ISÓTOPOS ESTÁVEIS
ESPECTROMETRIA DE MASSAS
MÉTODO DO TRAÇADOR
A DILUIÇÃO ISOTÓPICA
Paulo Cesar O. Trivelin
Professor Associado
(E-mail: [email protected])
XXIX
CBCS
INTRODUÇÃO
Á T O M O
Eletrosfera
elétrons (Z)
d = 10-8 cm
Núcleo (d = 10-13 cm)
prótons (Z)
nêutrons (A - Z)
Z = Número atômico
A = Número de massa
A-Z = Número de nêutrons
NUCLÍDEO
• Elemento - X (N, P, K, S)
• Número de Massa - AX (14N, 31P, 39K)
• Número Atômico - AzX (147N, 3115P, 3919K)
ISÓTOPOS
ELEMENTO POTÁSSIO (K)
Is ó to p o s d e K
(Z = 1 9 )
E s tá v e is
R a d io a tiv o
N a tu ra l
R a d ia tiv o s
a rtific ia is
Tem po de
M eia V id a
T ip o d e
R a d ia ç ã o
A b u n d â n c ia
n a tu ra l
nenhum a
nenhum a
9 3 ,1 %
0 ,8 9 %
39
19 K
41
19 K
in fin ito
in fin ito
40
19 K
1 ,3 1 0 a n o s
, 
36
19 K
37
19 K
38
19 K
42
19 K
43
19 K
44
19 K
45
19 K
46
19 K
265 m s
1 ,2 3 s
7 ,7 1 m
1 2 ,4 h
2 2 ,4 h
22 m
16 m
115 s

