ISOTOPE Stabile Isotope und Radioisotope Messtechnik und Anwendungen

ISOTOPE Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen

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

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

Isotope 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.

Karlsruher Nuklidkarte

Karlsruher Nuklidkarte Ausschnitt

Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung a-Strahlung a -Teilchen sind Helium-Kerne, die Energie im Bereich von Me. V beinhalten a-Zerfall verläuft nach dem Schema AX Z a A-4 Y Z-2 + 24 He geringe Reichweite; z. B. Pu, Rn

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

Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung g-Strahlung tritt bei Abkühlungsprozessen angeregter Kerne auf, wobei sich Nuklidzusammensetzung nicht mehr ändert (0. 1 bis 10 Me. V) elektromagnetische Strahlung (Photonen) hohe Reichweite distinkte Energiebanden !

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

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

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

Messung der Kernstrahlung Messprinzip Szintillationszählung Flüssigszintillatoren

Messung der Kernstrahlung Messprinzip Szintillationszählung Feststoffszintillatoren

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

Referenzmaterialien z. B. Vienna Pee Dee Belemnit

Häufigkeit stabiler Isotope

Angabe stabiler Isotope Natürliche Häufigkeit d. X-Wert = (RProbe/RStandard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwer. X / leicht. X Angabe der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope also als relative Abweichung der absoluten Isotopenverhältnisses der Probe von einem international anerkannten Standard in ‰

Angabe stabiler Isotope Natürliche Häufigkeit d. X-Wert = (RProbe/RStandard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwer. X / leicht. X Markierung at%schwer. X = schwer. X / (schwer. X + leicht. X) x 100 APE = at%Probe - at%Kontrolle

Abundanz stabiler Isotope 0. 00036 at%15 N 0. 0011 at%13 C

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

Angaben stabiler Isotope Diskriminierung Die Diskriminierung D beschreibt den Isotopeneffekt einer Reaktion(Sequenz, Organismus) D = d. XSubstrat - d. XProdukt

Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte leichtk leicht. A leicht. B schwerk schwer. A schwer. B akin = leichtk / schwerk Isotopisch schwerere Moleküle reagieren langsamer als leichtere. Nicht additiv. Bindungsstärke massereicherer Substanzen ist höher, mehr Energie notwendig diese Bindungen aufzubrechen.

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

Ausprägung eines kinetischen Isotopeneffektes Nachlieferung/ Poolgrösse

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

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 15 N in NH 4+ versus NH 3 (D = -25‰)NH 3 Hydratation von 13 C in HCO 3 - versus CO 2 (D = -8‰)CO 2 Hydratation

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

Masseunterschiede z. B. Glukose 12 C 1 H 16 O (180) 13 C 12 C 1 H 16 O (181) 6 12 6 5 12 6 Masseunterschied 1/181 Glukose ist nicht flüchtig z. B. Kohlendioxid 12 C 16 O (44) 13 C 16 O (45) 2 2 Masseunterschied 1/45

Messung stabiler Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie IRMS

Messung stabiler Isotope IRMS-Schema

Funktionsprinzip des Elementaranalysators

Das Interface Schnittstelle zwischen Elementaranalysator und Massenspektrometer

Das Herzstück Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometer

Elektronenstoßionisation N 2 CO 2 ---> N 2 + m/z N+ m/z CO 2+ m/z O 2 + CO+ C+ m/z m/z 28 29 30 14 44 45 46 32 28 12 12 C 17 O 16 O, 13 C 16 O CO 2+ (45) 12 C 18 O 16 O, 12 C 17 O, 13 C 16 O 17 O etc. CO 2+ (46) Korrektur für O-Isotope notwendig

MEMCO Kollektoren Multi-Element Multicollector

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