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Isotopenuntersuchungen ermitteln den Anteil von Isotopen eines chemischen Elementes innerhalb einer Probe. Die meisten chemischen Elemente besitzen mehrere Isotope. Mit einem Massenspektrometer kann man diese Isotopenzusammensetzung (die Isotopie) sehr genau bestimmen (bis Nanogramm Probenmenge und je nach Element und Isotop bis ppt (10^?12) Genauigkeit).

Messverfahren

Die Isotopenuntersuchung erfolgt durch Massenspektrometrie. Im Massenspektrometer werden die Isotope je nach Masse und Ladung unterschiedlich stark von ihrer Flugbahn abgelenkt und als Peaks aufgezeichnet. Je h?her die Konzentration eines Isotops ist, desto gr??er ist der ausgegebene Peak. Zur Berechnung der Isotopenzusammensetzung werden internationale Standards (unterschiedlich für die verschiedenen Elemente) verwendet, die mit den Proben zusammen gemessen werden und eine definierte Isotopenzusammensetzung besitzen. Anwendungsbeispiele für Isotopenuntersuchungen:

1. Die Messung radiogener Isotope liefert Rückschlüsse auf das Alter einer bestimmten Mineral- oder Gesteins-probe, siehe Geochronologie und Radiometrische Datierung.
2. Isotope leichterer Elemente (vor allem Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Wasserstoff), dienen zum Beispiel als Nachweis für die regionale und klimatische Herkunft von Lebensmitteln, etwa von Obsts?ften, oder auch für die Umweltbedingungen, die bei der Bildung von Muschel- oder Foraminiferen-Schalen im Ozean geherrscht haben.
3. In der organischen Chemie werden Isotopenuntersuchungen mit leichteren Elementen zur Kl?rung von Reaktionsmechanismen eingesetzt.
4. Sauerstoff- und Wasserstoffisotope k?nnen in der Pflanzen?kologie genutzt werden, um Wasserquellen von Pflanzen zu ermitteln.
5. Ursachen, Auswirkungen und Anwendungen von Isotopeneffekten k?nnen untersucht werden.
6. über die Untersuchung der Verteilung bzw. des Anteils von Deuterium in einem organischen Molekül mit der ²H-NMR-Spektroskopie l?sst sich eine Aussage über die Herkunft des Stoffes machen.
7. Verschiedene Erzlagerst?tten eines Metalls unterscheiden sich h?ufig in den Anteilen der enthaltenen Isotope, so dass aus der Bestimmung der Mengenverh?ltnisse auf die Lagerst?tte geschlossen werden kann. Das ist insbesondere bei metallischen arch?ologischen Funden von Bedeutung und dient u. a. zur Rekonstruktion von frühen Handelswegen.

übersicht

Isotopenverh?ltnis	Fraktionierung	Verwendung
δ18O	biologisch, klimatisch	für petrologische, stratigraphische oder pal?oklimatologische Untersuchungen
δ2H	biologisch, klimatisch	z. B. Wasser- und Weinuntersuchungen
δ13C	biologisch, anthropogen	für Untersuchungen in der Geochemie, Pal?oklimatologie und Pal?ozeanographie
δ15N	biologisch, anthropogen	für Untersuchungen in der Geochemie, Pal?oklimatologie und Pal?ozeanographie
δ34S	anthropogen, geologisch
δ208Pb	anthropogen, geologisch
δ87Sr	geologisch
δ143Nd	geologisch

Terminologie

Die Ergebnisse einer Isotopenmessung werden als Verh?ltnis von schweren zu leichten Isotopen angegeben und als Delta-Werte ($\delta$) gelistet. Alle Isotope werden als relativer Unterschied zu einem internationalen Standard gemessen und in Promille angegeben. Zum Beispiel ist

$\delta ^{18}\mathrm {O} ={\frac {\left({\frac {{}^{18}\mathrm {O} }{{}^{16}\mathrm {O} }}\right)_{\text{Probe}}-\left({\frac {{}^{18}\mathrm {O} }{{}^{16}\mathrm {O} }}\right)_{\text{Standard}}}{\left({\frac {{}^{18}\mathrm {O} }{{}^{16}\mathrm {O} }}\right)_{\text{Standard}}}}\cdot 1000\,{}^{0\!}\!/\!_{00}$.

