uv 3.3 anàlisi isotòpica. espectrometria de...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en ciències

Univers i vida 1 Química en context

UV 3.3 Anàlisi isotòpica. Espectrometria de masses

Introducció

L’Espectrometria de Masses (EM), en anglès MassSpectrometry (MS), és una tècnica d’anàlisi molt útil per determinar la massa i l’abundància dels diferents isòtops d’un element. També és molt útil en l’estudi de molècules, per a conèixer la massa i per a determinar l’estructura d’aquestes, encara que aquest estudi es farà més endavant.

En aquesta activitat estudiareu diferents aplicacions d’aquesta tècnica basada en l’anàlisi isotòpica. Per això haureu d’entrar a la següent pàgina: http://www.kcvs.ca/site/projects/chemistry.html . Entreu en “isotopicratioanalysis”. L’EM ens permetrà donar resposta a preguntes com:

Com poden ser obtingudes dades de temperatura de 400000 anys d’antiguitat de mostres de gel? Com és detecta la testosterona sintètica en els atletes professionals? Com podríeu dir si la vostra mel ha estat diluïda amb almívar? Com poden els científics descobrir les fonts de metà de la Terra o Mart?

Proposta de treball

Feu 4 grups de manera que cada grup esculli un dels temes on s’utilitza l’espectrometria de masses. A continuació llegiu la lectura corresponent i responeu les qüestions que hi ha continuació. Finalment, es tracta de fer una exposició de cada part per a què la resta de companys entenguin totes les aplicacions estudiades.

Altres propostes de treball són que cadascun agafi el tema que més li agradi i completi l’activitat individualment per aquell tema o bé que tothom agafi el mateix tema i es realitzi l’activitat entre tots.

Qüestions

1. Descriviu breument el funcionament d’un espectròmetre de masses. Per això cliqueu en la mateixa pàgina anterior on diu “aboutthe instrument” o bé entreu a la següent pàgina: http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey/student/olc/ch13ms.html Per ajudar-vos amb l’explicació feu un dibuix d’un espectròmetre de masses.

2. Recordeu i escriviu la definició d’isòtop i escriviu els diferents isòtops que s’estudien

en el tema que heu escollit.

3. Feu un resum del tema que heu escollit intentant donar resposta a la pregunta formulada a la introducció d’aquesta activitat.

4. Exposeu a la resta de companys la vostra part.



Exercici

En l’EM s’obté un gràfic en el qual a l’eix horitzontal es representa la relació massa/càrrega dels diferents fragments de la mostra i a l’eix vertical l’abundància relativa d’aquests fragments.

Donat, el següent gràfic, calculeu la massa atòmica relativa de l’element plom a partir de l’espectre obtingut en analitzar una mostra de plom.

Exercicis d’ampliació 1a lectura El vostre equip ha extret una mostra de gel d’una capa d’un glaciar situat en Groenlàndia i l’analitza en un espectròmetre de masses. Per determinar la temperatura d’aquest gel es mira la relació entre el 16O i el 18O que conté el CO2 que es troba en equilibri amb la mostra de gel, un amb massa 44 (C16O2) i l’altre amb massa 46 (C16O18O).

Per conèixer la temperatura s’ha de comparar la relació C16O18O/C16O2, és a dir, la relació d’abundància entre els dos isòtops de l’oxigen 18O/16O, amb un valor de estàndard que és 0,00200520 i aplicar la següent fórmula:

δ =( ��

��1000



Ara ja podeu calcular la temperatura que hi havia en aquesta mostra de gel a l’any 1948 mirant el gràfic.

2a lectura A continuació hi ha les mostres d’esteroide dels atletes que han quedat en primer i segon lloc detectades amb un espectròmetre de masses. Els metabòlits de testosterona i altres esteroides de referència han estat separats de mostres d’orina i cremats per a obtenir CO2. Els pics que s’obtenen corresponen al diòxid de carboni produït en cremar la testosterona i l’esteroide de referència de l’atleta que ha quedat en 1r i en 2n lloc respectivament, donant els valors dels pics 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2).



