การวิเคราะห์ไอโซโทป (Isotope analysis)

การวิเคราะห์ไอโซโทป เป็นการหารูปแบบไอโซโทป (isotopic signature) ลักษณะการกระจายของไอโซโทปเสถียร (stable isotopes) ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ทางด้านอาหาร เพื่อหาแหล่งที่มาของอาหาร ระดับการกินอาหาร (trophic level) ว่าอยู่ส่วนใดของห่วงโซ่อาการ หรือลักษณะการดำรงชีวิตของสัตว์ในยุคโบราณ ซึ่งสามารถประยุกต์ใช้ทางด้านโบราณคดี นิเวศวิทยา นิติวิทยาศาสตร์ อุทกวิทยา หรือธรณีวิทยา โดยสัดส่วนของไอโซโทป (isotope ratio) สามารถหาได้ด้วยเทคนิคการวัดมวล (mass spectrometry) ซึ่งจะแยกไอโซโทปของธาตุที่ไม่เท่ากันออกจากกัน โดยอาศัยหลักการของสัดส่วนมวลต่อประจุ (mass-to-charge ratio)

เทคนิคการวิเคราะห์

ไอโซโทปของออกซิเจน (Oxygen isotopes)
ออกซิเจนธรรมชาติ ประกอบด้วย 3 ไอโซโทป ซึ่งมีสัดส่วนของแต่ละไอโซโทป ดังนี้

  ออกซิเจน-16 16O = 99.763%
  ออกซิเจน-17 17O = 0.0375%
  ออกซิเจน-18 18O = 0.1995%
สัดส่วนของไอโซโทปออกซิเจนเหล่านี้ จะเป็นค่าระดับเดียวกันในอะตอมของออกซิเจนทั้งหมดในโมเลกุล เช่น โมเลกุลของน้ำ (H2O) ไอโซโทปของออกซิเจนทั้งหมดมีคุณสมบัติคล้ายกัน แต่ น้ำที่มีไอโซโทปเป็น 16O จะระเหยได้ง่ายกว่าน้ำที่มีไอโซโทปเป็น 18O
น้ำหนักและสัดส่วนของไอโซโทปของออกซิเจน
[ภาพจาก http://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/oxygen.html]

 

ในการวิเคราะห์ไอโซโทป จะไม่หาปริมาณของไอโซโทปของออกซิเจน แต่จะใช้วิธีหาสัดส่วนของไอโซโทป O-18 ต่อ O-16 (ใช้สัญลักษณ์ d18O) ในตัวอย่าง เปรียบเทียบกับค่ามาตรฐาน VSMOW โดยใช้สมการ

ค่าที่ได้ แสดงในหน่วยเปอร์มิลล์ (permil, %0) หรือ ส่วนในพันส่วน ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างตัวอย่างกับสารมาตรฐาน ซึ่งโดยปกติจะมีค่าน้อยมาก แต่ค่าความแตกต่าง 1 permil ก็ถือว่ามีนัยสำคัญ

ความแปรปรวนเนื่องจากละติจูด (Variation by latitude)

มวลของความชื้นในอากาศที่อยู่ห่างจากเส้นศูนย์สูตรจะมีไอโซโทปที่เบามากกว่า เนื่องจากไอโซโทป O-18 ที่หนักกว่าจะกลั่นตัวได้ง่ายกว่า จึงมีสัดส่วนที่ต่ำลงตามระยะทางที่เข้าใกล้ขั้วโลก ดังนั้น สัดส่วนของ O-16 ต่อ O-18 ในบรรยากาศ จึงสูงขึ้นตามระยะทางที่เข้าใกล้ขั้วโลก เนื่องจากการสูญเสีย O-18 ในไอน้ำไปกับการกลั่นตัวในรูปของฝนและหิมะ

ความแปรปรวนเนื่องจากวัฏจักรของน้ำ (Variation occurring from the hydrological cycle)

สัดส่วนไอโซโทปของออกซิเจน จะมีความแตกต่างกันได้เนื่องจากผลกระทบของสภาวะอากาศและสภาพภูมิประเทศ ซึ่งมีผลต่อการเคลื่อนที่ของน้ำ พื้นที่ที่มีความชื้นต่ำจะมีการสูญเสีย O-18 ได้มากกว่าทั้งจากกระบวนการระเหยและการกลั่นตัว นอกจากนั้น O-16 สามารถระเหยไปในบรรยากาศได้ดีกว่า ขณะที่ O-18 ยังคงอยู่ในรูปของเหลวในน้ำ ในพืชและในสัตว์