Wasserstoff-Isotope

Wasserstoff (H) besitzt zwei stabile Isotope: Protium oder Protonen (¹H) und Deuterium (²H oder D) und das radioaktive (instabile) Isotop Tritium (³H oder T) mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren. Auf der Erde gibt es nur wenige Kilogramm Tritium als natürliches Vorkommen. Es entsteht durch kosmische Strahlung in den oberen Schichten der Atmosph?re.

Deuterium wird auch als schwerer und Tritium als überschwerer Wasserstoff bezeichnet.

Tritiummethode

Regenwasser enth?lt Tritium, das durch kosmische Strahlung in der Atmosph?re entstanden ist. Da Tritium mit der Zeit zerf?llt, kann man mit der Tritiummethode beispielsweise das Alter von Quellwasser bestimmen.

Weil Tritium in der Natur so selten ist, lassen sich kleinste Kontaminationen aus technischen Anwendungen leicht feststellen.

Sauerstoff-Isotope

→ Hauptartikel: Δ18O

Sauerstoff hat 3 stabile Isotope: ¹⁶O, ¹⁷O und ¹⁸O.

Für Untersuchungen wird meist das Verh?ltnis ¹⁸O/¹⁶O gemessen, weil ¹⁷O in nur schwer nachweisbaren Mengen auftritt. Als Standard für die Berechnung des $\delta ^{18}\mathrm {O}$-Verh?ltnisses (siehe Terminologie) wird überwiegend das Isotopenverh?ltnis des Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) verwendet.

Das Isotopenverh?ltnis ¹⁸O/¹⁶O im Wasserdampf in der Atmosph?re sowie im Wasser aller Gew?sser ist regional unterschiedlich. Bei der Verdunstung von Wasser tritt ebenso wie bei der Kondensation eine Isotopenfraktionierung auf. Beim Verdampfen geht das leichtere Isotop bevorzugt in den Dampf über, bei der Kondensation (z. B. Wolkenbildung und Regen) geht bevorzugt das schwerere Isotop in die flüssige Phase. Die Isotopenfraktionierung ist temperaturabh?ngig, so dass Niederschl?ge in kühlen Regionen ein niedrigeres ¹⁸O/¹⁶O-Verh?ltnis (und auch niedrigeres D/H-Verh?ltnis) aufweisen als in Gegenden mit hei?em Klima. Auch jahreszeitliche Temperaturschwankungen schlagen sich in Ver?nderungen des Isotopenverh?ltnisses im Regenwassers nieder.

Diese Tatsache wird in der Arch?ometrie zur Pal?otemperatur-Rekonstruktion genutzt. S?ugetiere bauen in ihren Knochen und Z?hnen Sauerstoffisotope ein. Dabei ist das Verh?ltnis abh?ngig von $\delta ^{18}\mathrm {O}$ Wert des Trinkwassers. Die Relationen sind artspezifisch und k?nnen auf Knochen- und Zahnfunde aus arch?ologischen Ausgrabungen angewendet werden. Aus der Analyse von Zahnschmelz, der sich im Laufe des Lebens eines adulten S?ugetiers nicht umbaut, lassen sich Rückschlüsse auf das Klima ziehen, in dem das Tier aufwuchs. Je h?her der $\delta ^{18}\mathrm {O}$ Wert, desto h?her die Temperatur.

¹⁸O wird bei organischen und biochemischen Reaktionen benutzt, um den Reaktionsmechanismus aufzukl?ren. Hierbei dient entweder elementarer oder in Wasser gebundener Sauerstoff (¹⁸O₂, H₂¹⁸O). Bekannte Beispiele sind hierfür die Bildung oder Hydrolyse von Estern. Bei biochemischen Reaktionen lassen sich insbesondere Dehydrogenierungen bei enzymatischen Reaktionen aufkl?ren.