Les dades que heu obtingut per a la massa 44 corresponen a l’abundància de l’isòtop 12C, i la massa 45 correspon al 13C. Dividiu l’abundància del 13C entre l’abundància del 12C per a determinar la proporció 13C/12C pels metabòlits de testosterona i els esteroides de referència. Per a convertir-los en la notació delta,

useu la fórmula que hi ha continuació. El valor estàndard és de 0,0112372.

δ13C =( ��

��1000

Per trobar si la testosterona era exògena, dividiu el valor de delta 13C de la testosterona de cada atleta pel valor de delta 13C dels seus esteroides de referència.

Si la proporció resultant és superior a 1,1 es pot assumir que l’atleta al qual se li va fer el mostreig havia pres esteroides exògens per augmentar la seva marca. Ara, us toca a vosaltres: podreu acusar ambdós atletes de dopatge? 3a lectura Seguint el procediment descrit a la lectura, heu incinerat les proteïnes i les mostres de sucre de les companyies HoboHolly’sHoneyandSam’sStickySweets. Després d’haver passat les mostres del CO2 produït en la combustions del sucre i les proteïnes d’ambdues companyies per un espectròmetre de masses, heu obtingut els següents valors corresponents a les masses 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2).

Els valors obtinguts per al pic 44 i al 45 corresponen a l’isòtop de carboni 13 i 12 respectivament. S’ha de dividir l’abundància del 13C entre la del 12C per cada mostra de mel i proteïna de cada companyia i així obtindreu la proporció entre proporció 13C/12C. Per a



convertir-los en la notació delta, useu la fórmula que hi ha continuació. El valor estàndard és de 0,0112372.

δ13C =( ��

��1000

Ara ja podeu trobar si la mel ha estat adulterada, usant la fórmula següent:

Adulteració (%) = Una valor d’adulteració del 7 % o més és acceptat com a prova de que la mel ha estat adulterada. Podrieu confirmar que amdues companyies han estat diluïnt la seva mel amb almívar? O són probablement innocents? 4a lectura És un típic dia al laboratori, i teniu dues mostres desconegudes de metà de l’atmosfera de la Terra esperant per ser analitzades. Seguint el procediment descrit a la lectura, les mostres de metà s’han cremat i purificat per a formar diòxid de carboni i aigua. A continuació teniu els resultats de les dues mostres de CO2 obtingudes en l’espectròmetre de masses. Observeu l’abundància del pic 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2).

Els valors obtinguts per al pic 44 i al 45 corresponen a l’isòtop de carboni 13 i 12 respectivament. S’ha de dividir l’abundància del 13C entre la del 12C per cada mostra de mel i proteïna de cada companyia i així obtindreu la proporció entre proporció 13C/12C. Per a convertir-los en la notació delta, useu la fórmula que hi ha continuació. El valor estàndard és de 0,0112372.

δ13C =( ��

��1000

Usant els vostres càlculs i el gràfic, observeu si podeu determinar si les mostres de metà són probablement termogèniques o biogèniques. Quines són les possibles fonts d’on prové el metà?



Les proporcions d’isòtops estables són més elevades a l’aigua dels oceans, menor al vapor d’aigua i núvols, i intermitja en l’aigua de precipitació. Això es degut al fraccionament isotòpic que passa durant el procés d’evaporació i condensació.

Lectures

1. Com es poden obtenir dades de temperatura de 400000 anys d’antiguitat de mostres de gel? Trobar una manera de determinar dades de temperatura del passat és importantíssim ja que el canvi climàtic global és un dels actuals problemes que ha d’enfrontar en nostre món modern. El nostre clima està canviant, nosaltres hem de descobrir si els canvis que actualment estem vivint han tingut precedents en el passat. Els investigadors en climatologia han extret nuclis de gel de geleres i capes de gel de tot el món. Trobant la relació dels isòtops estables d’aquests nuclis de gel, es poden determinar les dades de temperatura de fa 400000 anys.

