Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen

Präsentation zum Thema: "Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen"—  Präsentation transkript:

1 Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen

2 Isotope Atombau Definition des chemischen Elements Elektronen (e-)
Protonen (p) ORDNUNGSZAHL 6 p, 6 e- -> 6C

3 Isotope Atombau Definition des chemischen Elements Definition des
Elektronen (e-) Protonen (p) Neutronen (n) ORDNUNGSZAHL 6 p, 6 e- -> 6C Definition des Isotopes MASSEZAHL 6 p -> 6C 6 n -> 12C 7 n -> 13C 8 n -> 14C

4 Stabile versus Radioisotope
Die Halbwertszeiten „stabiler“ Isotope sind nicht meßbar d.h. >109 Jahre. Unterschied zwischen stabilen und instabilen Isotopen ist abhängig vom Verhältnis p : n. Instabile Isotopen gehen unter Kernumwandlungen zu stabileren Kernen unter Abgabe charakteristischer Kernstrahlung über.

5 Karlsruher Nuklidkarte

6 Karlsruher Nuklidkarte
Ausschnitt

7 Charakteristische Kernstrahlung
3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung a-Strahlung a -Teilchen sind Helium-Kerne, die Energie im Bereich von MeV beinhalten a-Zerfall verläuft nach dem Schema geringe Reichweite; z.B. Pu, Rn a AX A-4Y + 4He Z Z

8 Charakteristische Kernstrahlung
3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung b--Strahlung b--Teilchen Elektronen, die Energie im Bereich von keV bis MeV beinhalten b--Zerfall verläuft nach dem Schema mittlere Reichweite, Energieverteilung z.B. 3H, 14C, 32P b- AX AY + (Antineutrino + e-) Z Z+1

9 Charakteristische Kernstrahlung
3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung g-Strahlung g-Strahlung tritt bei Abkühlungsprozessen angeregter Kerne auf, wobei sich Nuklidzusammensetzung nicht mehr ändert (0.1 bis 10 MeV) elektromagnetische Strahlung (Photonen) hohe Reichweite distinkte Energiebanden !

10 Messung der Kernstrahlung
Messprinzipien Ionisationsdetektoren (a, b-, g) Ionisationskammer Proportionalzählrohr Auslösezählrohr (Geiger-Müller)

11 Messung der Kernstrahlung
Messprinzipien Ionisationsdetektoren (a, b-, g)

12 Messung der Kernstrahlung
Ionisationsdetektoren (a, b-, g) Ionisationskammer Proportionalzählrohr Auslösezählrohr (Geiger-Müller)

13 Messung der Kernstrahlung
Messprinzip Szintillationszählung Flüssigszintillatoren

14 Messung der Kernstrahlung
Messprinzip Szintillationszählung Feststoffszintillatoren

15 Vorkommen stabiler Isotope
Leichte Elemente Elem. Isotop Delta Referenzmaterial H 1H, 2H (D) dD SMOW C 12C, 13C d13C V-PDB N 14N, 15N d15N at-air O 16O, 17O, 18O d18O SMOW S 32S, 33S, 34S, 36S d34S CD SMOW Standard Mean Ocean Water V-PDB Vienna Pee Dee Belemnite at-air N2 in atmospheric air CDT Canon Diablo Meteorite

16 z.B. Vienna Pee Dee Belemnit
Referenzmaterialien z.B. Vienna Pee Dee Belemnit

17 Häufigkeit stabiler Isotope

18 Angabe stabiler Isotope
Natürliche Häufigkeit dX-Wert = (RProbe/RStandard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwerX / leichtX Angabe der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope also als relative Abweichung der absoluten Isotopenverhältnisses der Probe von einem international anerkannten Standard in ‰

19 Angabe stabiler Isotope
Natürliche Häufigkeit dX-Wert = (RProbe/RStandard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwerX / leichtX Markierung at%schwerX = schwerX / (schwerX + leichtX) x 100 APE = at%Probe - at%Kontrolle

20 Abundanz stabiler Isotope
at%15N at%13C

21 Ursachen der isotopischen Zusammensetzung von Materialien
Input Quelle Transformationen Diskriminierung + biochemisch + physikalisch Output Verlust

22 Angaben stabiler Isotope
Diskriminierung Die Diskriminierung D beschreibt den Isotopeneffekt einer Reaktion(Sequenz, Organismus) D = dXSubstrat - dXProdukt

23 Kinetische Isotopeneffekte
Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte akin = leichtk / schwerk Isotopisch schwerere Moleküle reagieren langsamer als leichtere. Nicht additiv. Bindungsstärke massereicherer Substanzen ist höher, mehr Energie notwendig diese Bindungen aufzubrechen. leichtk schwerk leichtA  leichtB schwerA  schwerB

24 Kinetische Isotopeneffekte
Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte akin = leichtk / schwerk Enzymatische Reaktionen diskriminieren häufig gegen das schwerere Isotop eines jeweiligen Paares. Abreicherung der Produkte durch Nitratreduktase D = 15‰ Rubisco D = 28‰ PEPCarboxylase D = 2‰ CO2Diffusion D = 4‰

25 Ausprägung eines kinetischen Isotopeneffektes
Nachlieferung/ Poolgrösse

26 Vorkommen stabiler Isotope
Gleichgewichtsisotopeneffekte aequ = avor/arück [avor = leichtkvor / schwerkvor] Summe der kinetischen IEs der Umsetzungsraten für beide Reaktionsrichtungen.

27 Vorkommen stabiler Isotope
Gleichgewichtsisotopeneffekte aequ = avor/arück [a = leichtk / schwerk] Summe der kinetischen IEs der Umsetzungsraten für beide Reaktionsrichtungen. Höhere Aktivierungsenergie für Dissoziation isotopisch schwererer Moleküle. Additiv. Anreicherung von 15N in NH4+ versus NH3 (D = -25‰)NH3 Hydratation von 13C in HCO3- versus CO2 (D = -8‰)CO2 Hydratation

28 Messung stabiler Isotope
Technische Terme Isotopengehalte Natürliche Häufigkeit (‰) versus Markierungsstudien (at%) Probenaufbereitung zu Gasen Continuos-Flow versus Dual Inlet Analyseebene Trockenmaterial EA-IRMS Substanz-spezifisch GC-C-IRMS Intramolekular NMR, Pyrolyse, Offline Präp.

29 Masseunterschiede z.B. Glukose
12C61H1216O6 (180)  13C12C51H1216O6 (181) Masseunterschied 1/181 Glukose ist nicht flüchtig z.B. Kohlendioxid 12C16O2 (44)  13C16O2 (45) Masseunterschied 1/45

30 Messung stabiler Isotope Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie
IRMS

31 Messung stabiler Isotope
IRMS-Schema

32 Elementaranalysators
Funktionsprinzip des Elementaranalysators

33 Schnittstelle zwischen Elementar- analysator und Massenspektrometer
Das Interface Schnittstelle zwischen Elementar- analysator und Massenspektrometer

34 Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometer
Das Herzstück Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometer

35 Elektronenstoßionisation
N2 ---> N2+ m/z N+ m/z 14 CO2 ---> CO2+ m/z O2+ m/z CO+ m/z C+ m/z 12 CO2+ (45) 12C17O16O, 13C16O16O CO2+ (46) 12C18O16O, 12C17O17O, 13C16O17O etc. Korrektur für O-Isotope notwendig

36 MEMCO Kollektoren Multi-Element Multicollector

37 Der Lauf und Ausdruck Start EA He-Dilution EM-Umstellung

38