- Umweltverschmutzung. Messung von Isotopenverhältnissen eines Elements als zusätzliche Tracer zur Charakterisierung von Verschmutzungsquellen.
- Nukleare Sicherungsmaßnahmen. Das Isotopenverhältnis von Uran (238, 235 und 234) und Plutonium (239 und 240) zur Verfolgung von Umweltfreisetzungen aus Kernkraftwerken. Anhand der Isotopenverhältnisse von radiogenem Blei (208, 207, 206) und Strontium (87) lässt sich die Herkunft von Metallen und organischen Substanzen rekonstruieren, wodurch Informationen über Handelsnetze und Migrationsrouten der Antike gewonnen werden können
- Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln. Radiogenes Strontium kann auch für die Charakterisierung der Herkunft von tierischen und pflanzlichen Lebensmitteln verwendet werden
Die Isotope eines chemischen Elements haben gemeinsame chemische Eigenschaften, unterliegen aber, da sie sich in ihrer Masse unterscheiden, kleinen und messbaren Schwankungen in den beobachteten natürlichen Verhältnissen.
Die Isotopenzusammensetzung der Elemente wird durch Bestimmung der Isotopenverhältnisse mittels Massenspektrometrieverfahren gemessen:
- IRMS (Isotopic Ratio Mass Spectrometry) Gasquellen-Massenspektrometer werden fürdie leichten Elementisotope (H, C, N, O und S) verwendet.
- Für die Isotopenanalyse von Metallen und Metalloiden wird die Plasmaquellen-Massenspektrometrie(MC-HR-ICP-IRMS, Multi Collector-High Resolution – Inductively Coupled Plasma – IRMS) eingesetzt.
- Für mittel- und langlebige Radionuklide, einschließlich 14C, und langlebige Radionuklide (z.B. 236U, 239Pu, 240Pu) wird die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) verwendet.
IRMS
Ein Gasquellen-Massenspektrometer ermöglicht die Messung von Isotopenverhältnissen wie 12C/13C, 14N/15N, 18O/16O, 34S/32S 2H/1H
aus gasförmigen Proben von:
- CO2 (12C/13C and 18O/16O),
- N2 (14N/15N) ,
- CO (12C/13C and 18O/16O),
- O2 (18O/16O),
- SO2 (34S/32S and 18O/16O) e
- H2 (2H/1H).
Dank des Einsatzes von Online-Peripheriegeräten (oder Offline-Vorbereitungen) sind Messungen auch an anderen als gasförmigen Matrizen möglich, z.B.:
- Die Analyse der Isotopenverhältnisse von C, N und S an festen und flüssigen Proben nach der Verbrennung wird online mit einem Elementaranalysator (EA-IRMS) durchgeführt;
- Die Analyse der Isotopenverhältnisse von O, N und H an festen und flüssigen Proben nach der Pyrolyse, die online mit einem Hochtemperatur-Elementarumwandlungsanalysator (TC/EA-IRMS) durchgeführt wurde.
- Die Analyse der Isotopenverhältnisse von O und H von Wasser und C und O von gelöstem anorganischen Kohlenstoff (DIC) oder in der Luft.
Die Anwendungen dieser Technik umfassen Bereiche wie:
- Hydrologie
- Umweltverschmutzung
- Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln
- Materialwissenschaf
MC-HR-ICP-IRMS
Das Aufkommen der hochauflösenden MC-HR-ICP-IRMS-Spektrometrie (HR impliziert M /ΔM≅400) hat die Anwendungsbereiche der Isotopenverhältnisanalyse von Metallen und Metalloiden im Vergleich zuram häufigsten verwendeten TIMS-Technik (thermische Ionisationsmassenspektrometrie) stark erweitert.
Die Nier-Johnson-Geometrie, kombiniert mit der Multikollektortechnologie, ermöglicht eine größere Vielfalt an Isotopenverhältnissen, die mit hoher Präzision gemessen werden können.
Die ICP-Quelle extrahiert problemlos positive Ionen mit empfindlichen Wirkungsgraden (≥ 40%) für Elemente mit Ionisierungsenergien bis zu 10 eV.
Dieser große Vorteil hat dazu geführt, dass MC-HR-ICP-IRMS das Instrument der Wahl für die Isotopenanalyse in der Kosmochemie ist. In den letzten 20 Jahren wurde diese Methodik zusammen mit TIMS für die Isotopenanalyse von Elementen wie Nd, Pb verwendet und hat TIMS für andere, z.B. Hf, vollständig ersetzt. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit von Routinemessungen der Isotopenverhältnisse von Elementen wie Fe und Mg eingeführt.
