TIMS and Ion Chromatography: 44 Ca/40 Ca Analysis in Plants

Význam tématu

Ca izotopy zajišťují detailní pohled na transport a biologické procesy v rostlinách. Díky vysoce preciznímu měření lze sledovat malé frakcionace izotopů Ca, což napomáhá porozumět mechanismům příjmu, transportu a redistribuce tohoto klíčového živiny v rostlinných orgánech.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo připravit vzorky fazolu Phaseolus vulgaris L. před a po klíčení a vyhodnotit změny Ca izotopového složení v různých orgánech (tegumenta, kotyledony, kořeny, výhony). Studie využila kombinaci automatizované HPIC chromatografie a vysoce přesné TIMS analýzy.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky rostlinných orgánů byly drceny a digesovány v koncentrovaných kyselinách. Před chromatografickým dělením byl přidán 42Ca-43Ca double spike pro korekci izotopických odchylek. Vyčištění vzorků proběhlo na Dionex ICS-3000 (později ICS-5000) s vysokokapacitním CS16 kationtovým sloupcem a samoregenerující potlačovačem CSRS. Očištěný Ca byl nanesen na tantalový filament a analyzován v dynamickém režimu na Thermo Scientific TRITON/TRITON Plus TIMS. Interference z 40K a 88Sr byly monitorovány na hmotách 41 a 88, bez nutnosti korekce.

Hlavní výsledky a diskuse

Frakcionace Ca izotopů během klíčení se projevila odlišnými δ44/40Ca hodnotami:

• Tegumenta: bez signifikantní změny.
• Kotyledony (neklíčené): δ44/40Ca = –0,37‰; po klíčení: –0,49‰ (obohacení lehčího izotopu).
• Výhony: +0,20‰ (deplece lehkého izotopu).
• Kořeny: +0,68‰ (deplece lehkého izotopu).

Součet izotopových bilancí nově vzniklých orgánů odpovídá původnímu stavu kotyledon. Dlouhodobá vnější reprodukovatelnost δ44/40Ca byla 0,12‰ (2 RSD) a přesnost potvrzena srovnáním se standardy NIST SRM 915a, mořskou vodou a CaF2.

Přínosy a praktické využití metody

Prokázaná kombinace HPIC a TIMS umožňuje:

• Detekci sub-permilových variací Ca izotopů v rostlinách.
• Studium fyziologických a geochemických procesů na rozhraní půda-rostlina.
• Využití v QA/QC laboratořích pro přesné měření izotopových signatur.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření aplikací na různé druhy rostlin a ekosystémy, integrace s MC-ICP-MS pro vyšší průtok vzorků, miniaturizace vzorků a využití dalších netradičních izotopových systémů pro komplexní studie biogeochemických cyklů.

Závěr

Vyvinutý protokol spojující Dionex HPIC a TRITON/TRITON Plus TIMS nabízí extrémně čisté Ca frakce a dlouhodobou reprodukovatelnost 0,12‰. Metoda umožnila odhalit přírodní Ca izotopové frakcionace v orgánech fazolu během klíčení a poskytuje robustní nástroj pro následné biogeochemické studie.

Použitá instrumentace

• Dionex ICS-3000 a ICS-5000 Reagent-Free HPIC systém s CS16 kationtovým sloupcem a CSRS potlačovačem
• Thermo Scientific TRITON a TRITON Plus TIMS v dynamickém multi-kolekčním režimu
• Tantalové filamenty pro termickou ionizaci vzorků

Reference

1. Marschner H. (1995) Mineral nutrition of higher plants. Academic Press, London.
2. Taiz L., Zeiger E. (2010) Plant Physiology, 5th Edition. Sinauer Associates.
3. Clarkson D. T. (1984) Calcium transport between tissues and its distribution in the plant. Plant Cell Environ. 7, 449–456.
4. Barber S.A. (1995) Soil nutrient bioavailability; a mechanistic approach. Wiley.
5. McLaughlin S.B., Wimmer R. (1999) Calcium physiology and terrestrial ecosystem processes. New Phytol. 142, 373–417.
6. Likens G.E. et al. (1998) The biogeochemistry of calcium at Hubbard Brook. Biogeochemistry 41, 89–173.
7. Cobert F. et al. (2011) Experimental identification of Ca isotopic fractionations in higher plants. Geochim. Cosmochim. Acta 75, 5467–5482.
8. Schmitt A.-D. et al. (2013) Calcium isotope fractionation during plant growth under a limiting nutrient supply. Geochim. Cosmochim. Acta 110, 70–83.
9. Schmitt A.-D. et al. (2012) Processes controlling the stable isotope compositions of Li, B, Mg and Ca in plants, soils and waters. C. R. Geosciences 344, 704–722.
10. Russell W.A., Papanastassiou D.A., Tombrello T.A. (1978) Ca isotope fractionation on the Earth and other solar system materials. Geochim. Cosmochim. Acta 42, 1075–1090.
11. Holmden C. (2005) Measurement of δ44Ca Using a Ca-42Ca Double-spike TIMS Technique. Saskatchewan Geol. Surv. Summary of Investigations 2005-1.
12. Schmitt A.D. et al. (2009) High performance automated ion chromatography separation for Ca isotope measurements. J. Anal. At. Spectrom. 24, 1089–1097.
13. Eisenhauer A. et al. (2004) Proposal for an international agreement on Ca notations. Geostand. Geoanal. Res. 28, 149–151.
14. Albarède F., Beard B.L. (2004) Analytical methods for non-traditional isotopes. Rev. Mineral. Geochem. 55, 113–152.
15. Hippler D. et al. (2003) Calcium isotopic composition of reference materials and seawater. Geostand. Newslett. 27, 13–19.
16. Holmden C., Panchuk K., Finney S.C. (2012) Coupled Ca and C isotope changes during the Hirnantian glaciation. Geochim. Cosmochim. Acta 98, 94–106.
17. Tuttas D., Schwieters J.B. (2008) Advances in high precision isotope ratio measurements of calcium using TIMS. Thermo Fisher Scientific AN30018.
18. Trinquier A. (2014) Thermo Scientific Application Note (in preparation).