安定同位体比

安定同位体という用語は安定核種と似た意味を持ちますが、特定の元素の核種について話すときに好んで使用されます。したがって、複数形の安定同位体は通常、同じ元素の同位体を指します。このような安定同位体の相対存在量は実験的に測定でき（同位体分析）、研究ツールとして使用できる同位体比が得られます。^{[ 1 ]}理論的には、このような安定同位体には、放射年代測定で使用される放射性崩壊の放射性娘核種が含まれる可能性があります。しかし、安定同位体比という表現は、自然界での同位体分別によって相対存在量が影響を受ける同位体を指すのに好んで使用されます。この分野は安定同位体地球化学と呼ばれます。

自然界に存在する安定同位体の比率を測定すること（同位体分析）は、同位体地球化学において重要な役割を果たしていますが、安定同位体（主に水素、炭素、窒素、酸素、硫黄）は生態学や生物学の研究にも利用されています。また、酸素同位体比を用いて過去の気温を復元する研究も行われており、古気候学において重要なツールとなっています。

分析される一般的な同位体比の例としては、海水では² H/ ¹ H、¹⁸ O/ ¹⁶ O、¹⁷ O/ ¹⁶ O、空気では¹⁵ N/ ^{14 N などがある。 [ 2 ]}

軽元素の同位体システムは、各元素に複数の原始同位体が存在するため、自然系における同位体分別過程を研究するために長年にわたり調査されてきました。これらの元素の研究が長い歴史を持つのは、これらの軽元素や揮発性元素における安定同位体の割合を比較的容易に測定できるためです。しかし、最近の同位体比質量分析法（多重コレクター誘導結合プラズマ質量分析法など）の進歩により、鉄、銅、亜鉛、モリブデンなどのより重い安定元素の同位体比を測定できるようになりました。

酸素と水素の同位体比の変動は、ほとんどのサンプルが海水と北極/南極の雪という2つの極端な状態の間にあるため、水文学に応用されています。 ^{[ 3 ]}帯水層からの水のサンプルと、サンプル中の水素の同位体比の変動を測定するのに十分な感度を持つツールがあれば、その水源が海水か帯水層に浸透する降水か、さらには各水源からの割合を推定することも可能です。^{[ 4 ]}水の安定同位体異性体は、植物の蒸散^{[ 5 ]}や地下水涵養^{[ 6 ] [ 7 ]}の水源を区分するためにも使用されます。

もう一つの応用例は、古気候学における古温度測定です。例えば、ある手法は、生物系による酸素の同位体分別が温度によって変化するのに基づいています。^{[ 8 ]}有孔虫は、殻の中に炭酸カルシウムとして酸素を取り込みます。炭酸カルシウムに取り込まれる酸素同位体である酸素16と酸素18の比率は、温度と水の酸素同位体組成によって変化します。この酸素は、有孔虫が死んで海底に沈み、殻が堆積物の一部になったときに、炭酸カルシウムの中に「固定」されたままになります。堆積物柱の断面から標準的な有孔虫種を選択し、酸素同位体比の変化をマッピングすることで、水の酸素同位体組成の変化を制約できれば、有孔虫が生きている間に遭遇した温度を推測することが可能です。^{[ 9 ]}古気温の関係により、フジツボの殻に含まれる炭酸カルシウムの同位体比を用いて、フジツボが生えるウミガメやクジラの移動経路や採餌場所を推測することも可能になった。^{[ 10 ]}

生態学では、炭素および窒素同位体比は、多くの野生動物の広範な食性を決定するために広く使用されています。これらは、海鳥の広範な食性を決定し、海鳥^{[ 11 ]およびスズメ目の鳥類[ 12 ]}の個体が繁殖期と非繁殖期を過ごす地理的領域を特定するために使用されてきました。 また、数多くの生態学的研究は、移動、食物網構造、食性、および資源利用を理解するために同位体分析を使用してきました^{[ 13 ]。}たとえば、水生生息地で魚の成長を支えるために、川沿いの木からのエネルギーがどれだけあるかを測定するために水素同位体が使用されています^{[ 14 ]} 。直接観察が難しいため、安定同位体を使用して水生動物の食性を決定することは特に一般的です^{[ 15 ]} 。また、研究者は、漁業などの人間と野生生物との相互作用が自然の食性をどのように変化させるかを測定することもできます。^{[ 16 ]} C _{3植物と海洋生物の既知のC 14}比に基づいて、研究者は古代人の食生活における海洋資源と農業や畜産などの陸上資源の相対的な割合を決定することができる。^{[ 17 ]}

法医学では、植物由来の薬物（大麻、コカイン）に含まれる特定の同位体比の変動を利用して、薬物の原産大陸を特定できることが研究で示唆されている。^{[ 18 ]}

^{食品科学では、安定同位体比分析がビール[ 19 ]} 、醤油^{[ 20 ]}、ドッグフード^{[ 21 ]}の組成を決定するために使用されています。

安定同位体比分析は、ドーピング検査にも応用されており、ホルモンの内因性源と外因性（合成）源を区別するために用いられます。^{[ 22 ] [ 23 ]}

安定同位体比の正確な測定は、適切な分析手順、試料調製および保管に依存します。^{[ 24 ]}

コンドライト隕石は、酸素同位体比を用いて分類されます。さらに、炭素質コンドライトに含まれる有機化合物は、マーチソン隕石のように、炭素13の異常な同位体比によって地球外起源であることが確認されています。

安定同位体比分析は、少なくとも30年間、水生生態系全体や海洋食物網の研究にも用いられてきました。この点で最も一般的な分析方法の一つは、同位体濃縮実験において^13Cと^15Nをトレーサーとして使用することです。安定同位体施肥法では、実験者が安定同位体を水生生態系に「投入」し、その通過を測定します。この方法を用いることで、研究者は多くの新たな代謝カスケード効果や栄養カスケード効果を特定することができました。このようなアプローチは、炭素吸収、栄養制限、地下水濾過の研究に用いられてきました。^{[ 25 ]}

上記で説明した安定同位体比の利用法は、自然界に存在する同位体比の測定に関するものです。科学研究​​では、研究対象の物質、プロセス、またはシステムに同位体濃縮物質を導入することによって人為的に変化させた安定同位体比の測定も利用されます。同位体希釈法では、濃縮安定同位体を物質に添加し、その結果生じる同位体比を測定することで、その物質の量を定量化します。同位体標識法では、濃縮同位体を用いて物質を標識し、例えば化学反応、代謝経路、または生物系における物質の進行を追跡します。同位体標識法のいくつかの応用では、この目的を達成するために安定同位体比の測定が用いられます。

• 放射性炭素年代測定
• 同位体分析
• 水素同位体生物地球化学