Uno spettrometro di massa a rapporto isotopico (IRMS) è uno strumento che misura i rapporti di diversi isotopi di particolari elementi. Tutti gli elementi hanno isotopi che differiscono l’uno dall’altro solo per il numero di neutroni nel nucleo, dando loro pesi atomici diversi. Il principio alla base dello spettrometro di massa a rapporto isotopico è quello di differenziare gli isotopi in base alle loro diverse masse e determinare i rapporti tra coppie di isotopi. Questo dispositivo può fornire informazioni vitali sull’età e l’origine di un campione di materiale. Lo spettrometro di massa del rapporto isotopico ha applicazioni in molte aree, tra cui geologia, biologia e scienze forensi.
Il design degli spettrometri di massa a rapporto isotopico può variare, ma generalmente seguono gli stessi principi di base. Ci sarà un ingresso dove viene introdotto il campione, che porta ad una camera di combustione dove il materiale viene convertito in un gas, possibilmente con qualche mezzo per separare i diversi gas che possono essere prodotti. Questa fase converte anche materiali biologici complessi nei composti semplici necessari per l’analisi, come l’anidride carbonica (CO2), l’acqua (H2O) e l’azoto (N2). Il gas risultante viene immesso in una camera di ionizzazione dove viene ionizzato da un fascio di elettroni. Il gas ionizzato viene quindi focalizzato come un raggio in un’area di separazione di massa, dove viene utilizzato un elettromagnete per deviare gli ioni, in modo tale che i diversi isotopi vengano separati in base alle loro masse.
Dopo aver attraversato l’area di separazione di massa, gli ioni raggiungono collettori che generano segnali elettrici proporzionali al numero di ioni rilevati. Gli ioni degli isotopi più leggeri saranno stati deviati maggiormente dal campo magnetico rispetto a quelli più pesanti, quindi i collettori saranno posizionati di conseguenza. Pertanto, possono essere calcolate le proporzioni relative dei diversi isotopi.
I campioni devono essere preparati prima di essere introdotti nello spettrometro di massa del rapporto isotopico. Nel caso delle sostanze biologiche, ad esempio, i campioni possono essere sotto forma di foglie, terriccio o altro materiale non omogeneo. Il materiale solido sarà generalmente essiccato e macinato in una polvere fine. I campioni liquidi saranno essiccati o assorbiti su materiale solido poroso. Prima di eseguire un’analisi del rapporto isotopico, viene solitamente eseguita la calibrazione utilizzando materiali di elementi noti e rapporti isotopici.
I rapporti complessivi degli isotopi stabili di un dato elemento sulla Terra sono stati fissati al momento della formazione del pianeta. Sebbene diversi isotopi di un elemento abbiano le stesse proprietà chimiche, altri fattori come la mobilità e la volatilità sono influenzati dalle masse degli isotopi. A causa di queste differenze, vari processi geochimici e biochimici possono concentrare o ridurre particolari isotopi rispetto ai loro valori di fondo, un fenomeno noto come frazionamento isotopico. Ad esempio, la fotosintesi provoca un piccolo ma significativo esaurimento dell’isotopo carbonio-13 rispetto all’atmosfera.
Le differenze nei rapporti degli isotopi di elementi come carbonio, ossigeno, azoto e altri possono fornire importanti informazioni sull’origine e la storia di un campione. È possibile utilizzare uno spettrometro di massa a rapporto isotopico per determinare se un materiale è di origine organica e persino, in alcuni casi, per individuare l’area geografica in cui ha avuto origine. Questo può essere utile nella scienza forense. Ad esempio, i campioni di droghe illegali possono essere ricondotti alle loro origini e i campioni di suolo prelevati da un sospetto possono essere confrontati isotopicamente con quelli di una scena del crimine.
Poiché la temperatura e le precipitazioni possono influenzare il frazionamento isotopico, la spettrometria di massa del rapporto isotopico può essere utilizzata per studiare il clima terrestre nei tempi passati. I tassi di assorbimento e deposizione di isotopi di carbonio e ossigeno da parte degli organismi marini che formano conchiglie variano a seconda del clima. I rapporti isotopici dei resti fossili di questi organismi possono quindi essere utilizzati per ottenere informazioni sulle condizioni climatiche in cui erano in vita.
In geologia, la datazione radiometrica è un’applicazione importante per lo spettrometro di massa del rapporto isotopico. I rapporti isotopici di alcuni elementi metallici possono essere utilizzati per determinare l’età di un campione di roccia. Quando la roccia si forma, conterrà alcuni isotopi radioattivi. Questi decadono in altri isotopi, dello stesso elemento o, più comunemente, di un elemento diverso, a una velocità nota. Il rapporto tra l’isotopo originale – o “genitore” – e il prodotto di decadimento – o “figlio” – isotopo può quindi essere utilizzato per determinare l’età della roccia.