Tracer

Elemente mit nur einem natürlichen (stabilen) Isotop lassen sich nach dieser Analysemethode nur mit Hilfe von radioaktiven Tracern untersuchen. Bei manchen Elementen haben die einzigen radioaktiven Isotope extrem kurze Halbwertszeiten, wodurch ihr Einsatz ebenfalls nicht in Frage kommt. In diesem Fall können die Tracer auch aus den selteneren stabilen Isotopen bestehen, die in angereicherter Form verfügbar sein müssen. Mit Hilfe eines Massenspektrometers werden dann die Abweichungen vom normalen Isotopenmassenverhältnis ermittelt.

In einigen Fällen kann man zwischen stabilen und radioaktiven Isotopentracern auswählen – beispielsweise zwischen den beiden Kohlenstoffisotopen ¹³C (stabil) und ¹⁴C (radioaktiv) oder zwischen den beiden Wasserstoffisotopen stabiles Deuterium (²H, in mancher Literatur auch D) und radioaktives Tritium (³H, in mancher Literatur auch T). Die Wahl des Tracers kann sich auch nach dem so genannten Verdünnungsfaktor richten. Dieser Faktor ist ein Maß für die Tracerkonzentration, die zum Nachweis erforderlich ist. Im Allgemeinen können radioaktive Tracer in viel kleineren Mengen als stabile Tracer nachgewiesen werden. ¹³C ist z. B. zu 1,108 Prozent in natürlich vorkommendem ¹²C enthalten. Eine Änderung von 0,001 Prozent ist daher leicht nachweisbar. Anders ausgedrückt: Ein reiner ¹³C-Tracer ist auch noch dann registrierbar, wenn man ihn 100 000-mal bis eine Million Mal mit natürlichem ¹²C verdünnt. Markiert man ein Zuckermolekül mit einem reinen ¹³C-Isotop, kann der Tracer nur bei den Experimenten nachgewiesen werden, die nicht mehr als 100 000-mal bis eine Million Mal so viele unmarkierte Kohlenstoffatome enthalten.

Aufgrund der Zerfallsgeschwindigkeit von reinem ¹⁴C mit einer Halbwertszeit von etwa 5 760 Jahren beträgt die Menge an detektierbarem ¹⁴C in der kohlenstoffhaltigen Probe etwa 0,04 Teile pro einer Milliarde Teile (parts per billion; ppb). Das entspricht einem Verdünnungsfaktor von 25 Millionen. Da das Material aber radioaktiv ist, legen Sicherheitsmaßstäbe gewöhnlich eine praktische Obergrenze für die experimentelle Konzentration nahe. Und obwohl Deuterium nicht radioaktiv ist, so führen ähnliche Betrachtungen zu Verdünnungsgrenzen von etwa einer Million für Deuterium und 10 Billionen für Tritium. Deuterium beeinflusst das lebende Gewebe, da es zweimal so schwer wie gewöhnlicher Wasserstoff ist.

Die Verfügbarkeit stabiler Isotopentracer hängt von den Isotopentrennverfahren und ihrer natürlichen Häufigkeit ab. Grundsätzlich können sämtliche Isotopentrennungen mit einem Gerät durchgeführt werden, das auf dem Prinzip des Massenspektrometers basiert. Hierbei werden die Isotope aufgrund ihrer unterschiedlichen Masse mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern getrennt. Manche Isotope lassen sich mit dem Gasdiffusionsverfahren (z. B. Uran) oder durch Mehrfachdestillation (z. B. Wasserstoff) trennen. Für die meisten praktisch durchzuführenden Trennungen setzt man auch wiederholte Isotopenaustauschreaktionen ein, um leichte und schwere Isotope voneinander abzuscheiden. Die meisten Isotopenpräparate mit Deuterium, ¹³C und ¹⁵N stellt man auf diese Weise her.

Radioaktive Tracer erhält man u. a. auch durch Neutronenbeschuss des stabilen Elements. Dieses bildet unter Neutronenaufnahme ein schwereres Isotop, welches dann beispielsweise unter Emission von Betateilchen zerfällt. Zur Herstellung von ¹⁴C setzt man das nächstschwerere Element (Stickstoff) ein und bombardiert es mit Neutronen. Das aufgenommene Neutron verursacht dann die Abgabe eines Protons, und infolgedessen bildet sich das radioaktive Isotop des Elements mit der nächstniederen Ordnungszahl.

Siehe auch Verfahren zur Altersbestimmung.