สัดส่วนของไอโซโทปในวัฏจักรของน้ำ
[ภาพจาก http://www.minirena.gov.rw/spip.php?article159]

ผลจากกระบวนการในเนื้อเยื่อ (Tissues affected)

ไอโซโทปของออกซิเจนสามารถเข้าไปในร่างกายได้จากกระบวนการดื่มหรือกินเข้าไปเป็นหลัก นักธรณีวิทยาจึงศึกษาออกซิเจนที่เข้าไปในร่างกายจากกระดูกและฟัน ซึ่งอยู่ในรูปของ hydroxylcarbonic apatite กระดูกถูกสร้างขึ้นใหม่ตลอดช่วงชีวิตของแต่ละคน แม้ว่าจะยังไม่ทราบอัตราการเข้าออกของออกซิเจนใน hydroxyapatite ที่แน่ชัดทั้งหมด แต่ก็คาดว่าใกล้เคียงกับในคอลลาเจน ซึ่งใช้เวลาประมาณ 10 ปี ดังนั้น ระยะเวลาที่ออกซิเจนอยู่ในร่างกายจึงอยู่ในช่วง 10 ปี อัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในกระดูก จึงแสดงถึงอัตราส่วนออกซิเจนที่ร่างกายได้รับ ในช่วงเวลาและในพื้นที่นั้น

ฟันไม่ได้เป็นอวัยวะที่ถูกสร้างทดแทนแบบต่อเนื่อง ค่าของอัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนจึงมีค่าคงที่ตั้งแต่ตอนที่สร้างขึ้นมา อัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในฟันจึงแสดงถึงอัตราส่วนไอโซโทปออกซิเจนในพื้นที่ที่คนนั้นเกิดหรือเติบโตขึ้นมา ฟันน้ำนมสามารถใช้หาอายุที่เด็กหย่านม เนื่องจากนมแม่ผลิตขึ้นโดยใช้น้ำจากร่างกายของแม่ ซึ่งมีระดับ O-18 สูงกว่าปกติ เนื่องจากการสูญเสีย O-16 ไปกับเหงื่อ ปัสสาวะ และการระเหยออกจากร่างกาย

ฟันมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมี จึงสามารถใช้ในการวิเคราะห์องค์ประกอบขณะถูกสร้างขึ้นมา เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปออกซิเจนในสารประกอบกลุ่มฟอสเฟตและกลุ่มไฮดรอกซี หรือใช้วิเคราะห์ที่มาของกลุ่มคาร์บอเนต

ลักษณะฟันของมนุษย์นีแอนเดอทัล (Neanderthal) สึกกร่อนจากลักษณะความเป็นอยุ่
[ภาพจาก http://www.bajrfed.co.uk]

การประยุกต์ (Applications)

การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอย่างกว้างขวาง รวมถึงการประยุกต์ใช้ในทางชีววิทยา ทางธรณีวิทยา และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมอีกเป็นจำนวนมาก

โบราณคดี (Archaeology)

การศึกษาการกินอาหารของสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ (Reconstructing palaeodiet)

กระดูกที่ขุดได้จากแหล่งโบราณคดี สามารถนำมาวิเคราะห์ไอโซโทป เพื่อใช้เป็นข้อมูลแสดงการเคลื่อนย้ายและอาหารที่กิน สารเคลือบฟันและพื้นดินที่อาศัยอยู่ หรือวัตถุที่ติดกันอยู่ก็สามารถนำมาใช้วิเคราะห์ไอโซโทป เพื่อแสดงให้เห็นภาพที่ถูกต้องของการกินอาหาร ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจกับกระบวนการเข้าแทนที่ (diagenesis) ที่อาจมีผลต่อที่มาของสัญญาณไอโซโทป องค์ประกอบของไอโซโทปคาร์บอนกับไนโตรเจน ใช้ในการวิเคระห์อาหารที่กิน ไอโซโทปของออกซิเจน ใช้หาที่มาทางภูมิศาสตร์ ส่วนไอโซโทปของาตรอนเทียม (Strontium) และตะกั่ว (teeth) ในฟันและกระดูกใช้หาการเคลื่อนย้ายของประชากรและความสัมพันธ์กันของวัฒนธรรม

