Využití izotopů při studiu symbióz všechny prvky se vyskytují ve formě různých izotopů

Využití izotopů při studiu symbióz

• všechny prvky se vyskytují ve formě různých izotopů

• stabilní a radioaktivní izotopy

• Z – počet protonů
• N – počet neutronů
• A – počet nukleonů
• A = Z + N

Uhlík - carbon (C)

Vodík - hydrogen (H)

Kyslík - oxygen (O)

Dusík - nitrogen (N)

Fosfor - phosphorus (P)

Stabilní izotopy – používané termíny a veličiny

• (přirozený) výskyt =

• R=

• R(13CO2)=

• mechanismy variability výskytu jednotlivých stabilních izotopů

• standardy pro jednotlivé stabilní izotopy

Mechanismy variability výskytu stabilních izotopů

• frakcionace = variabilita ve výskytu stabilních izotopů; jsou výsledkem (malých) rozdílů ve fyzikálních a chemických vlastnostech izotopů daného prvku; čím větší hmotnostní rozdíl mezi izotopy, tím větší rozdíly ve fyz-chem vlastnostech daných izotopů a tím větší frakcionace

• termodynamické rovnováhy
• kinetické procesy (asociovány s jednosměrnými procesy – výpar, difůze, disociační reakce…)
• enzymatické diskriminace
• všechny tyto mechanismy vedou k variabilitě výskytu v řádu odchylky o max. jednotky procent z původního množství (!) „těžkého“ izotopu!

Standardy pro výskyt stabilních izotopů

• v současnosti jsou akceptovány 4 mezinárodní standardy pro pět základních prvků využívaných v biologickém výzkumu

Standardy pro výskyt stabilních izotopů

• 4. primární standard: Canyon Diable meteorite (CD) – pro síru

• originální SMOW a PDB již vyčerpány

• sekundární standardy:

• V-SMOW – směs různých vod; IAEA
• SLAP – standard light Antarctic precipitation – Plateau Station, Antarctica

• hodnoty sekundárních standardů precizně porovnány s hodnotami primárních standardů (V-SMOW~ SMOW; R(D/H)SLAP=89,02 ± 0,05

• pro 15N/14N se běžně využívá vzduch

Definice δ (malé delta)

Diskriminace Δ

• Δ =

• Δ =

Technika stanovení izotopových poměrů

• CF-GC-IRMS

• = Continuous Flow - Gas Chromatography – Isotope Ratio Mass Spectrometer

• Zjednodušené schéma:

• izotopy musí být nejprve převedeny do plynné fáze (H2, N2, CO2, CO, O2, SO2, SF6)

• plynová chromatografie – He jako nosič

• „mass-spec“ – hmotnostní spektrometr; průchod proudu izotopů (g) elektromagnetickým polem; vychýlení jejich dráhy dle jejich hmotnosti

Příprava vzorků pro mass-spec

• C a N v pevných vzorcích (organický materiál, karbonáty)

• oxidace: všechen C  CO2; všechen N  NOX
• redukce: CO2 se neredukuje; NOX  N2
• vysušení – odstranění veškeré vody
• GC kolona: separace CO2 a N2
• Kyslík ve vodě, organických materiálech nebo karbonátech
• pyrolýza (vysoká t)
• konverze kyslíku na CO
• GC kolona: separace CO od zbytku

• Uhlík a kyslík v CO2 (např. vzduch)

• GC kolona: separace CO2 od N2 a O2

Mass-spec

Mass-spec

Proč jsou stabilní izotopy tak “trendy“?

• Protože jsou STABILNÍ

• odpadá radioaktivita
• nepotřebujete certifikované laboratoře
• vzorky nepodléhají „zkáze“

• Protože mass-spec je vysoce citlivá metoda

• N: cca 20μg N  0,15 mg sušiny rostlin
• C: cca 300μg C  0,025 mg sušiny rostlin
• O: cca 0,5 μl vody
• C a O v CO2: 4 nmol CO2

• Protože ceny analýz jsou dnes již velmi příznivé

• http://stableisotopefacility.ucdavis.edu/ (►)

Příčiny variability výskytu stabilních izotopů Kinetické izotopové efekty

• Uplatňují se u jednosměrných procesů typu:

• evaporace
• difuze
• disociačních reakcí

• kdy dochází k bezprostřednímu odčerpávání produktu (neustavuje se termodynamická rovnováha)

• Jsou způsobené různou pohyblivostí různých izotopomerů (např. 12CO2 vs. 13CO2)

Příčiny variability výskytu stabilních izotopů Kinetické izotopové efekty

Příčiny variability výskytu stabilních izotopů Kinetické izotopové efekty

Příčiny variability výskytu stabilních izotopů Rovnovážné izotopové efekty

• Uplatňují se u rovnovážných procesů

• Hmotnost atomu (molekuly) ovlivňuje její termodynamické vlastnosti

• Molekuly obsahující těžké izotopy jsou “stabilnější” než molekuly s lehkými izotopy a mají tedy vyšší abundanci ve “složitějších” sloučeninách

Rozdíly izotopového složení rostlinných orgánů

Rozdíly izotopového složení komponent rostlinných orgánů