एक आइसोटोप अनुपात मास स्पेक्ट्रोमीटर
आइसोटोप अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर (IRMS) एक ऐसा उपकरण है जो विशेष तत्वों के विभिन्न समस्थानिकों के अनुपात को मापता है। सभी तत्वों में समस्थानिक होते हैं जो नाभिक में न्यूट्रॉन की संख्या में एक दूसरे से भिन्न होते हैं, जिससे उन्हें अलग-अलग परमाणु भार मिलते हैं। आइसोटोप अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के पीछे सिद्धांत यह है कि आइसोटोप को उनके अलग-अलग द्रव्यमान के आधार पर अलग किया जाए और आइसोटोप के जोड़े के बीच अनुपात का निर्धारण किया जाए। यह उपकरण सामग्री के नमूने की आयु और उत्पत्ति के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान कर सकता है। समस्थानिक अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर में भूविज्ञान, जीव विज्ञान और फोरेंसिक विज्ञान सहित कई क्षेत्रों में अनुप्रयोग हैं।
आइसोटोप अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के डिजाइन अलग-अलग हो सकते हैं, लेकिन आम तौर पर, वे एक ही मूल सिद्धांतों का पालन करते हैं। एक इनलेट होगा जहां नमूना पेश किया जाता है, एक दहन कक्ष की ओर जाता है जहां सामग्री को गैस में परिवर्तित किया जाता है, संभवतः विभिन्न गैसों को अलग करने के कुछ साधनों के साथ जो उत्पादन किया जा सकता है। यह चरण जटिल जैविक सामग्रियों को विश्लेषण के लिए आवश्यक सरल यौगिकों में परिवर्तित करता है, जैसे कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2 ), पानी (एच 2 ओ) और नाइट्रोजन (एन 2 )। परिणामस्वरूप गैस को एक आयनीकरण कक्ष में खिलाया जाता है जहां यह इलेक्ट्रॉनों के एक बीम द्वारा आयनित होता है। आयनित गैस को तब एक बीम के रूप में एक अलग पृथक्करण क्षेत्र में केंद्रित किया जाता है, जहां एक विद्युत चुंबक का उपयोग आयनों को विक्षेपित करने के लिए किया जाता है, जैसे कि अलग-अलग आइसोटोप को उनके द्रव्यमान के अनुसार अलग किया जाएगा।
द्रव्यमान पृथक्करण क्षेत्र से गुजरने के बाद, आयन उन कलेक्टरों तक पहुंचते हैं जो पता लगाए गए आयनों की संख्या के अनुपात में विद्युत संकेत उत्पन्न करते हैं। हल्के आइसोटोप के आयनों को चुंबकीय क्षेत्र द्वारा भारी लोगों की तुलना में अधिक विक्षेपित किया गया होगा, इसलिए कलेक्टरों को तदनुसार तैनात किया जाएगा। इस प्रकार, विभिन्न समस्थानिकों के सापेक्ष अनुपात की गणना की जा सकती है।
नमूनों को आइसोटोप अनुपात मास स्पेक्ट्रोमीटर में पेश करने से पहले तैयार किया जाना चाहिए। जैविक पदार्थों के मामले में, उदाहरण के लिए, नमूने पत्तियों, मिट्टी या अन्य गैर-समरूप सामग्री के रूप में हो सकते हैं। ठोस सामग्री को आम तौर पर सुखाया जाएगा और एक महीन पाउडर में डाला जाएगा। तरल नमूनों को या तो झरझरा ठोस सामग्री पर सुखाया जाएगा या अवशोषित किया जाएगा। एक आइसोटोप अनुपात विश्लेषण करने से पहले, ज्ञात तत्व और आइसोटोप अनुपात की सामग्री का उपयोग करके अंशांकन आमतौर पर किया जाएगा।
पृथ्वी पर किसी भी तत्व के स्थिर समस्थानिकों का समग्र अनुपात ग्रह के निर्माण के समय तय किया गया था। हालांकि एक तत्व के विभिन्न समस्थानिकों में एक ही रासायनिक गुण होते हैं, लेकिन गतिशीलता और अस्थिरता जैसे अन्य कारक आइसोटोप के द्रव्यमान से प्रभावित होते हैं। इन मतभेदों के कारण, विभिन्न भू-रासायनिक और जैव रासायनिक प्रक्रियाएं अपने पृष्ठभूमि मूल्यों के सापेक्ष विशेष रूप से आइसोटोप को केंद्रित या विचलित कर सकती हैं, एक घटना जिसे आइसोटोपिक विभाजन के रूप में जाना जाता है। उदाहरण के लिए, प्रकाश संश्लेषण से वातावरण के सापेक्ष आइसोटोप कार्बन -13 का एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण क्षरण होता है।
कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और अन्य जैसे तत्वों के आइसोटोप के अनुपात में अंतर एक नमूने की उत्पत्ति और इतिहास के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान कर सकता है। एक आइसोटोप अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके यह निर्धारित करना संभव है कि कोई सामग्री कार्बनिक मूल की है और यहां तक कि कुछ मामलों में, भौगोलिक क्षेत्र को इंगित करने के लिए जहां यह उत्पन्न हुआ था। यह फॉरेंसिक विज्ञान में उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, अवैध दवाओं के नमूनों को उनके मूल में वापस पाया जा सकता है और एक संदिग्ध से ली गई मिट्टी के नमूनों की तुलना आइसोटोपिक रूप से एक अपराध स्थल से की जा सकती है।
जैसा कि तापमान और वर्षा आइसोटोपिक विभाजन को प्रभावित कर सकते हैं, आइसोटोप अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग पिछले समय में पृथ्वी की जलवायु की जांच करने के लिए किया जा सकता है। शेल बनाने वाले समुद्री जीवों द्वारा कार्बन और ऑक्सीजन समस्थानिकों के उत्थान और जमाव की दरें जलवायु के अनुसार अलग-अलग होती हैं। इन जीवों के जीवाश्म अवशेष के आइसोटोप अनुपात इस प्रकार जलवायु परिस्थितियों के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जा सकता है जब वे जीवित थे।
भूविज्ञान में, रेडियोमेट्रिक डेटिंग आइसोटोप अनुपात द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर के लिए एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग है। कुछ धातु तत्वों के आइसोटोप अनुपात का उपयोग रॉक नमूना की आयु निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। जब चट्टान बनती है, तो इसमें कुछ रेडियोधर्मी समस्थानिक होते हैं। अन्य आइसोटोप में ये क्षय, या तो एक ही तत्व या, अधिक सामान्यतः, एक अलग तत्व, एक ज्ञात दर पर। मूल का अनुपात - या "माता-पिता" - क्षय उत्पाद के लिए आइसोटोप - या "बेटी" - आइसोटोप का उपयोग चट्टान की उम्र निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है।