สัตว์ได้รับไอโซโทปคาร์บอนจากอาหารที่กินเข้าไปขณะที่ยังมีชีวิตอยู่ ได้รับไอโซโทปออกซิเจนจากน้ำที่ดื่ม การหาสัดส่วนไอโซโทป 12C/13C จะทำให้ทราบว่าอาหารที่สัตว์กินเข้าไปเป็นพืชแบบ C3 หรือ C4 เป็นหลัก กระบวนการนี้จะหยุดลงเมื่อสัตว์นั้นตายลง ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีการสะสมไอโซโทปในตัวของสัตว์อีก จะยังคงมีแต่กระบวนการสลายตัว การที่นักวิจัยจะทราบคำตอบที่ถูกต้องได้ จำเป็นต้องทราบค่าตั้งต้นของระดับไอโซโทป หรือสามารถประมาณค่าของไอโซโทปเมื่อเวลาที่สัตว์ตายลงได้

การหาอาหารที่สัตว์ดึกดำบรรพ์กินได้ถูกต้อง นักวิจัยจำเป็นต้องเข้าใจกระบวนการเข้าแทนที่ ซึ่งอาจมีผลต่อสัญญาณเริ่มต้นของไอโซโทป นอกจากนั้น นักวิจัยจำเป็นต้องทราบความแปรปรวนของไอโซโทปในสัตว์แต่ละตัว ระหว่างสัตว์แต่ละตัว และความแปรปรวนเมื่อเวลาผ่านไป

กระบวนการสังเคราะห์แสงที่แตกต่างกันของพืชแบบ C3 และ C4
[ภาพจาก http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/effects-of-rising-atmospheric-concentrations-of-carbon-13254108]

แหล่งที่มาขอโบราณวัตถุ (Sourcing archaeological materials)

การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถใช้ประโยขน์ในทางโบราณคดีได้อย่างมากจากการนำมาใช้ในการวิเคราะห์คุณสมบัติ เช่น หาไอโซโทปในวัสดุที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น เช่น แร่โลหะของวัสดุนั้นเปรียบเทียบกับองค์ประกอบของไอโซโทปในฐานข้อมูล มีการใช้คุณสมบัติทางไอโซโทปในการระบุแหล่งที่มาของโบราณวัตถุหลายชนิด เช่น โลหะ แก้ว และสีที่ผสมด้วยตะกั่ว เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว (Lead Isotope Analysis) ในโบราณวัตถุยุคโลหะ ของเมดิเตอเรเนียน (Bronze Age Mediterranean) และใช้เป็นดัชนีที่สำคัญในการศึกษารูปแบบการค้ายุคโบราณ การแปรผลของการวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว มักจะมีข้อโต้แย้งและความท้าทายเนื่องมาจากทั้งวิธีการและอุปกรณ์ที่ใช้ ซึ่งปัญหาอาจจะมาจากการใช้โลหะผสมที่มาจากหลายแหล่งหรือใช้โลหะที่นำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งข้อจำกัดอาจมาจากความถูกต้องของข้อมูลหรือการปนเปื้อนของตัวอย่าง ทำให้เกิดปัญหาในการแปรผลที่ยุ่งยากมากขึ้น

นิเวศวิทยา (Ecology)

ธาตุองค์ประกอบทางชีววิทยาประกอบไอโซโทปที่แตกต่างกันในหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น คาร์บอนที่ส่วนใหญ่เป็น คาร์บอน-12 (12C) และมีคาร์บอน-13 (13C) ประมาณ 1% สัดส่วนของ 2 ไอโซโทปนี้แปรผันไปตามกระบวนการทางชีววิทยาและสภาพทางภูมิศาสตร์ ความแตกต่างกันนี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ทางนิเวศวิทยา ซึ่งธาตุหลักที่นำมาใช้ในทางไอโซโทปทางนิเวศวิทยา ได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน และซัลเฟอร์

การวิเคราะห์สัดส่วนของออกซิเจน-18 (18O) ต่อ ออกซิเจน-16 (16O) ในเปลือกหอยกาบโคโลราโด (Colorado Delta clam) สามารถใช้ในการประเมินความกว้างของปากแม่น้ำในบริเวณสามเหลี่ยมปากแม่น้ำโคโลราโด ก่อนที่จะทำการก่อสร้างเขื่อนทางตอนบนของแม่น้ำ

นิติเวชวิทยา (Forensics)