Imagineu que recentment us heu unit a un equip buscant les tendències de temperatura del passat en Groenlàndia. Però abans de començar a provar, primer heu de tenir una idea bàsica de què és el que està succeint.

Per què una proporció d’isòtops?

La majoria de molècules d’aigua (H2O) estan compostes per només 16O i 1H isòtops, però un percentatge petit conté isòtops estables pesats 18O i D (2H, o deuteri). Quan l’aigua dels oceans i dels llacs s’evapora a l’atmosfera, les molècules d’aigua compostes pels isòtops més lleugers s’evaporen més fàcilment que aquelles amb isòtops pesats. Com a conseqüència, el vapor d’aigua en l’atmosfera és isotòpicament més lleuger que a l’aigua dels oceans.

Quan el vapor de l’aigua és condensa per a formar precipitacions, els isòtops més pesats es condensen més fàcilment que els lleugers, causant que les proporcions 18O/16O i D/H de la precipitació sigui inferior que a l’aigua dels oceans, però



superior que al vapor d’aigua. A aquest procés sovint es fa referència com a fraccionament isotòpic.

Les precipitacions contenen menys isòtops pesats que els oceans i llacs, però això normalment no marca la diferència perquè degut als cicles de l’aigua, grans masses d’aigua s’escapen cap als rierols i rius. Quan les geleres s’expandeixen a causa de pluges i neu addicionals, però, la precipitació pot romandre localitzada en un lloc durant segles, causant geleres que actuen com a reserva d’aigua isotòpicament lleugera. La diferència entre la proporció d’isòtops entre una gelera i un oceà depèn molt de la temperatura; temperatures molt baixes significa que pocs isòtops pesats han estat capaços d’evaporar-se i les diferències en l’abundància d’isòtops és més gran. A mesura que la temperatura baixa, per tant, les proporcions 18O/16O i D/H al gel disminueixen.

Els investigadors han desenvolupats equacions que quantifiquen la relació entre les proporcions isotòpiques a les geleres i la temperatura en el moment en què la capa de gel es va formar. Aquestes equacions són molt complicades, però han donat resultats força precisos quan es compara amb dades de temperatura actuals.

Diferents equacions són necessàries per a cada regió del món degut a les variacions climàtiques. Com el vostre laboratori analitzarà aquestes proporcions isotòpiques? Ambdós isòtops d’oxigen i deuteri poden ser analitzats per a trobar dades de temperatura de nuclis de gel, però els isòtops d’oxigen són generalment més freqüents. Per a trobar les proporcions 18O/16O, podeu tallar una mostra d’un nucli de gel a certa profunditat. Llavors l’heu de fondre a temperatura ambient i col·locar l’aigua resultant en un vial. Heu d’afegir al vial, diòxid de carboni pur amb una coneguda proporció isotòpica, i el mantindreu a 40ºC durant cinc hores.



Això permetrà als isòtops d’oxigen-16 transferir-se de l’aigua al diòxid de carboni en un procés d’equilibri, com es mostra en la següent equació: C 16O2 + H2

18O C 16O 18O + H2 16O

Seguint l’equilibri, els isòtops 18O han estat transferits de l’aigua al diòxid de carboni, donant CO2 amb l’original proporció isotòpica de l’aigua del nucli del gel. Finalment,podeu fer passar el CO2 a través d’un espectròmetre de masses per a determinar la proporció de 18O/16O de la mostra mesurant les intensitats dels pics 44 i 46. Una equació pot usar-se per relacionar aquesta proporció amb la temperatura original atmosfèrica en el moment en què el gel es va formar.

Aquestes equacions varien depenent de la localització, ja que la relació entre l’abundància isotòpica i la temperatura és lleugerament diferent en cada clima.

