right|thumb|Espectrómetro de masas de sector magnético utilizado en análisis de proporciones de isótopos, mediante ionización térmica. El análisis isotópico es la identificación de la firma isotópica de una muestra, es decir, la caracterización de la distribución de ciertos isótopos estables de determinados elementos dentro de los compuestos químicos orgánicos e inorgánicos. El análisis de isótopos estables puede utilizarse para conocer el flujo de energía y nutrientes en una red trófica, posibilitando hacer inferencias directas de nivel trófico y de dietas de animales y humanos, para reconstruir condiciones ambientales y climáticas pasadas, para la autenticación de alimentos y una variedad de otros procesos físicos, geológicos, antropológicos, paleontológicos, químicos y forenses.
Las variaciones en las proporciones del fraccionamiento isotópico (razón) se miden utilizando la espectrometría de masas, procedimiento que separa los diferentes isótopos de un elemento en función de su proporción masa-carga.
En el caso particular del oxígeno, sus proporciones isotópicas son diferencialmente afectadas por patrones climatológicos globales y por la topografía regional, que determinan cómo los isótopos gaseosos son transportados en la atmósfera. Las áreas de humedad más baja causan la pérdida preferente del 18O del agua en forma de vapor y precipitación. Además, el agua con 16O regresa preferentemente al sistema atmosférico cuando se evapora, y en cambio el agua con 18O tiene una mayor tendencia a permanecer en forma líquida o a mantenerse en los fluidos del cuerpo de plantas y animales.
Efecto en los tejidos orgánicos Los isótopos de oxígeno se incorporan a los organismos principalmente a través de la ingestión, interviniendo en la formación de los tejidos como pelo, uñas, huesos y dientes (lo que lo hace especialmente útil para propósitos arqueológicos y antropológicos). El oxígeno se incorpora a la hidroxiapatita de los huesos y del esmalte de los dientes. En el caso del pelo y de las uñas, el oxígeno se incorpora en los aminoácidos de la queratina.
El pelo y las uñas se encuentran en constante crecimiento por lo que proveen información sobre la vida reciente de una persona. El pelo crece, aproximadamente, un centímetro por mes, mientras que las uñas crecen un centímetro cada tres meses. Dependiendo del largo de los mismos, la información obtenida puede representar semanas o hasta años.
El hueso es continuamente remodelado durante la vida de cada individuo. A pesar de que el índice de transformación del oxígeno isotópico en la hidroxiapatita no es conocido exactamente, se supone que es similar al del colágeno; de aproximadamente 10 años. Consiguientemente, las proporciones de oxígeno isotópicas en la hidroxiapatita del hueso de un individuo ubicado en una región determinada durante 10 años o más, reflejará las proporciones de isótopos de oxígeno presentes en aquella región.
Los dientes no son sometidos a renovación continua, por lo que sus proporciones de oxígeno isotópicas quedan fijadas en el instante de su formación, representando las proporciones de la región en la que el individuo nació y se crio. En el caso de las denticiones deciduas (temporales), también es posible determinar la edad en la que un niño abandonó la lactancia, porque la leche materna incorpora el agua del cuerpo de la madre con niveles más altos de 18O (debido a la pérdida preferente de 16O a través del sudor, la orina, y el vapor de agua expirado).
Mientras que los dientes son más resistentes a cambios químicos y físicos con el paso del tiempo que los huesos, ambos están sujetos a diagénesis por deposiciónes posteriores. En tal caso, el análisis isotópico hace uso de los grupos fosfato, mucho más resistentes que los menos abundantes grupos hidroxilo, o que los probablemente más sensibles a efectos diagenéticos grupos carbonato presentes.
Aplicaciones El análisis isotópico tiene múltiples aplicaciones en las ciencias naturales, incluyendo la biología, y las ciencias medioambientales y de la Tierra.
Arqueología
Reconstrucción de la palaeodieta Restos de tejidos recuperados en sitios arqueológicos, como huesos, dientes, residuos orgánicos, cabellos o conchas marinas, pueden ser analizados isotópicamente. La distribución de los isótopos del carbono y del nitrógeno son usados para reconstruir la dieta, y los isótopos del oxígeno suelen determinar el origen geográfico y el paleoambiente. Los isótopos del estroncio y del plomo pueden utilizarse para analizar los movimientos de las poblaciones, hábitos migratorios y movilidad estacional.Carlson, A. K. 1996. En arqueología es común combinar elementos en el análisis isotópico para reconstruir la dieta, el cambio en las fuentes de agua, las migraciones, y las interacciones culturales. Por ejemplo, los arqueólogos fueron capaces de confirmar que el crecimiento de la población dentro de la parte alta del Valle de Río Min en Tailandia durante la Edad del Hierro se debió a factores locales más que a la inmigración de otras áreas.Cox, K. J., Bentley, R. A., Tayles, N., Buckley, H. R., Macpherson, C. G., & Cooper, M. J. (2011).
Los isótopos de carbono entran en la cadena alimentaria cuando los herbívoros consumen plantas, y los isótopos de oxígeno se introducen en la cadena alimentaria al consumir agua libre y el agua contenida en la dieta. Examinando la proporción de los isótopos 12C/13C, es posible determinar si los animales comieron predominantemente plantas de los tipos C3 o C4. Fuentes alimentarias potenciales del tipo C3 incluyen el arroz, los tubérculos, las frutas, los frutos secos y muchas verduras, mientras que las fuentes alimentarias del tipo C4 incluyen el mijo y la caña de azúcar.Cox, K. J., Bentley, R. A., Tayles, N., Buckley, H. R., Macpherson, C. G., & Cooper, M. J. (2011). Los de isótopos de carbono también se pueden usar para distinguir entre fuentes de alimentos marinas, de agua dulce y terrestres.