พัฒนาการของนิติวิทยาศาสตร์ (forensic science) เมื่อไม่นานมานี้คือการวิเคราะห์ไอโซโทปในเส้นผม เส้นผมมีอัตราการงอกประมาณ 9-11 มิลลิเมตรต่อเดือน หรือ 15 เซนติเมตรต่อปี ผมที่งอกยาวขึ้นจะมีส่วนสัมพันธ์กับอาหารและน้ำดื่ม สัดส่วนของไอโซโทปเสถียรในน้ำดื่มจะเป็นไปตามสถานที่แต่ละแห่งและสภาพทางธรณีวิทยาที่น้ำนั้นไหลผ่านมา ไอโซโทปของ 87Sr, 88Sr และ ออกซิเจนจะแปรผันและแตกต่างกันไปในแต่ละแห่งของโลก ความแตกต่างในสัดส่วนของไอโซโทปเหล่านี้ จึงอยู่ในแต่ละส่วนของเส้นผมที่งอกขึ้นมา และใช้ในการระบุได้ว่ามีประวัติเคยอยู่ในสถานที่ใดมาก่อนจากการวิเคราะห์เส้นผม ตัวอย่างเช่น การใช้เพื่อยืนยันว่าผู้ก่อการร้ายเคยอยู่ที่ใดมาก่อนโดยการวิเคราะห์เส้นผม วิธีการนี้ได้รับความนิยมมากขึ้น เนื่องจากไม่ต้องเจาะเลือดเพื่อนำมาตรวจ โดยเฉพาะเมื่อการวิเคราะห์ดีเอนเอหรือวิธีปกติไม่ได้ผล

วงจรการงอกของเส้นผม
[ภาพจาก http://profollicaforwomen.com/female-hair-loss-news/]

การวิเคราะห์ไอโซโทปสามารถนำมาใช้ในการทดสอบทางนิติเวชเพื่อแสดงให้เห็นว่าวัตถุระเบิด 2 ตัวอย่าง หรือมากว่านั้น ผลิตจากแหล่งเดียวกันหรือไม่ วัตถุระเบิดแรงสูงส่วนใหญ่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอน ไฮโรเจน ไนโตรเจนและออกซิเจน การเปรียบเทียบสัดส่วนของไอโซโทปเหล่านี้สามารถใช้บอกที่มาของวัสดุได้ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นด้วยว่า การวิเคราะห์สัดส่วนของ 12C/13C สามารถใช้บอกประเทศที่เป็นแหล่งที่มาของวัตถุระเบิดนั้นได้

มีการใช้การวิเคราะห์ไอโซโทปเสถียรในการติดตามเส้นทางของยาเสพติด ปริมาณไอโซโทปในมอร์ฟีนที่สกัดจากฝิ่นที่ปลูกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ มีค่าที่แตกต่างจากฝิ่นที่ปลูกในเอเชียตะวันตกเฉียงใต้ เทคนิคเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้กับการแยกความแตกต่างของโคเคนที่ผลิตจากโบลิเวียกับโคลัมเบียได้เช่นกัน

อาหาร น้ำดื่ม และสิ่งแวดล้อมทำให้ไอโซโทปของแต่ละคนและแต่ละช่วงเวลาแตกต่างกัน
[ภาพจาก http://www.picarro.com/markets_served/food_traceability/the_science/]

ธรณีวิทยา (Geology)

สาขาไอโซโทปทางธรณีเคมี (isotope geochemistry) ซึ่งเน้นด้านธรณีวิทยา เป็นการศึกษาสัดส่วนหรือความเข้มข้นของธาตุและไอโซโทปที่เป็นองค์ประกอบโลก ความผันแปรของปริมาณไอโซโทปที่วัดได้ด้วยเครื่องวัดสัดส่วนมวลของไอโซโทป (isotope ratio mass spectrometer) หรือ การวัดมวลด้วยเครื่องเร่งอนุภาค (accelerator mass spectrometer) สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของหินหรือแหล่งที่มาของน้ำหรืออากาศ สัดส่วนของไอโซโทปสามารถแสดงให้เห็นกระบวนการทางเคมีในบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์ไอโซโทปของตะกั่ว

ตะกัวประกอบด้วย 4 ไอโซโทปเสถียร ได้แก่ 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb และอีก 1 ไอโซโทปรังสี ได้แก่ 202Pb ซึ่งมีครึ่งชีวิต ~53,000 ปี ตะกั่วบนโลกเกิดขึ้นจากการสลายตัวของของกลุ่มยูเรเนียม โดยเฉพาะยูเรเนียมกับทอเรียม