2. Com és detecta la testosterona sintètica en els atletes professionals? Han passat quatre dies després d'una carrera important, i tu i els teus companys de feina a la Companyia de Proves d’Atletisme sou informats de què el primer i el segon lloc van donar positius de dopatge. Nivells anormals de testosterona (una hormona sexual masculina que actua com un esteroide anabolitzant, en la formació de músculs i ossos) ha estat trobada en ambdues mostres d’orina quan els atletes van set sotmesos a la prova al final de la carrera. La dificultat, però, és determinar si la testosterona és endògena (produïda naturalment al cos) o exògena ( produïda externament i presa com una droga).

Podríeu assumir que els atletes tenen testosterona exògena (i per tant es van dopar) basant-vos en els seus nivells més alts d’hormona que el recompte de testosterona mitjà? O Si O No La resposta no és tan fàcil com sembla.

És relativament difícil trobar si es va fer servir testosterona sintètica. Els nivells naturals de testosterona varien significativament d’una persona a una altra, per això recomptes molt alts de testosterona no signifiquen necessàriament que s’hagi produït un dopatge. La proporció entre testosterona i epitestosterona, un altre esteroide endogen trobat en tots els atletes, és algunes vegades usat per a determinar si s’ha produït un dopatge de testosterona. Si els atletes, de manera natural, tenen nivells alts de testosterona, també haurien de tenir nivells alts de epitestosterona. Per acord del Comitè Olímpic Internacional, una relació testosterona/epitestosterona (T/E) de més de 6, indica que l’atleta probablement ha pres un suplement de testosterona.



Als atletes que van quedar en el primer i segon lloc se’ls va trobar proporcions T/E de 6,2 i 6,4 respectivament. Us sembla que aquesta evidència és suficient per a què retornin les seves medalles i anunciïn oficialment que van mentir? O Si O No Podria succeir això, però no voldríeu que es fes una acusació falsa. La proporció de T/E pot ser un bon indicador de si és va produir un engany, però no són sempre segures.

La proporció de testosterona/epitestosterona pot ser una magnífica eina per a determinar si es va produir o no dopatge. Les proporcions trobades en aquests dos atletes podrien indicar que menteixen; però, algunes vegades una proporció elevada pot produir-se de manera natural. Un altre problema és que els atletes ocasionalment poden prendre epitestosterona exògena a la vegada que testosterona per a mantenir una baixa proporció, per això aquest mètode no és prou segur.

L’estructura de la testosterona es troba a la dreta. Cada molècula de testosterona serà idèntica? O Si O No Sorprenentment, cada molècula de testosterona no és igual.

Encara que les nostres representacions de l’estructura de la testosterona són sempre les mateixes, hi ha petites diferències no representades a les imatges. La proporció dels isòtops de carboni pot ajudar-nos a distingir entre molècules de testosterona de diferents fonts. En humans, la testosterona es produeix a partir del colesterol que prové del vegetals i carns de la nostra dieta, que conté una proporció 13C/12C que reflexa el nivell de 13C de la dieta d’una persona. D’altra banda, els esteroides exògens, normalment tenen nivells de 13C inferiors ja que s’originen únicament a partir de soja o de nyam silvestre, que són les plantes C3. Aquestes plantes generalment tenen baixes proporcions de 13C/12C; com a resultat, el fet d’administrar testosterona a un atleta causarà una menor proporció de 13C/12C en la seva testosterona. Com detectarà el vostre laboratori aquesta proporció isotòpica?

Primer, haureu d’usar la cromatografia de gasos per a separar alguns metabòlits de testosterona de l’orina dels atletes, com d’altres esteroides endògens que podrien ser usats com a referència. Si s’han produït de les mateixes fonts dietètiques, tots aquests esteroides haurien de tenir proporcions isotòpiques similars. Després, cremareu els esteroides per a formar CO2, que