+

+






9
-
+
+
0 ,0 1 %
-
PESQUISAS COM ISÓTOPOS ESTÁVEIS
- CENA/USP
ELEMENTOS DE INTERESSE
E lem e n to
H id ro g ê n io
B o ro
C a rb o n o
N itro g ê n io
O x ig ê n io
E n x o fre
Is ó to p o s E s tá v e is A b u n d â n c ia N a tu ra l
(% d e á to m o s )
1
1H
2
1H
10
6B
11
6B
12
6C
13
6C
14
7N
15
7N
16
8O
17
8O
18
8O
32
16 S
33
16 S
34
16 S
36
16 S
9 9 ,9 8 5
0 ,0 1 5
1 9 ,7 8
8 0 ,2 2
9 8 ,8 9 3
1 ,1 0 7
9 9 ,6 3 4
0 ,3 6 6
9 9 ,7 5 9
0 ,0 3 7
0 ,2 0 4
9 5 ,0 0
0 ,7 6
4 ,2 2
0 ,0 2
LABORATÓRIO DE ISÓTOPOS
ESTÁVEIS (LIE)
ENRIQUECIMENTO ISOTÓPICO E
SÍNTESE DE COMPOSTOS MARCADOS
COM 15N E 34S
Linhas de Enriquecimento de 15NH4+ por Cromatografia de Troca Catiônica
NaOH
resina catiônica Dowex 50W-X8
+
Na (R)
NaOH (S)
15
14
(TB) N
+
NH4
14
abundância
natural
K2 = 1,0257
K2 15
15
NH3(S)
(S) +
+
4 (R)
NH
15
+ NH
14
Reação Global: NH
14
N H4
K3 15
+
4 (S)
K3 @ 1,0
+
4 ( R)
+
15
+
(S)
14
+ NH3(S)
+
NH4
14
(R)
K(1)
NH 3(S)
+ NH4(S)
15
+
NH 4
K(1) = Ka3 = 1,0257
(FB) N
R: fase resina
S: fase solução
+
NH 4 (R)
NH 3(S)
+
NH4 + OH
-
14
NH 3(S)
(R) +
NH3 + H2 O
Deslocamento da banda de 15 NH4 + em uma coluna de resina catiônica
Linha de Enriquecimento de 34SO4 2- por Cromatografia de Troca Aniônica
ESPECTROMETRIA DE MASSAS
ESPECTROMETRIA DE MASSAS (MS)
•
•
•
•
•
determinações de massas atômicas
análise elemental
estrutura de compostos orgânicos
composição de compostos orgânicos
composição isotópica dos elementos: MS
com setor magnético para determinação de
razão isotópica de elementos de baixo
número atômico : H, C, N, O e S (IRMS)
UNIDADES BÁSICAS DE UM IRMS
•Unidade de Admissão ou de Entrada para
Amostras Gasosas;
•Fonte de Ionização;
•Unidade Aceleradora de Íons,
•Analisador Magnético de Íons
•Detector
Espectrômetro de massas: analisador - setor magnético
(180o) (Fonte: Willard et al., 1974).
 ANALISADOR MAGNÉTICO DE ÍONS
H
r1
F
r1
F
F
F
GÁS
2
r = k1
m V
q H
2
detector
DETERMINAÇÕES ISOTÓPICAS
POR IRMS
A. Determinação da abundância de 15N e 34S
(% de átomos) : Análise de espectro ou de
varredura de massas, ou
Análise da razão R = I29/I28 ou I66/I64 (I50/I48)
B. Determinação de Variação Natural:
 D %o;  13C %o;  15N%o;  18O%o e  34S %o
 (%o) =
R amostra
- R padrão
________________________
. 103
R padrão
R = I4/I2 ou I45/I44 ou I29/I28 ou I46/I44 ou I50/I48
Espectrômetro de Massas com Analisador - CNS
Espectômetro de Massas
Analisador ANCA-SL
IRMS-ANCA (Automatic Nitrogen And Carbon Analyser) SL 20/20:
COM UM ANALISADOR ELEMENTAR - EUROPA SCINTIFIC LDA.
Cápsula de Estanho com amostra
Amostrador automático
66 amostras
Combustão Controlada
seguido de
Oxidação e Redução
dos gases de carbono e nitrogênio
Separação Cromatográfia
Espectrômetro de massa
Ionização por impacto de elétrons
Separação por campo magnético
Detecção das massas
Resultados
Átomos % ou %o
concentração de C, N e S (%)
(referentes a padrões)
O MÉTODO DO TRAÇADOR ISOTÓPICO:
A DILUIÇÃO ISOTÓPICA
O MÉTODO DO TRAÇADOR ISOTÓPICO
•Para obter evidências da síntese (incorporação) e
relações precursor - produto entre compostos
conhecidos.
•Exemplo: estudo da origem do oxigênio molecular
na reação fotossintética:
luz
n CO2 + n H218O