ไอโซโทปของตะกั่ว
[ภาพจาก http://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/lead.html]

ในทางธรณีเคมี มีการใช้ไอโซโทปของตะกั่วในการหาอายุของวัตถุหลายชนิด เนื่องจากตะกั่วเกิดจากการสลายตัวของธาตุกลุ่มยูเรเนียม สัดส่วนของแต่ละไอโซโทปจึงสามารถนำมาใช้ในการตรวจสอบแหล่งที่มาว่าเกิดจากการหลอมตัวในหินแกรนิต หรือเกิดจากการตกตะกอน

มีการนำไปใช้ในการหาอายุของแกนน้ำแข็งจากชั้นน้ำแข็งในอาร์กติก การให้ข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งที่มาของมลภาวะจากตะกั่วในบรรยากาศ

ไอโซโทปของตะกั่วยังนำไปใช้ในทางนิติวิทยาศาสตร์ เพื่อบอกที่มาของกระสุนปืน เนื่องจากลูกกระสุนแต่ละชุด จะมีสัดส่วนของ 204Pb/206Pb ต่อ 207Pb/208Pb ที่เป็นค่าจำเพาะ

ตะกั่วเกิดจากการสลายตัวในอนุกรมการสลายตัวของยูเรเนียมและทอเรียม
[ภาพจาก http://www.world-nuclear.org/info/inf30.html]

อุทกวิทยา (Hydrology)

ไอโซโทปอุทกวิทยา (Isotope hydrology ) เป็นการใช้ไอโซโทปเพื่อหาอายุและแหล่งที่มาของน้ำ และทิศทางการเคลื่อนตัวในวัฏจักรของน้ำ เทคนิคนี้ทำให้ได้ข้อมุลไปใช้ในการกำหนดนโยบายการใช้น้ำ การทำแผนภูมิชั้นน้ำ (mapping aquifer) การบริหารจัดการน้ำ และการควบคุมมลภาวะ โดยนำมาใช้แทนที่หรือสับสนุนวิธีการเดิมที่ใช้การวัดน้ำฝน การวัดระดับของแม่น้ำ และแหล่งน้ำต่างๆ

โมเลกุลของน้ำแต่ละแห่งจะมีลักษณะจำเพาะ เนื่องจากมีสัดส่วนไอโซโทปของออกซิเจนกับไฮโดรเจนที่แตกต่างกัน

ไอโซโทปของออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำ
[ภาพจาก http://www.iceandclimate.nbi.ku.dk/research/past_atmos/past_temperature_moisture/]

อากาศ ดินและน้ำ มีออกซิเจนที่ส่วนใหญ่เป็นออกซิเจน-16 (16O) และมีออกซิเจน-18 (18O) อยู่ประมาณ 1/500 ของอะตอมของออกซิเจนทั้งหมด ออกซิเจน-18 นิวตรอนมากกว่าออกซิเจน 2 นิวตรอนและมีมวลมากกว่าเล็กน้อย ดังนั้น เมื่อเกิดการระเหย ออกซิเจน-16 ที่เบากว่าจึงระเหยได้ง่ายกว่า น้ำที่เหลืออยู่ จึงมีสัดส่วนของออกซิเจน-18 มากกว่าเดิม ดังนั้น น้ำในทะเลจึงมีแนวโน้มที่จะมีออกซิเจน-18 มากกว่าน้ำฝนหรือหิมะ

วัฏจักรของน้ำทำให้แต่ละแหล่งมีไอโซโทปในน้ำที่แตกต่างกัน
[ภาพจาก http://serc.carleton.edu/microbelife/research_methods/environ_sampling/stableisotopes.html]

คาร์บอน-14 ก็สามารถนำมาใช้ในทางไอโซโทปอุทกวิทยาได้เช่นกัน เนื่องจากน้ำธรรมชาติประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายปะปนอยู่