s’analitzarà amb un espectròmetre de masses. Dels valors dels pics 44 (12C16O2) i 45 (13C16O2) que enregistrarà el espectròmetre de masses, podreu calcular les proporcions de 13C/12C. Això us permetrà comparar les proporcions de 13C/12C dels metabòlits de testosterona amb uns esteroides de referència. Si la testosterona de l’atleta té nivells inferiors de 13C que els seus esteroides de referència, es pot suposar que part de la testosterona fos sintetitzada en un laboratori a partir de plantes de soja o de nyam. 3. Com podríeu dir si la vostra mel ha estat diluïda amb almívar? Com a treballador del Laboratori d’Anàlisis de Mel Ltd., sou abordat pels gerents enfadats de duess companyies productores de mel, HoboHolly’sHoney and Sam’sStickySweets. Ambdues companyies han estat acusades de diluir la seva mel amb almívar barat per a reduir costos. Els managers s’han posat en contacte amb vosaltres per a trobar si els seus empleats realment han estat adulterant la seva mel o si aquestes acusacions són injustificades.

La mel és produïda del nèctar recol·lectat per les abelles. Com a resultat, cada àtom de carboni en la mel, podria provenir de dues fonts naturals: a partir dels sucres de la mel (produïts a través de la fotosíntesis de les plantes productores de nèctar) o partir de les proteïnes de la mel (produïdes per les abelles en forma d’enzims per millorar la maduració del nèctar).

Abans de començar a analitzar les mostres sospitoses de mel d’aquestes dues companyies, necessiteu saber com la proporció d’isòtops pot distingir entre una mel pura i una diluïda. La proporció estable dels isòtops de carboni (13C i 12C) és generalment usada amb aquest propòsit. En una mostra pura de mel, esperaríeu les mateixes proporcions de 13C/12C dels sucres de la mel i de les proteïnes? O Si O No Les proporcions haurien de ser similars.

Les abelles obtenen el carboni que incorporen als enzims i el carboni que converteixen en mel de les mateixes plantes originàries. Això significa que tots els àtoms de carboni en la mel, estiguin en forma de sucre o de proteïnes, provenen de la mateixa font i haurien de tenir aproximadament la mateixa proporció isotòpica.

Les plantes que les abelles usen com a font de carboni estan classificades com a plantes C3, perquè el carboni s’incorpora primer en un compost de 3 carbonis durant la fotosíntesis. D’altra banda, la canya de sucre o de blat de moro, estan classificades com a plantes de 4 carbonis perquè el carboni primer s’incorpora en un compost de 4 carbonis. La fotosíntesis en les plantes C4 tendeixen a afavorir la formació de molècules de carboni-1, per tant la canya de sucre i el blat de moro tendeixen a tenir una proporció de 13C/12C més gran que les plantes C3. Com a conseqüència, si



l’almívar obtingut a partir de les canyes de sucre o del blat de moro és afegit a la mel, el producte resultant tindrà una proporció 13C/12C més elevada perquè s’han afegit productes procedents de plantes C4. Si la mel és adulterada amb almívar o xarop de blat de moro, esperaríeu que les proporcions isotòpiques dels sucres i proteïnes de la mel tinguessin la mateixa proporció o només als sucres?

O Si O No

Afegint sucres C4 només hauria de canviar la proporció dels sucres de la mel, però no de les proteïnes.

La proteïna de la mel hauria de tenir la mateixa proporció sense tenir en compte si la mel ha estat diluïda o no, perquè la proteïna prové directament dels enzims produïts per les abelles, però no de la solució de sucre. A més, els científics poden comparar la proporció 13C/12C de la proteïna de la mel amb la proporció 13C/12C dels sucres de la mel. Si les proporcions són similars, la mel serà amb molta probabilitat pura. D’altra banda, si els sucres tenen una proporció superior de 13C/12C que les proteïnes, es pot assumir que la mel ha estat contaminada amb l’almívar procedent de la canya de sucre o xarop de blat de moro. Com detectarà el vostre laboratori aquesta proporció isotòpica? Per a detectar la puresa, haureu d’incinerar les mostres de mel i proteïnes en càpsules de porcellana a 850 ºC, fent que el CO2 format es reculli en un recipient de nitrogen líquid i es condensi. Haureu de recollir el CO2 i fer-lo passar a través d’un espectròmetre de masses. Després, podreu calcular les proporcions de carboni-13 i carboni-12 i convertir aquestes proporcions en la notació delta. Ara ja és possible determinar si la mel ha estat adulterada o no. 4. Com poden els científics descobrir les fonts de metà de la Terra o Mart? El metà (CH4) és un poderós gas d’efecte hivernacle, el qual significativament pot contribuir a l’efecte hivernacle i al canvi climàtic global en petits nivells atmosfèrics. El metà en l’atmosfera de la Terra prové de nombroses fonts naturals i antropogèniques. Com a científics, el vostre