18O
2
+ (CH2O)n
O MÉTODO DO TRAÇADOR ISOTÓPICO
•No isolamento, purificação e identificação de
intermediários desconhecidos numa cadeia de
reações.
•Exemplo: Identificação dos compostos estáveis
derivados da assimilação do 14CO2 na elucidação
do ciclo da redução do carbono : ciclo de CalvinBenson.
O MÉTODO DO TRAÇADOR ISOTÓPICO
•Como ferramenta analítica no acompanhamento de
compostos conhecidos no curso de uma reação, :
qualitativa e quantitativa
•Aplicação:
Princípio da Diluição Isotópica
O PRINCÍPIO DA DILUIÇÃO ISOTÓPICA
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Radionuclídeos Artificiais
(ex.: 32P, 35S, 45Ca etc.)
Substrato natural (sA)
Substrato marcado (sB)
QIP = (QIP)sB
QIP = quantidade do isótopo no produto
(QIP)sB = quantidade do isótopo no produto derivado do substrato B.
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Radionuclídeos Artificiais
(ex.: 32P, 35S, 45Ca etc.)
AE = [ (QI) / (QN) ]
AE = atividade específica;
QI = quantidade do isótopo artificial do nutriente na amostra;
QN = quantidade total do elemento na amostra.
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Radionuclídeos Artificiais
(ex.: 32P, 35S, 45Ca etc.)
(AE)P = [ (QIP) / (QNP)]
(AE)sB = [ (QI)sB / (QN)sB] = [ (QIP)sB / (QNP)sB ]
QIP=quantidade do isótopo no produto; QNP= quantidade do elemento (nutriente) no
produto; (Ql)sB = quantidade do isótopo no substrato B; (QN)sB = quantidade do
elemento no substrato B; (QNP)sB- quantidade do nutriente no produto derivado do
substrato B; (QIP)sB - quantidade de isótopo no produto derivado do substrato B
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Radionuclídeos Artificiais
(ex.: 32P, 35S, 45Ca etc.)
QIP = (QIP)sB
(AE)P . QNP = (AE)sB . (QNP)sB
(AE)P
(QNP)sB =
___________
(AE)sB
. QNP
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Radionuclídeos Artificiais
(ex.: 32P, 35S, 45Ca etc.)
Pdff = [(AE)Planta / (AE)fertil.] . (P-total na planta)
Sdff = [(AE)Planta / (AE)fertil.] . (S-total na planta)
:
Pdff ou Ppdf ("phosphorus in the plant derived from fertilizer" ou fósforo na planta
derivado do fertilizante respectivamente) e Sdff (“sulfur in the plant derived from
fertilizer”) avaliados com os radioisótopos 32P e 35S respectivamente
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Isótopos Estáveis
(ex.: 10B, 15N, 34S)
Substrato natural (sA)
Substrato marcado (sB)
QIP = (QIP)sA + (QIP)sB
QIP = quantidade do isótopo no produto
(QIP)sA ou
sB
= quantid. isótopo no produto derivado do substrato A ou B.
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Isótopos Estáveis
(ex.: 10B, 15N, 34S)
Abundância Isotópica (Ab): fração ou % de átomos
(Ab)P = (QIP) / (QNP)
(Ab)sA = (QI)sA / (QN)sA = (QIP)sA / (QNP)sA
(Ab)sB = (QI)sB / (QN)sB = (QIP)sB / (QNP)sB
O Principio da Diluição Isotópica com Uso de Isótopos Estáveis
(ex.: 10B, 15N, 34S)
[(Ab)P - (Ab)sA]
(QNP)sB = Nppf =
__________________________
. QNP
[(Ab)sB - (Ab)sA)]
Nppf o nutriente (B, N ou S) no produto derivado do substrato marcado (sB)
O MÉTODO DO TRAÇADOR
ISOTÓPICO
PARA NITROGÊNIO
ISÓTOPOS DE NITROGÊNIO
N ú m e ro d e
M eia V id a
R a d ia ç ã o
m a s s a (A)
Ab u n d â n c ia
M assa
n a tu ra l
a tô m ic a
(% )
(u a m )
12
N
11 m s