Kohlenstoff-Isotope

Siehe auch: Radiokarbonmethode

Siehe auch: Δ13C

Kohlenstoff (C) hat zwei stabile Isotope: ¹²C (98,89 %), ¹³C (1,11 %) und das instabile ¹⁴C-Isotop (0,000 000 000 1 %). Letzteres ist Basis für die bekannteste Anwendung von Isotopenuntersuchungen, die Radiokohlenstoffdatierung, bei der zur Altersbestimmung organischer Proben der ¹⁴C-Gehalt gemessen wird.

Das Verh?ltnis der beiden stabilen Isotope wird ebenfalls für wissenschaftliche Fragestellungen genutzt. Zwischen ¹²C und ¹³C findet eine natürliche Isotopenfraktionierung bei der Photosynthese statt. C₃-Pflanzen, wie Weizen, besitzen zur Fixierung von CO₂ ausschlie?lich das Photosyntheseenzym RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase). Es diskriminiert gegen das schwerere δ¹³C-Isotop und fixiert bevorzugt leichtere CO₂-Moleküle. Die δ¹³C-Werte von C₃-Pflanzen liegen im Bereich ?26,5 ‰. Bei C₄-Pflanzen wie Hirse und Mais l?uft die CO₂-Fixierung anders ab, und dort findet neben der RuBisCO noch die Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEP-Carboxylase) statt, durch die CO₂ in Form von Hydrogencarbonat (HCO₃^?) mit wesentlich h?herer Affinit?t vorfixiert wird. Die PEP-Carboxylase diskriminiert nicht gegen das schwerere δ¹³C-Isotop, was in einem positiveren δ¹³C-Verh?ltnis von ca. ?12,5 ‰ der C₄-Pflanzen zum Ausdruck kommt. Die Abweichung wird ins Verh?ltnis zum Pee-Dee-Belemnite-Standard gesetzt und dieses Verh?ltnis angegeben. Durch die besondere CO₂-Fixierung der CAM-Pflanzen k?nnen noch positivere δ¹³C-Verh?ltnisse in der Natur beobachtet werden. Einen noch h?heren Wert haben Plankton und Meerestiere. Das erm?glicht es beispielsweise Anthropologen anhand des δ¹³C-Werts von menschlichen Knochen, Rückschlüsse auf die Ern?hrung zu ziehen. Dies ist besonders in Verbindung mit dem δ¹⁵N interessant.

Für die Untersuchung eignet sich die ¹³C-Kernresonanzspektroskopie, die insbesondere auch in der organischen Chemie zur Aufkl?rung von chemischen Strukturen eingesetzt wird.

Stickstoff-Isotope

→ Hauptartikel: Δ15N

Stickstoff (N) hat die zwei stabilen Isotope ¹⁴N (99,634 %) und ¹⁵N (0,366 %). Als Standard für die Berechnung des δ¹⁵N-Verh?ltnisses (siehe Terminologie) wird das Isotopenverh?ltnis der Luft verwendet.

Die Isotopenfraktionierung findet im Stickstoffkreislauf vorwiegend im Zusammenspiel zwischen Pflanzen und Mikroorganismen im Boden statt. Trockene Savannen- und Wüstenb?den enthalten mehr ¹⁵N als feuchte, kühle Waldb?den der gem??igten Regionen. Gegenüber der Atmosph?re reichern biologische Materialien das schwere Isotop an. Innerhalb der Nahrungskette werden weitere Anreicherungen beobachtet. Fleischfresser als letztes Glied der Nahrungskette zeigen die h?chsten Werte. In der Arch?ometrie wird die Analyse des N-Isotopenverh?ltnisses verwendet, um aus Knochenfunden Rückschlüsse auf die Ern?hrung von Tieren und Menschen zu ziehen. Eine vorwiegende Ern?hrung durch Fleisch wurde aufgrund seines δ¹⁵N-Wertes auch für den Neandertaler festgestellt.