treball s’encarrega d’intentar descobrir les principals fonts de metà a la Terra de manera que es puguin desenvolupar diferents actuacions per a reduir la quantitat de metà que es produeix.

Però com podríeu dir on es genera el metà? Els investigadors han descobert que diferents processos afavoreixen els isòtops de carboni i hidrogen lleugers o pesats segons variïn alguns graus, formant-se molècules de metà en algunes fonts isotòpicament més pesades que en d’altres fonts. Això fa possible trobar d’on procedirà el metà basant-se en proporcions isotòpiques.



Els arrossars i els abocadors són exemples de fonts antropogèniques de metà. Els metanògens microscòpics naturalment produeixen metà.

D’on prové el metà majoritàriament? Una part pot ser causada per fonts no biològiques, incloent les erupcions volcàniques i reaccions de serpentinització als oceans. Però el 90-95% del metà a la Terra té un origen biològic. Els dos principals tipus de metà biològic són el termogènic i el biogènic. El metà termogènic és produït a les profunditats del sòl a partir de restes d’organismes morts, els quals gradualment es transformen en combustibles fòssils després d’haver estat exposats a la calor i la pressió durant segles. El metà biogènic (biogàs) és produït per metanògens, microorganismes productors de metà que normalment troben condicions anaeròbiques. Com detectarà el nostre laboratori aquesta proporció isotòpica? Al vostre laboratori, feu servir proporcions d’isòtops estables de carboni (13C/12C) i deuteri/hidrogen (2H/1H) per a determinar l’origen de les mostres de metà. Per fer això, cremeu una mostra pura de metà, produint diòxid de carboni i aigua. El CO2 és purificat i llavors mesurat amb un espectròmetre de masses. Podeu calcular la proporció 13C/12C dividint la intensitat del pic 45 (13C16O2) amb la del pic 44 (12C16O2). Per a major certesa, algunes vegades també treballeu amb proporcions deuteri/hidrogen de l’aigua que ha estat produïda en la combustió.

Què passa a Mart?

El vostre equip no és l’únic grup de científics intentant determinar l’origen de les molècules de metà. La molècula més simple de totes les molècules orgàniques, al metà sovint se l’ha anomenat “la signatura de la vida”. Quan va ser descobert a l’atmosfera marciana al 2003, determinar d’on provenia va arribar a ser l’ambició d’alguns investigadors intentant aprendre si les condicions són favorables per a la vida al planeta vermell. Però pot ser l’origen del metà ser descobert de la mateixa manera que a la Terra?



A la Terra, els científics han fet investigacions molt extenses i poden determinar si el metà és biogènic, termogènic o no biològic basant-se en valors estàndard. Però a Mart, no és tan fàcil. L’experimentació és molt més difícil, ja que els instruments s’han de transportar en transbordadors espacials per alguns mesos i els humans han d’operar tot des de la Terra. No hi ha valors estàndard per a realitzar càlculs i comparacions a Mart. La vida al nostre planeta ha evolucionat cap a certes proporcions de

13C/12C com a resultat de processos biològics. És possible que la vida a Mart, si existeix, evolucioni totalment cap a proporcions diferents. En aquest cas, els càlculs que es fan a la Terra per a determinar on s’origina el metà no podrien aplicar-se de la mateixa manera a estudiar el metà a Mart.

uv 3.3 anàlisi isotòpica. espectrometria de...

Documents