การประยุกต์ใช้ไอโซโทปอุทกวิทยา ได้แก่ การหาอายุของหิมะหรือน้ำแข็ง และช่วยแสดงสภาวะของบรรยากาศในอดีต ในสภาวะที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าเฉลี่ย ออกซิเจน-18 จะได้รับพลังงานมากขึ้น ทำให้มีออกซิเจนในบรรยากาศมากขึ้น ขณะเดียวกัน การที่มีออกซิเจน-18 ต่ำกว่าปกติในน้ำใต้ดินและในชั้นน้ำแข็ง ก็แสดงว่าน้ำหรือน้ำแข็งนั้นเกิดจากการระเหยของน้ำในยุคที่บรรยากาศเย็นลงหรือในยุคน้ำแข็ง

การประยุกต์เพื่อใช้ศึกษาการไหลของน้ำใต้ดินและน้ำผิวดินที่มาจากน้ำในลำธารเพื่อใช้ในการทำแผนภูมิอุทกวิทยา น้ำที่เกิดจากจากฝนหรือหิมะที่ตกลงมานั้นมีสัดส่วนของไอโซโทปที่เป็นค่าจำเพาะ ซึ่งไอโซโทปของน้ำใต้ดินสามารถหาได้จากการเก็บตัวอย่างจากหลุมเจาะ ขณะที่การหาสัดส่วนของไอโซโทปจากลำธารในแต่ละแห่ง แต่ละช่วงเวลา จะแสดงให้เห็นว่าส่วนใดของน้ำในลำธารมาจากน้ำผิวดินหรือน้ำใต้ดิน

อุณหภูมิที่แตกต่างกันในช่วงยุคน้ำแข็งและยุคที่โลกอบอุ่นทำให้ไอโซโทปในแกนน้ำแข็งแตกต่างกัน
[ภาพจาก http://www.geog.ucsb.edu/~williams/Isotopes.html]

ภูมิกาศบรรพกาลวิทยา (Paleoclimatology)

สัดส่วนของไอโซโทป 18O กับ 16O ในแกนน้ำแข็งและที่ก้นทะเลมีค่าแปรตามอุณหภูมิ ซึ่งสามารถใช้แทนค่าเพื่อหาการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ จากการที่ไอโซโทป 16O เบากว่า 18O ในช่วงที่โลกอยู่ในภาวะที่เย็นลง (เกิดธารน้ำแข็ง) เช่นในยุคน้ำแข็ง ไอโซโทปของ 16O มีแนวโน้มที่จะระเหยจากมหาสมุทรที่เย็นตัวลง ทำให้มีไอโซโทปของ 18O มากกว่าเล็กน้อย สิ่งมีชีวิต เช่น foraminifera จะดูดซึมออกซิเจน คาร์บอนและแคลเซียม ที่ละลายอยู่ในน้ำรอบตัวเอง เพื่อนำมาใช้สร้างเปลือกหุ้ม จึงทำให้สัดส่วน 18O กับ16O ในเปลือกหุ้มนั้นมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิด้วย เมื่อสิ่งมีชีวิตนั้นตายลงและทับถมอยู่ที่พื้นทะเล จึงเป็นการเก็บรักษาบันทึกข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศที่เกิดขึ้นสูงมากในยุคควอเทอร์นารี (Quaternary) ในทำนองเดียวกัน แกนน้ำแข็งบนแผ่นดินจะมีสัดส่วนของไอโซโทป 18O ที่หนักมากกว่า 16O ในช่วงที่อากาศอบอุ่น ที่อยู่ระหว่างแต่ละยุคน้ำแข็ง (interglacials) ซึ่งไอโซโทป 18O ได้รับพลังงานในการระเหยมากขึ้น ไอโซโทปของออกซิเจนที่เก็บรักษาไว้ในแกนน้ำแข็งจึงเหมือนเงาสะท้อนของบันทึกที่เก็บข้อมูลของตะกอนในมหาสมุทร

ไอโซโทปของออกซิเจนจะเก็บบันทึกผลกระทบของวัฏจักรมิลานโควิตช์ (Milankovitch cycles) ซึ่งเป็นวัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงแกนหมุนของโลก กับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลกในยุค Quaternary ที่แสดงให้เห็นว่าวัฏจักรนี้จะมีผลต่อภูมิอากาศโลก โดยมีวงรอบประมาณ 100,000 ปี

การขุดเจาะเพื่อตัวอย่างแกนน้ำแข็งและกราฟเปรียบเทียบไอโซโทปไฮโดรเจนกับออกซิเจนในแต่ละช่วงเวลา
[ภาพจาก http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_IceCores/]

ถอดความจาก Isotope analysis
เวบไซต์ www.wikipedia.com