+
13
N
9 ,9 7 m in

+
14
N

9 9 ,6 3 4
1 4 ,0 0 3 0 0 7 4
15
N

0 ,3 6 6
1 5 ,0 0 0 1 0 9 0
16
N
7 ,1 3 s

-
17
N
4 ,1 7 s

-
18
N
0 ,0 2 s

-
19
N
0 ,3 2 s

-
DILUIÇÃO ISOTÓPICA:
APROVEITAMENTO PELA PLANTA
DO NITROGÊNIO DE FERTILIZANTE (15N)
APLICADO AO SOLO
N-planta (c)
1,30% 15N
98,70% 14N
N-solo (s)
0,37% 15N
99,63% 14N
NTP = NPPF + NPPS
150 kg/ha = 30 kg/ha + 120 kg/ha
N-fertilizante (f): dose 60 kg/ha
5,00% 15N
95,00% 14N
NTP = Nitrogênio Total na Planta
NPPF = N na Planta Proveniente do Fertilizante
NPPS = Nitrogênio na Planta Proveniente do Solo
N-planta (c)
1,30% 15N
98,70% 14N
NTP = NPPF + NPPS
150 kg/ha = 30 kg/ha + 120 kg/ha
N-solo (s)
0,37% 15N
99,63% 14N
N-fertilizante (f): dose 60 kg/ha
5,00% 15N
99,50% 14N
Nitrogênio na Planta Proveniente do Fertilizante-15N (NPPF)
(1,30 - 0,37)
( c -s )
NPPF =
______________
( f - s )
NTP =
________________
150 = 30 kg/ha
( 5,00 - 0,37)
c, f e s = abundância de 15N na Planta, Fonte-15N e Solo
N-planta (c)
1,30% 15N
98,70% 14N
N-solo (s)
0,37% 15N
99,63% 14N
NTP = NPPF + NPPS
150 kg/ha = 30 kg/ha + 120 kg/ha
N-fertilizante (f): dose 60 kg/ha
5,00% 15N
99,50% 14N
Nitrogênio na Planta Proveniente do Solo (NPPS)
NPPS
= NTP - NPPF
=
150 - 30 = 120 kg/ha
% Recuperação na Planta do N-fertilizante
% R = (NPPF/dose de N Fonte ). 100 = (30/60) . 100 = 50 %
DILUIÇÃO ISOTÓPICA:
N DE FERTILIZANTE (15N) RESIDUAL NO SOLO
Nts t=t = Nspf t=t + Nns t=t
1500 kg/ha = 20 kg/ha + 1480 kg/ha
N-solot=o(s)
0,37% 15N
99,63% 14N
N-fontet=o (f): dose 60 kg/ha
5,00% 15N
95,00% 14N
N-solo t=t (st): 0,43% 15N
99,57% 14N
Nts = Nitrogênio total no solo no tempo t=t
Nspf = N na solo proveniente da fonte marcada:
uréia-15N no tempo t=t
Nsps = Nitrogênio nativo do solo no tempo t=t ou t-o
Nts t=t = Nspf t=t + Nns t=t
1500 kg/ha = 20 kg/ha + 1480 kg/ha
N-solot=o(s)
0,37% 15N
99,63% 14N
N-fertilizantet=o (f): dose 60 kg/ha
5,00% 15N
95,00% 14N
N-solo t=t (st): 0,43% 15N
99,57% 14N
N residual no Solo do Fertilizante-15N (Nspf
( st - s )
Nspf =
______________
( f - s )
t=t
)
( 0,43 - 0,37)
Nts =
________________
1500 = 20 kg/ha
( 5,00 - 0,37)
st, f e s = abundância de 15N na solo t=t, fertil.-15Nt=0 e solo t=o
Nts t=t = Nspf t=t + Nns t=t
1500 kg/ha = 20 kg/ha + 1480 kg/ha
N-solot=o(s)
0,37% 15N
99,63% 14N
N-fertilizantet=o (f): dose 60 kg/ha
5,00% 15N
95,00% 14N
N-solo t=t (st): 0,43% 15N
99,57% 14N
% Recuperação do N do Fertilizante no Solo (t=t)
% R = (Nspf/dose de N Fonte ). 100 = (20/60) . 100 = 33,3 %
BALANÇO DO N
DA URÉIA (15N) E DA PALHADA (15N)
NO SISTEMA
SOLO-CANA-DE-AÇÚCAR
(Gava eta l., 2002)
TRATAMENTOS
• T1 - MISTURA: VINHAÇA (100 m3 ha-1) E URÉIA (100 kg
ha-1 de N) APLICADA EM ÁREA TOTAL SOBRE O SOLO
COBERTO COM PALHADA (SUBPARCELA COM
PALHADA- 15N)
• T2 - MISTURA: VINHAÇA (100 m3 ha-1) E URÉIA (100 kg
