Los Isotopos Estables

LOS ISÓTOPOS ESTABLES
Los isótopos estables y la espectrometría de masas de isótopos
estables
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. Como resultado de estos procesos de
fraccionamiento nos encontramos con sustancias que difieren ligeramente en la
distribución de los isótopos estables y por tanto en su masa, diferencias que 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. No
obstante, está alcanzando una enorme popularidad el uso de los isótopos estables como
trazadores añadidos al medio que se estudia. En este caso las diferencias serían mucho
mayores y hablaríamos de análisis de muestras enriquecidas o muestras marcadas.
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 (que están determinadas por los diferentes isótopos presentes en
ellas). 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. La caida de voltaje en la resistencia
será proporcional a la intensidad del haz de iones. Este voltaje tras un convertidor
voltaje/frecuencia (V/F) se amplifica y contabiliza con el software correspondiente. 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.
Esquema de la fuente de ionización.
La composición isotópica se obtiene al comparar la razón de las intensidades de los
haces iónicos del gas de la muestra con la misma razón de un gas de referencia o patrón
interno. Existen dos tipos diferentes de Espectrómetros según la forma en que se realice
este proceso. Espectrómetros de Doble Ingreso: en los que ambos gases se miden
alternativamente durante un número determinado de veces consiguiéndose la mejor
precisión analítica posible (nótese que ambos gases van a sufrir los mismos errores
instrumentales de forma casi simultanea). 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. La muestra llega en forma de pico gaussiano procedente de un sistema de
separación cromatográfica, esto conlleva un fraccionamiento inherente al sistema que se
minimiza por una integración total del pico a analizar. La mayor ventaja de este tipo de
espectrómetro radica en su conexión con los sistemas de preparación de muestra “online” que comentabamos anteriormente. Aunque la precisión inherente sea menor,
presentan la enorme ventaja de su alta productividad y la posibilidad de poder medir
muestras mucho menores, en el rango de picomoles.
Esquema de un espectrómetro de masas de razones isotópicas.
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 continuó 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.
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. Una revisión extensa de esta
metodología y sus aplicaciones puede encontrarse en los siguientes trabajos:
Compound-specific stable-isotope (δ13C) análisis in soil science. Bruno Glaser. J. Plant Nutr. Soil Sci.,
(2005), 168, 633-648.
Compound-specific sable isotope análisis of organic contaminants in natural environments: a critical
review of the state of the art, prospects, and future challenges. Torsten C. Schmidt, Luc Zwank, Martin
Elsner, Michael Berg, Rainer U. Meckenstock, Stefan B. Haderlein. Anal Bioanal Chem (2004), 378,
283-300.
What can stable isotope probing do for bioremediation?. M. Manefield, A.S. Whiteley, M.J. Bailey.
International Biodeterioration & Biodegradation (2004), 54, 163-166.
Applied gas chromatography coupled to isotope ratio mass spectrometry. W. Meier-Augenstein. Journal
of Chromatogrpahy A., (1999), 842, 351-373.
New chromatographic, mass spectrometric and stable isotope approaches to the classification of
degraded animal fats preserved in archaeological pottery. H.R. Mottram, S.N. Dudd, G.J. Lawrence,
A.W. Stott, R.P. Evershed. Journal of Chromatography A., (1999), 833, 209-221.
Esquema representativo de la técnica denominada GC-C-IRMS.