การวิเคราะห์ไอโซโทป (Isotope analysis)

เทคนิคการวิเคราะห์

ไอโซโทปของออกซิเจน (Oxygen isotopes)
ออกซิเจนธรรมชาติ ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ซึ่งมีสัดส่วนของแต่ละไอโซโทป ดังนี้

ในการวิเคราะห์ไอโซโทป จะไม่หาปริมาณของไอโซโทปของออกซิเจน แต่จะใช้วิธีหาสัดส่วนของไอโซโทป O-18 ต่อ O-16 (ใช้สัญลักษณ์ d¹⁸O) ในตัวอย่าง เปรียบเทียบกับค่ามาตรฐาน VSMOW โดยใช้สมการ

ค่าที่ได้ แสดงในหน่วยเปอร์มิลล์ (permil, %0) หรือ ส่วนในพันส่วน ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างตัวอย่างกับสารมาตรฐาน ซึ่งโดยปกติจะมีค่าน้อยมาก แต่ค่าความแตกต่าง 1 permil ก็ถือว่ามีนัยสำคัญ

มวลของความชื้นในอากาศที่อยู่ห่างจากเส้นศูนย์สูตรจะมีไอโซโทปที่เบามากกว่า เนื่องจากไอโซโทป O-18 ที่หนักกว่าจะกลั่นตัวได้ง่ายกว่า จึงมีสัดส่วนที่ต่ำลงตามระยะทางที่เข้าใกล้ขั้วโลก ดังนั้น สัดส่วนของ O-16 ต่อ O-18 ในบรรยากาศ จึงสูงขึ้นตามระยะทางที่เข้าใกล้ขั้วโลก เนื่องจากการสูญเสีย O-18 ในไอน้ำไปกับการกลั่นตัวในรูปของฝนและหิมะ

ความแปรปรวนเนื่องจากวัฏจักรของน้ำ (Variation occurring from the hydrological cycle)

สัดส่วนไอโซโทปของออกซิเจน จะมีความแตกต่างกันได้เนื่องจากผลกระทบของสภาวะอากาศและสภาพภูมิประเทศ ซึ่งมีผลต่อการเคลื่อนที่ของน้ำ พื้นที่ที่มีความชื้นต่ำจะมีการสูญเสีย O-18 ได้มากกว่าทั้งจากกระบวนการระเหยและการกลั่นตัว นอกจากนั้น O-16 สามารถระเหยไปในบรรยากาศได้ดีกว่า ขณะที่ O-18 ยังคงอยู่ในรูปของเหลวในน้ำ ในพืชและในสัตว์

ไอโซโทปของออกซิเจนสามารถเข้าไปในร่างกายได้จากกระบวนการดื่มหรือกินเข้าไปเป็นหลัก นักธรณีวิทยาจึงศึกษาออกซิเจนที่เข้าไปในร่างกายจากกระดูกและฟัน ซึ่งอยู่ในรูปของ hydroxylcarbonic apatite กระดูกถูกสร้างขึ้นใหม่ตลอดช่วงชีวิตของแต่ละคน แม้ว่าจะยังไม่ทราบอัตราการเข้าออกของออกซิเจนใน hydroxyapatite ที่แน่ชัดทั้งหมด แต่ก็คาดว่าใกล้เคียงกับในคอลลาเจน ซึ่งใช้เวลาประมาณ 10 ปี ดังนั้น ระยะเวลาที่ออกซิเจนอยู่ในร่างกายจึงอยู่ในช่วง 10 ปี อัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในกระดูก จึงแสดงถึงอัตราส่วนออกซิเจนที่ร่างกายได้รับ ในช่วงเวลาและในพื้นที่นั้น

ฟันไม่ได้เป็นอวัยวะที่ถูกสร้างทดแทนแบบต่อเนื่อง ค่าของอัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนจึงมีค่าคงที่ตั้งแต่ตอนที่สร้างขึ้นมา อัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในฟันจึงแสดงถึงอัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในพื้นที่ที่คนนั้นเกิดหรือเติบโตขึ้นมา ฟันน้ำนมสามารถใช้หาอายุที่เด็กหย่านม เนื่องจากนมแม่ผลิตขึ้นโดยใช้น้ำจากร่างกายของแม่ ซึ่งมีระดับ O-18 สูงกว่าปกติ เนื่องจากการสูญเสีย O-16 ไปกับเหงื่อ ปัสสาวะ และการระเหยออกจากร่างกาย

ฟันมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมี จึงสามารถใช้ในการวิเคราะห์องค์ประกอบขณะถูกสร้างขึ้นมา เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปออกซิเจนในสารประกอบกลุ่มฟอสเฟตและกลุ่มไฮดรอกซี หรือใช้วิเคราะห์ที่มาของกลุ่มคาร์บอเนต

การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอย่างกว้างขวาง รวมถึงการประยุกต์ใช้ในทางชีววิทยา ทางธรณีวิทยา และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมอีกเป็นจำนวนมาก

โบราณคดี (Archaeology)

การศึกษาการกินอาหารของสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ (Reconstructing palaeodiet)

กระดูกที่ขุดได้จากแหล่งโบราณคดี สามารถนำมาวิเคราะห์ไอโซโทป เพื่อใช้เป็นข้อมูลแสดงการเคลื่อนย้ายและอาหารที่กิน สารเคลือบฟันและพื้นดินที่อาศัยอยู่ หรือวัตถุที่ติดกันอยู่ก็สามารถนำมาใช้วิเคราะห์ไอโซโทป เพื่อแสดงให้เห็นภาพที่ถูกต้องของการกินอาหาร ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจกับกระบวนการเข้าแทนที่ (diagenesis) ที่อาจมีผลต่อที่มาของสัญญาณไอโซโทป องค์ประกอบของไอโซโทปคาร์บอนกับไนโตรเจน ใช้ในการวิเคระห์อาหารที่กิน ไอโซโทปของออกซิเจน ใช้หาที่มาทางภูมิศาสตร์ ส่วนไอโซโทปของาตรอนเทียม (Strontium) และตะกั่ว (teeth) ในฟันและกระดูกใช้หาการเคลื่อนย้ายของประชากรและความสัมพันธ์กันของวัฒนธรรม

สัตว์ได้รับไอโซโทปคาร์บอนจากอาหารที่กินเข้าไปขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ ได้รับไอโซโทปออกซิเจนจากน้ำที่ดื่ม การหาสัดส่วนไอโซโทป ¹²C/¹³C จะทำให้ทราบว่าอาหารที่สัตว์กินเข้าไปเป็นพืชแบบ C3 หรือ C4 เป็นหลัก กระบวนการนี้จะหยุดลงเมื่อสัตว์นั้นตายลง ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีการสะสมไอโซโทปในตัวของสัตว์อีก จะยังคงมีแต่กระบวนการสลายตัว การที่นักวิจัยจะทราบคำตอบที่ถูกต้องได้ จำเป็นต้องทราบค่าตั้งต้นของระดับไอโซโทป หรือสามารถประมาณค่าของไอโซโทปเมื่อเวลาที่สัตว์ตายลงได้

การหาอาหารที่สัตว์ดึกดำบรรพ์กินได้ถูกต้อง นักวิจัยจำเป็นต้องเข้าใจกระบวนการเข้าแทนที่ ซึ่งอาจมีผลต่อสัญญาณเริ่มต้นของไอโซโทป นอกจากนั้น นักวิจัยจำเป็นต้องทราบความแปรปรวนของไอโซโทปในสัตว์แต่ละตัว ระหว่างสัตว์แต่ละตัว และความแปรปรวนเมื่อเวลาผ่านไป

การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถใช้ประโยขน์ในทางโบราณคดีได้อย่างมากจากการนำมาใช้ในการวิเคราะห์คุณสมบัติ เช่น หาไอโซโทปในวัสดุที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น เช่น แร่โลหะของวัสดุนั้นเปรียบเทียบกับองค์ประกอบของไอโซโทปในฐานข้อมูล มีการใช้คุณสมบัติทางไอโซโทปในการระบุแหล่งที่มาของโบราณวัตถุหลายชนิด เช่น โลหะ แก้ว และสีที่ผสมด้วยตะกั่ว เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว (Lead Isotope Analysis) ในโบราณวัตถุยุคโลหะ ของเมดิเตอเรเนียน (Bronze Age Mediterranean) และใช้เป็นดัชนีที่สำคัญในการศึกษารูปแบบการค้ายุคโบราณ การแปรผลของการวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว มักจะมีข้อโต้แย้งและความท้าทายเนื่องมาจากทั้งวิธีการและอุปกรณ์ที่ใช้ ซึ่งปัญหาอาจจะมาจากการใช้โลหะผสมที่มาจากหลายแหล่งหรือใช้โลหะที่นำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งข้อจำกัดอาจมาจากความถูกต้องของข้อมูลหรือการปนเปื้อนของตัวอย่าง ทำให้เกิดปัญหาในการแปรผลที่ยุ่งยากมากขึ้น

นิเวศวิทยา (Ecology)

ธาตุองค์ประกอบทางชีววิทยาประกอบไอโซโทปที่แตกต่างกันในหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น คาร์บอนที่ส่วนใหญ่เป็น คาร์บอน-12 (¹²C) และมีคาร์บอน-13 (¹³C) ประมาณ 1% สัดส่วนของ 2 ไอโซโทปนี้แปรผันไปตามกระบวนการทางชีววิทยาและสภาพทางภูมิศาสตร์ ความแตกต่างกันนี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ทางนิเวศวิทยา ซึ่งธาตุหลักที่นำมาใช้ในทางไอโซโทปทางนิเวศวิทยา ได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน และซัลเฟอร์