Los isótopos de carbono se pueden medir en el colágeno óseo o en el mineral óseo (hidroxiapatita), y cada una de estas fracciones de hueso se puede analizar para arrojar luz sobre los diferentes componentes de la dieta. El carbono en el colágeno óseo proviene predominantemente de la proteína dietética, mientras que el carbono que se encuentra en el mineral óseo proviene de todo el carbono dietético consumido, incluidos los carbohidratos, los lípidos y las proteínas por lo que la medición de esta fase representará el promedio de la dieta total.
Para obtener un cuadro cuidadoso de palaeodietas, es importante entender los procesos de diagenesis que pueden afectar a la firma isotópica original. Es también importante para el investigador conocer las variaciones de isótopos dentro de cada individuo, entre distintos individuos, y con el transcurso del tiempo.
Procedencia de materiales arqueológicos El análisis isotópico ha sido particularmente útil en arqueología como medio de caracterización. La caracterización de objetos implica determinar la composición isotópica de los materiales (como los instrumentos de metal, por ejemplo) y compararla con la composición isotópica de los metales de minas o yacimientos conocidos. Se ha podido determinar el origen de una amplia gama de materiales arqueológicos como metales, vidrio y pigmentos de plomo utilizando la caracterización isotópica.Shortland, A. J. 2006. Particularmente en la Edad del Bronce Mediterránea, el análisis de isótopos de plomo ha sido una herramienta útil para determinar las fuentes de metales y un indicador importante de patrones de comercio. La interpretación de los datos de los isótopos del plomo aun así es a menudo controvertida y afronta retos instrumentales y metodológicos numerosos.Budd, P., Haggerty, R., Pollard, A. M., Scaife, B. and Thomas, R. G. 1996. Problemas como el mezclado y la reutilización de metales de fuentes diferentes, datos fiables limitados y la contaminación de las muestras pueden constituir problemas difíciles de resolver para lograr una interpretación correcta.
Ecología Todos los elementos biológicamente activos existen en un cierto número de formas isotópicas diferentes, de las que dos o más son estables. Por ejemplo la mayoría del carbono está presente como 12C, con aproximadamente un 1% de 13C. La proporción de los dos isótopos puede ser alterada por procesos biológicos y geofísicos , y estas diferencias pueden ser utilizadas de distintas maneras en los estudios ecológicos. Los elementos principales utilizados en ecología de isótopos son el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno y el azufre.
Análisis de la proporción entre el 18O y el 16O en las conchas de la almeja del Delta del Colorado permitió evalúar la extensión histórica del estuario del delta del río Colorado con anterioridad a la construcción de los diques situados río arriba.
Análisis de isótopos estables en ecosistemas acuáticos Los isótopos estables se han convertido en un método popular para comprender los ecosistemas acuáticos porque pueden ayudar a los científicos a comprender las redes tróficas marinas. Este análisis también se suele usar, aunque en menor grado, en sistemas terrestres. Ciertos isótopos pueden determinar los distintos productores primarios que forman las bases de las redes tróficas y su posición en los niveles tróficos. Las composiciones de isótopo estables están expresadas en plazos de valores de delta (δ) por mil (‰), es decir, en diferencias de partes por de millar respecto a un estándar. Expresan la proporción de un isótopo en una muestra. Los valores están expresados como:
δX = [(Rmuestra / Restándard) – 1] x 103
donde X representa el isótopo analizado (p. ej., 13C) y R representa la proporción del isótopo analizado y su forma natural (p. ej., 13C/12C).Fry, B., Peterson, B.J. 1987. Un valor más alto (menos negativo) de delta indica aumentos en el isótopo de la muestra analizada, respecto al estándar, y más bajo (o más negativo) los valores indican disminuciones. Los materiales de referencia estándares para el carbono, el nitrógeno, y el azufre son la caliza Pee Dee Belamnite (PDB), el gas nitrógeno en la atmósfera (AIR), y el meteorito del Cañón del Diablo (CDT) respectivamente. El análisis es normalmente hecho utilizando un espectrómetro de masa, detectando diferencias pequeñas entre elementos gaseosos. El análisis de una muestra puede costar entre 30 y 100 dólares.Fry, B., Peterson, B.J. 1987. Los isótopos estables permiten a los científicos analizar redes tróficas y dietas animales comparando los tejidos animales que soportan un enriquecimiento isotópico fijo (o un agotamiento) contra la dieta. Músculos o fracciones de proteína son el tejido animal más comúnmente utilizado para examinar los isótopos porque representan los nutrientes asimilados en la dieta. La ventaja principal de utilizar el análisis de un isótopo estable como contraste a las observaciones del contenido del estómago, es que en cualquier circunstancia el estado del estómago del animal (vacío o no), el isótopo permite trazar a través de los tejidos su posición en la cadena trófica y sus fuentes alimentarias.Michener, L. K. a. Los tres isótopos importantes utilizados en el análisis de la red trófica de ecosistema acuáticos son 13C, 15N y 34S. Aunque cualquiera de los tres facilita información sobre la dinámica trófica, es común efectuar el análisis de al menos dos de los tres isótopos mencionados para obtener un mejor entendimiento de las interacciones tróficas marinas y resultados más concluyentes.
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