Kalium-Argon-System

→ Hauptartikel: Kalium-Argon-Datierung

Die Argonmethode macht sich zu Nutze, dass das gew?hnlich feste Element Kalium ⁴⁰K mit einer Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren zum gasf?rmigen ⁴⁰Ar zerf?llt, welches aus einer Schmelze, nicht aber aus einem Festk?rper entweichen kann. In der Geologie wird damit die Erstarrungszeit vulkanischer Materialien datiert.

Rubidium-Strontium-System

→ Hauptartikel: Strontiumisotopenanalyse

Strontium hat vier stabile, natürlich vorkommende Isotope: ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,0 %) und ⁸⁸Sr (82,58 %).

⁸⁷Sr ist ein Zerfallsprodukt von ⁸⁷Rubidium, das eine Halbwertszeit von 48,8 Milliarden Jahren hat. Daher kann man das Alter mancher Gesteine mit Hilfe ihrer Rubidium- und Strontiumisotopenverh?ltnisse bestimmen.

Bei Lebewesen (z. B. Menschen) wird Strontium an Stelle von Calcium auch in Knochen und Zahnschmelz eingebaut. Anders als in den Knochen wird das Sr im Zahnschmelz nach dem vierten Lebensjahr nicht mehr ausgetauscht. Deshalb bleibt dort das Isotopenverh?ltnis identisch mit dem am Lebensort des Kindes. Die Strontiumisotopenanalyse nutzt man für arch?ologische Untersuchungen von Skelettfunden. Vergleicht man das Sr-Isotopenverh?ltnis in den Knochen mit dem in den Kauz?hnen, belegt ein unterschiedliches Verh?ltnis eine nach dem vierten Lebensjahr erfolgte Wanderbewegung.

Thorium-Uran-Blei-Methode

→ Hauptartikel: Uran-Thorium-Datierung und Uran-Blei-Datierung

Bei der Th-U-Pb Methode bestimmt man die Konzentrationen und die Isotopenverh?ltnisse der Elemente Thorium, Uran und Blei. Jedes der drei Isotope ²³⁸U, ²³⁵U und ²³²Th zerf?llt radioaktiv über komplizierte Zerfallsreihen in genau ein Bleiisotop:

${\frac {^{206}\mathrm {Pb} }{^{238}\mathrm {U} }},{\frac {^{207}\mathrm {Pb} }{^{235}\mathrm {U} }}\quad {\text{und}}\quad {\frac {^{208}\mathrm {Pb} }{^{232}\mathrm {Th} }}$

Da man die Isotopie von drei unabh?ngigen Zerfallsreihen bestimmt, ist theoretisch eine dreidimensionale Darstellung der Ergebnisse m?glich. Meist weicht man jedoch auf eine zweidimensionale Darstellung aus und benutzt das ²⁰⁷Pb/²³²Th-System zur Fraktionierungskorrektur.

Anwendungen

• Datierung von Mineralen: Apatit (Zahnschmelz, siehe oben), Monazit oder Zirkon
• Die Herkunft von Kleidung, Menschen, Tieren, Lebensmitteln kann im weltweiten Ma?stab zwischen verschiedenen Kontinenten unterschieden werden. Bei vorgegebener regionaler Eingrenzung, zum Beispiel Butter aus Deutschland, sind, durch die Analyse des Wassers im Lebensmittel, auch feinere Unterscheidungen m?glich.
• Durch die Untersuchung von Th-U-Pb Isotopen kann man beispielsweise auch zwischen verschiedenen Typen von Kernreaktoren oder Kernwaffen unterscheiden.

Weitere Methoden

• Schwefel-System
• Sm-Nd-System
• U-Pb-System
  • U-He-Methode (historisch)
  • Pb-Methode (historisch)
  • Pb-Pb-Methode