การวิเคราะห์สัดส่วนของออกซิเจน-18 (¹⁸O) ต่อ ออกซิเจน-16 (¹⁶O) ในเปลือกหอยกาบโคโลราโด (Colorado Delta clam) สามารถใช้ในการประเมินความกว้างของปากแม่น้ำในบริเวณสามเหลี่ยมปากแม่น้ำโคโลราโด ก่อนที่จะทำการก่อสร้างเขื่อนทางตอนบนของแม่น้ำ

พัฒนาการของนิติวิทยาศาสตร์ (forensic science) เมื่อไม่นานมานี้คือการวิเคราะห์ไอโซโทปในเส้นผม เส้นผมมีอัตราการงอกประมาณ 9-11 มิลลิเมตรต่อเดือน หรือ 15 เซนติเมตรต่อปี ผมที่งอกยาวขึ้นจะมีส่วนสัมพันธ์กับอาหารและน้ำดื่ม สัดส่วนของไอโซโทปเสถียรในน้ำดื่มจะเป็นไปตามสถานที่แต่ละแห่งและสภาพทางธรณีวิทยาที่น้ำนั้นไหลผ่านมา ไอโซโทปของ ⁸⁷Sr, ⁸⁸Sr และ ออกซิเจนจะแปรผันและแตกต่างกันไปในแต่ละแห่งของโลก ความแตกต่างในสัดส่วนของไอโซโทปเหล่านี้ จึงอยู่ในแต่ละส่วนของเส้นผมที่งอกขึ้นมา และใช้ในการระบุได้ว่ามีประวัติเคยอยู่ในสถานที่ใดมาก่อนจากการวิเคราะห์เส้นผม ตัวอย่างเช่น การใช้เพื่อยืนยันว่าผู้ก่อการร้ายเคยอยู่ที่ใดมาก่อนโดยการวิเคราะห์เส้นผม วิธีการนี้ได้รับความนิยมมากขึ้น เนื่องจากไม่ต้องเจาะเลือดเพื่อนำมาตรวจ โดยเฉพาะเมื่อการวิเคราะห์ดีเอนเอหรือวิธีปกติไม่ได้ผล

มีการใช้การวิเคราะห์ไอโซโทปเสถียรในการติดตามเส้นทางของยาเสพติด ปริมาณไอโซโทปในมอร์ฟีนที่สกัดจากฝิ่นที่ปลูกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ มีค่าที่แตกต่างจากฝิ่นที่ปลูกในเอเชียตะวันตกเฉียงใต้ เทคนิคเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้กับการแยกความแตกต่างของโคเคนที่ผลิตจากโบลิเวียกับโคลัมเบียได้เช่นกัน

สาขาไอโซโทปทางธรณีเคมี (isotope geochemistry) ซึ่งเน้นด้านธรณีวิทยา เป็นการศึกษาสัดส่วนหรือความเข้มข้นของธาตุและไอโซโทปที่เป็นองค์ประกอบโลก ความผันแปรของปริมาณไอโซโทปที่วัดได้ด้วยเครื่องวัดสัดส่วนมวลของไอโซโทป (isotope ratio mass spectrometer) หรือ การวัดมวลด้วยเครื่องเร่งอนุภาค (accelerator mass spectrometer) สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของหินหรือแหล่งที่มาของน้ำหรืออากาศ สัดส่วนของไอโซโทปสามารถแสดงให้เห็นกระบวนการทางเคมีในบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว

ตะกัวประกอบด้วย 4 ไอโซโทปเสถียร ได้แก่ ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb และอีก 1 ไอโซโทปรังสี ได้แก่ ²⁰²Pb ซึ่งมีครึ่งชีวิต ~53,000 ปี ตะกั่วบนโลกเกิดขึ้นจากการสลายตัวของของกลุ่มยูเรเนียม โดยเฉพาะยูเรเนียมกับทอเรียม

มีการนำไปใช้ในการหาอายุของแกนน้ำแข็งจากชั้นน้ำแข็งในอาร์กติก การให้ข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งที่มาของมลภาวะจากตะกั่วในบรรยากาศ

ไอโซโทปของตะกั่วยังนำไปใช้ในทางนิติวิทยาศาสตร์ เพื่อบอกที่มาของกระสุนปืน เนื่องจากลูกกระสุนแต่ละชุด จะมีสัดส่วนของ ²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb ต่อ ²⁰⁷Pb/²⁰⁸Pb ที่เป็นค่าจำเพาะ

