سطحی وکف اقیانوسی و ردیابی شار مواد مغذی در فصول مختلف بکار گرفته شده ­اند.

تغییرات اقلیمی یکی از بزرگترین تهدیدات تمدن بشری است، اما تعیین سناریو­های اقلیمی آینده تنها هنگامی امکان ­پذیر است که بتوان اتفاقاتی را که در گذشته بر سر اقلیم کره زمین آمده است را بدانیم. با فهم تغییرات اقلیم کره زمین و مکانیسم­های ممکن دانشمندان قادر هستند مدل­های بسیار پیچیده ­ای را برای پیش­بینی آینده اقلیمی کره زمین ارائه داده و دولتمردان و سیاست­گذاران را از خطرات فعالیتهای انسانی آگاه سازند. آنالیز ایزوتوپهای پایدار مانند دماسنج باستانی عمل می­ کند که اجازه می­ دهد دمای گذشته کره زمین را از موادی مانند: میکروفسیلها، هسته ­های یخی و حلقه­ های موجود در بدنه درختان محاسبه کنند.

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار در زمین شناسی

 

امروزه استفاده از ایزوتوپهای پایدار در علوم زمین شناسی توسعه زیادی داشته است. ایزوتوپهای پایدار برای درک سیر تکاملی شیمیایی و فیزیکی زمین، سیارات و سایر اجرام منظومه شمسی بکار می­ روند. بررسی تغییرات  طبیعی در فراوانی نسبی ایزوتوپهای پایدار به عنوان ابزاری جهت توضیح مکانیسم فرآیندهایی مانند شکل گیری و تکامل زمین (از تولد تا به حال)، تکامل سطح زمین، تکامل شیمی اقیانوس و آب و هوای زمین، فرسایش زمین در اثر هوازدگی بکار می­ رود. علاوه بر این جهت بررسی ترکیب ایزوتوپی گوشته فوقانی زمین و مشخص کردن مخازن گوشته مجزا و فرآیندهای تکاملی آنها بکار می­ روند. ایزوتوپهای پایدار به عنوان یک دماسنج زمین شناسی کاربرد بسیاری در این علم پیدا کرده اند. همچنین می­ توان بعنوان ابزار جهت بررسی سرنوشت آب بارش در زمین، مسیر آب و مدت زمان جریان آب در حوضه مورد استفاده قرار گیرند.

 

آنالیز ایزوتوپ های پایدار درهیدروژئولوژی 

 

آب شناسی ایزوتوپی یکی از شاخه‌های علم هیدرولوژی است که از طریق اندازه گیری نسبت های ایزوتوپی، عمر و خاستگاه آب و حرکت و توزیع آن در چرخه طبیعت و محیط زیست را تخمین می‌زنند. از این تکنیک برای، نقشه‌برداری سفره های آب زیر زمینی ، محافظت از منابع آب و پایش آلودگی آب ها استفاده می‌شود. مولکول‌های آب دارای نوعی اثر انگشت مشخص و منحصربفرد بر اساس نسبت و تنوع ایزوتوپ‌های پایدار هیدروژن و اکسیژنی که دارند، هستند. هوا، خاک و آب غالباً دارای اکسیژن ۱۶ هستند. اکسیژن ۱۸ تقریباً در هر ۵۰۰ اتم اکسیژن یکبار اتفاق می‌افتد و چون دو نوترون اضافه دارد از اکسیژن ۱۶ سنگین تر است. در صورتی که نمونه آب تبخیر شود، اتم‌های سبکتر (اکسیژن ۱۶)تبخیر می‌شوند و اتم‌های سنگین تر اکسیژن ۱۸ باقی خواهد ماند. 

 

نمونه های معمول برای آنالیز ایزوتوپ پایدار شامل مواد زیر است:

 

- آب های طبیعی (آب باران رودخانه دریاچه آب چاه و...)

- مواد معدنی تولید شده از رسوبات باستانی، آتشفشان های دریایی، چشمه های آب گرم

- مواد آلی و ارگانیک (خاک،چوب و...)

- سیالات هیدروترمال

- سنگ، غذا و نوشیدنی ،عسل ،نفت و گاز

 

جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص خدمات آنالیزی ، قیمت‌ها و غیره کلیک نمایید