ha-1 de N) APLICADA EM ÁREA TOTAL SOBRE O SOLO
COBERTO COM PALHADA (SUBPARCELA COM URÉIA 15N)
• T3 - URÉIA (100 kg ha-1 de N) APLICADA EM FUNDO DE
SULCO COM APLICAÇÃO PRÉVIA DE VINHAÇA (100 m3
ha-1), EM SUPERFÍCIE, EM SOLO SEM COBERTURA DE
PALHADA (SUBPARCELA COM URÉIA - 15N)
Colheita em 10/10/1997
PROCEDIMENTOS NA INSTALAÇÃO
DO EXPERIMENTO
ENLEIRAMENTO DA PALHADA
PARCELAS SEM PALHA: QUEIMA DA PALHADA
SUBPARCELA: REMOÇÃO DA PALHADA ORIGINAL
SUBPARCELA: REPOSIÇÃO DA PALHADA-15N
SUBPARCELA COM PALHADA-15N
SUBPARCELA: APLICAÇÃO DE VINHAÇA E URÉIA-15N
SUBPARCELA COM URÉIA-15N: COBERTA PARA
APLICAÇÃO DE VINHAÇA + URÉIA NA PARCELA
PREPARO DA MISTURA: URÉIA E VINHAÇA
APLICAÇÃO DA MISTURA: VINHAÇA E URÉIA
APLICAÇÃO DA URÉIA EM SULCOS
SUBPARCELA: APLICAÇÃO DA URÉIA-15N
COLHEITA FINAL NAS SUBPARCELAS
AMOSTRAS: PONTEIRO, COLMO E FOLHAS SECAS
COLETA DA PALHADA RESIDUAL NA SUBPARCELA
Colheita em agosto/1998
TRINCHEIRA PARA AMOSTRAGEM DE SOLO E DE
SISTEMA RADICULAR NAS SUBPARCELAS
AMOSTRAS LEVADAS DO CAMPO AO LABORATÓRIO
NO LABORATÓRIO: AMOSTRA TOTAL FOI TRITURADA,
SUBAMOSTRADA E SECA EM ESTUFA (60oC),
DETERMINANDO-SE A UMIDADE DA MATÉRIA SECA
RESULTADOS
Tratamentos
+ vinhaça
T1
Solo coberto
com palhada
(15N) e fertil. com
uréia
Parte
da planta
ponteiro
folha seca
colmo
raízes
total
T2
ponteiro
folha seca
Solo coberto
com palhada e colmo
fertil. com uréia raízes
(15N )
total
T3
ponteiro
folha seca
Solo sem
palhada e fertil. colmo
com uréia (15N) raízes
total
MS
t / ha
4
9
21
5
39
4
8
20
5
37
4
8
22
5
39
NTP
NPPF*
------- kg/ha ------40
1,7
R**
%
2
35
61
42
178
43
30
59
36
168
42
27
67
38
174
1
5
1
9
4
3
6
3
16
7
5
10
4
26
0,4
3,1
0,7
5,9 a
4,1
3,4
5,9
2,8
16,2 b
6,6
4,8
10,3
4,3
26,0 b
*NPPF = N na planta proveniente da fonte marcada (15N)
**R = recuperação do N da fonte marcada (15N)
N-uréia ou N-palhada, %
DISTRIBUIÇÃO DO N-URÉIA E DO N-PALHADA NA
CANA-DE-AÇÚCAR (Gava et al., 2002)
100
25
26
29
19
21
7
39
36
52
17
17
12
N da uréia (s/p)
N da uréia (c/p)
N da palhada (c/p)
80
60
40
20
0
Raíz
Colmo
Folhas secas
Ponteiro
RECUPERAÇÃO DO N-URÉIA (15N) E DO N-PALHADA (15N)
NO SOLO
Tratamentos
--------Solo-------
Palhada residual
Total
Nspf*
kg/ha
R1**
%
Nspf*
kg/ha
R2**
%
R(1+2)
%
Solo com palhada
(15N) e uréia: T1
6,4 a
9
55,2 a
81
90
Solo com palhada e
uréia (15N ): T2
35,6 b
36
8,3 b
8
44
Solo sem palhada e
uréia (15N): T3
37,3 b
37
--
--
37
* Nspf = N no solo proveniente da fonte marcada (15N)
** R= recuperação do N da fonte marcada (15N)
N-uréia e N-palhada, (%)
BALANÇO DO N-URÉIA (15N) E N-PALHADA (15N)
NO SISTEMA SOLO-PLANTA (Gava et al., 2002)
120
100
80
9
37
40
26
16
60
40
20
81
8
37
36
9
0
N da uréia (s/p)
Solo
N da uréia (c/p)
Palhada
Planta
N da palhada (c/p)
Perdas
OBRIGADO PELA ATENÇÃO
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