ไอโซโทปอุทกวิทยา (Isotope hydrology ) เป็นการใช้ไอโซโทปเพื่อหาอายุและแหล่งที่มาของน้ำ และทิศทางการเคลื่อนตัวในวัฏจักรของน้ำ เทคนิคนี้ทำให้ได้ข้อมุลไปใช้ในการกำหนดนโยบายการใช้น้ำ การทำแผนภูมิชั้นน้ำ (mapping aquifer) การบริหารจัดการน้ำ และการควบคุมมลภาวะ โดยนำมาใช้แทนที่หรือสับสนุนวิธีการเดิมที่ใช้การวัดน้ำฝน การวัดระดับของแม่น้ำ และแหล่งน้ำต่างๆ

โมเลกุลของน้ำแต่ละแห่งจะมีลักษณะจำเพาะ เนื่องจากมีสัดส่วนไอโซโทปของออกซิเจนกับไฮโดรเจนที่แตกต่างกัน

การประยุกต์ใช้ไอโซโทปอุทกวิทยา ได้แก่ การหาอายุของหิมะหรือน้ำแข็ง และช่วยแสดงสภาวะของบรรยากาศในอดีต ในสภาวะที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าเฉลี่ย ออกซิเจน-18 จะได้รับพลังงานมากขึ้น ทำให้มีออกซิเจนในบรรยากาศมากขึ้น ขณะเดียวกัน การที่มีออกซิเจน-18 ต่ำกว่าปกติในน้ำใต้ดินและในชั้นน้ำแข็ง ก็แสดงว่าน้ำหรือน้ำแข็งนั้นเกิดจากการระเหยของน้ำในยุคที่บรรยากาศเย็นลงหรือในยุคน้ำแข็ง

การประยุกต์เพื่อใช้ศึกษาการไหลของน้ำใต้ดินและน้ำผิวดินที่มาจากน้ำในลำธารเพื่อใช้ในการทำแผนภูมิอุทกวิทยา น้ำที่เกิดจากจากฝนหรือหิมะที่ตกลงมานั้นมีสัดส่วนของไอโซโทปที่เป็นค่าจำเพาะ ซึ่งไอโซโทปของน้ำใต้ดินสามารถหาได้จากการเก็บตัวอย่างจากหลุมเจาะ ขณะที่การหาสัดส่วนของไอโซโทปจากลำธารในแต่ละแห่ง แต่ละช่วงเวลา จะแสดงให้เห็นว่าส่วนใดของน้ำในลำธารมาจากน้ำผิวดินหรือน้ำใต้ดิน

สัดส่วนของไอโซโทป ¹⁸O กับ ¹⁶O ในแกนน้ำแข็งและที่ก้นทะเลมีค่าแปรตามอุณหภูมิ ซึ่งสามารถใช้แทนค่าเพื่อหาการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ จากการที่ไอโซโทป ¹⁶O เบากว่า ¹⁸O ในช่วงที่โลกอยู่ในภาวะที่เย็นลง (เกิดธารน้ำแข็ง) เช่นในยุคน้ำแข็ง ไอโซโทปของ ¹⁶O มีแนวโน้มที่จะระเหยจากมหาสมุทรที่เย็นตัวลง ทำให้มีไอโซโทปของ ¹⁸O มากกว่าเล็กน้อย สิ่งมีชีวิต เช่น foraminifera จะดูดซึมออกซิเจน คาร์บอนและแคลเซียม ที่ละลายอยู่ในน้ำรอบตัวเอง เพื่อนำมาใช้สร้างเปลือกหุ้ม จึงทำให้สัดส่วน ¹⁸O กับ¹⁶O ในเปลือกหุ้มนั้นมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิด้วย เมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นตายลงและทับถมอยู่ที่พื้นทะเล จึงเป็นการเก็บรักษาบันทึกข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศที่เกิดขึ้นสูงมากในยุคควอเทอร์นารี (Quaternary) ในทำนองเดียวกัน แกนน้ำแข็งบนแผ่นดินจะมีสัดส่วนของไอโซโทป ¹⁸O ที่หนักมากกว่า ¹⁶O ในช่วงที่อากาศอบอุ่น ที่อยู่ระหว่างแต่ละยุคน้ำแข็ง (interglacials) ซึ่งไอโซโทป ¹⁸O ได้รับพลังงานในการระเหยมากขึ้น ไอโซโทปของออกซิเจนที่เก็บรักษาไว้ในแกนน้ำแข็งจึงเหมือนเงาสะท้อนของบันทึกที่เก็บข้อมูลของตะกอนในมหาสมุทร

ไอโซโทปของออกซิเจนจะเก็บบันทึกผลกระทบของวัฏจักรมิลานโควิตช์ (Milankovitch cycles) ซึ่งเป็นวัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงแกนหมุนของโลก กับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลกในยุค Quaternary ที่แสดงให้เห็นว่าวัฏจักรนี้จะมีผลต่อภูมิอากาศโลก โดยมีวงรอบประมาณ 100,000 ปี