Was ist ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometer?
Ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS) ist ein Instrument, das die Verhältnisse verschiedener Isotopen bestimmter Elemente misst. Alle Elemente haben Isotope, die sich nur in der Anzahl der Neutronen im Kern voneinander unterscheiden, wodurch sie unterschiedliche Atomgewichte erhalten. Das Prinzip des Isotopenverhältnis-Massenspektrometers besteht darin, die Isotope anhand ihrer unterschiedlichen Massen zu unterscheiden und die Verhältnisse zwischen Isotopenpaaren zu bestimmen. Dieses Gerät kann wichtige Informationen über Alter und Herkunft einer Materialprobe liefern. Das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer hat Anwendungen in vielen Bereichen, einschließlich Geologie, Biologie und Forensik.
Der Aufbau von Isotopenverhältnis-Massenspektrometern kann variieren, im Allgemeinen folgen sie jedoch denselben Grundprinzipien. Es wird einen Einlass geben, in den die Probe eingeführt wird, der zu einer Brennkammer führt, in der das Material in ein Gas umgewandelt wird, möglicherweise mit einigen Mitteln zum Trennen verschiedener Gase, die erzeugt werden können. In dieser Stufe werden auch komplexe biologische Materialien in die für die Analyse erforderlichen einfachen Verbindungen wie Kohlendioxid (CO 2 ), Wasser (H 2 O) und Stickstoff (N 2 ) umgewandelt. Das entstehende Gas wird in eine Ionisationskammer geleitet, wo es von einem Elektronenstrahl ionisiert wird. Das ionisierte Gas wird dann als Strahl in einen Massentrennungsbereich fokussiert, in dem ein Elektromagnet verwendet wird, um die Ionen so abzulenken, dass verschiedene Isotope entsprechend ihrer Masse getrennt werden.
Nach dem Passieren des Massentrennungsbereichs erreichen die Ionen Kollektoren, die elektrische Signale erzeugen, die proportional zur Anzahl der detektierten Ionen sind. Ionen der leichteren Isotope werden stärker vom Magnetfeld abgelenkt als die schwereren, daher werden die Kollektoren entsprechend positioniert. Somit können die relativen Anteile verschiedener Isotope berechnet werden.
Die Proben müssen vorbereitet werden, bevor sie in das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer eingeführt werden. Bei biologischen Substanzen können die Proben beispielsweise in Form von Blättern, Erde oder anderem nicht homogenen Material vorliegen. Festes Material wird im Allgemeinen getrocknet und zu einem feinen Pulver gemahlen. Flüssige Proben werden entweder getrocknet oder auf porösem festem Material absorbiert. Vor der Durchführung einer Isotopenverhältnisanalyse wird üblicherweise eine Kalibrierung unter Verwendung von Materialien mit bekannten Element- und Isotopenverhältnissen durchgeführt.
Die Gesamtverhältnisse der stabilen Isotope eines bestimmten Elements auf der Erde wurden zum Zeitpunkt der Entstehung des Planeten festgelegt. Obwohl verschiedene Isotope eines Elements die gleichen chemischen Eigenschaften haben, werden andere Faktoren wie Mobilität und Flüchtigkeit von den Isotopenmassen beeinflusst. Aufgrund dieser Unterschiede können verschiedene geochemische und biochemische Prozesse bestimmte Isotope relativ zu ihren Hintergrundwerten konzentrieren oder abbauen, ein Phänomen, das als Isotopenfraktionierung bekannt ist. Beispielsweise führt die Photosynthese zu einer geringen, aber signifikanten Abnahme des Isotops Kohlenstoff-13 im Verhältnis zur Atmosphäre.
Unterschiede in den Verhältnissen von Isotopen von Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und anderen können wichtige Informationen über die Herkunft und Geschichte einer Probe liefern. Mit einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer kann festgestellt werden, ob ein Material organischen Ursprungs ist, und in einigen Fällen sogar, woher es stammt. Dies kann in der Forensik von Nutzen sein. Beispielsweise können Proben illegaler Drogen bis zu ihrer Herkunft zurückverfolgt werden, und Bodenproben, die einem Verdächtigen entnommen wurden, können isotopisch mit denen eines Tatorts verglichen werden.
Da Temperatur und Niederschlag die Isotopenfraktionierung beeinflussen können, kann die Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie verwendet werden, um das Erdklima in früheren Zeiten zu untersuchen. Die Geschwindigkeit der Aufnahme und Ablagerung von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen durch schalenbildende Meeresorganismen variiert je nach Klima. Isotopenverhältnisse von fossilen Überresten dieser Organismen können somit verwendet werden, um Informationen über die klimatischen Bedingungen zu erhalten, als sie lebten.
In der Geologie ist die radiometrische Datierung eine wichtige Anwendung für das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer. Die Isotopenverhältnisse bestimmter metallischer Elemente können verwendet werden, um das Alter einer Gesteinsprobe zu bestimmen. Wenn sich Gestein bildet, enthält es einige radioaktive Isotope. Diese zerfallen mit bekannter Geschwindigkeit in andere Isotope, entweder desselben oder eines anderen Elements. Das Verhältnis des ursprünglichen - oder "Eltern" -Isotops zum Zerfallsprodukt - oder "Tochter" -Isotop kann somit verwendet werden, um das Alter des Gesteins zu bestimmen.