1.

Einleitung

Tracer (to trace: einer Spur folgen), Sammelbezeichnung für Substanzen, die mit der zu untersuchenden Substanz gemischt oder an diese gekoppelt werden, um anschließend beispielsweise die Verteilung der zu untersuchenden Verbindung in einem Rohrsystem zu analysieren. Mit Tracern kann man die Bewegung von großen oder kleinen Mengen an Substanzen verfolgen. Physikalische Tracer sind bei diesem Verfahren z. B. nur durch Adsorption – also durch rein physikalische Vorgänge – an die zu verfolgende Substanz gebunden. Zu den physikalischen Tracern zählt man vor allem so genannte Spürmittel, die z. B. in der Lecksuche, in der Kriminalistik oder im Umweltschutz (Aufspüren von Ölpestverursachern) angewandt werden. Chemische Tracer besitzen ähnliche oder sogar die gleichen chemischen Eigenschaften wie die zu verfolgenden Substanzen. Zu diesem Typ Tracer gehören vor allem markierte Verbindungen, die so genannte Leitisotope oder Isotopenindikatoren enthalten. Bei den Isotopen kann es sich auf der einen Seite um stabile Teilchen (wie z. B. Deuterium, ¹³C, ¹⁵N oder ¹⁷O) oder auf der anderen Seite um Radioisotope handeln.

Die so genannte Indikator- oder Tracermethode setzt man z. B. zur Untersuchung von Reaktionsmechanismen ein. Im Falle von radioaktiven Tracern bestimmt man dabei die radioaktive Strahlung der Reaktions- oder Folgeprodukte (siehe Radioaktivität). Zum Nachweis der radioaktiven Strahlung dienen u. a. das Elektroskop, der Szintillationszähler und andere Arten von Teilchendetektoren. Bei Untersuchungen von Tracern stabiler Isotope verwendet man Massenspektrometer. Mit diesen Geräten lassen sich die relativen Mengen an verschiedenen Isotopen bestimmen, die in einer Analysenprobe enthalten sind. Tracer werden für zahlreiche Anwendungen wie z. B. bei chemischen, medizinischen oder technischen Untersuchungen eingesetzt.

2.

Untersuchungen größerer Materialmengen

Obwohl man die Bewegung großer Massen an Feststoffen oder Flüssigkeiten auf viele verschiedene Arten untersuchen kann (beispielsweise auch durch visuelle Verfolgung von bestimmten Farbstoffen), bietet der Einsatz radioaktiver Tracer bei großen Materialmengen entscheidende Vorteile: schnellere Durchführung, Zuverlässigkeit und Bequemlichkeit. Mit radioaktiven Tracern kann man beispielsweise die Grenze zwischen verschiedenen Ölsorten in einer Ölpipeline markieren: Man spritzt einer Ölsorte in einer Pipeline radioaktives Material hinzu und erhält so einen radioaktiv markierten Abschnitt. Diesen Abschnitt registrieren Strahlungsdetektoren in der Pipeline, sobald die markierte Grenzfläche einen ausgewählten Punkt passiert. Der Messabschnitt liegt zweckmäßigerweise kurz vor der Stelle, wo die beiden Ölsorten zusammentreffen. Die Detektoren aktivieren dann Regelventile, wodurch die beiden verschiedenen Ölsorten zu unterschiedlichen Abflüssen weitergeleitet werden.

In der Motorenöl erzeugenden Industrie werden Tracer eingesetzt, um Verschleißerscheinungen im mikroskopischen Bereich aufzuspüren. Bei einem Öl, das über längere Zeit in einem Testmotor gewesen ist, lässt sich die Schmierqualität bewerten, indem man die Verschleißerscheinungen an Kolbenringen und Zylinderwänden sowie die im Öl befindliche Stahlmenge ermittelt. Allerdings sind derartige Experimente relativ zeitaufwendig und als Routinemethode umständlich zu handhaben. Nach dem Tracerverfahren werden die Kolbenringe beispielsweise in einem Kernreaktor mit Neutronen bestrahlt und auf diese Weise radioaktiv (siehe Kernenergie). Nach relativ kurzer Betriebsdauer des Motors kann das vom Kolbenring abgetragene radioaktive Material im Öl und an den Zylinderwänden nachgewiesen werden. Die Menge dieses Materials wird dann zur Bewertung der Ölqualität herangezogen.

3.

Biologische und medizinische Untersuchungen

In der biologischen Forschung werden Moleküle, die beispielsweise mit radioaktiven Isotopen markiert sind, besonders zur Aufklärung von Stoffwechselabläufen verwendet. Damit lässt sich ebenfalls der Weg von Nährstoffen und Toxinen durch Ökosysteme verfolgen. So werden Tracer u. a. in der botanischen und landwirtschaftlichen Forschung eingesetzt, um etwa die Nährstoffaufnahme bei Pflanzen zu verfolgen und Stoffwechselabläufe aufzuklären – Letzteres vor allem wenn sie in die Photosynthese integriert sind.

In der medizinischen Diagnostik und Forschung werden mit Tracertechniken Organ- und Gewebefunktionen untersucht. So analysiert man z. B. die Aufnahme von Hormonen, Mineralstoffen, Vitaminen oder Blutbestandteilen. Der Hormonausstoß von Organen kann ebenso wie die Ausschüttung anderer Proteine und die Absonderung von nicht verwertbaren Stoffwechselprodukten innerhalb eines Organismus schnell und genau bestimmt werden.

4.

Biochemische und chemische Untersuchungen

Tracing-, Markierungs- und Doppelmarkierungsverfahren sind aus der biochemischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Mit diesen Verfahren ist es möglich geworden, den Ursprung jedes Atoms in einem komplizierten Molekül ausfindig zu machen. Das Beispiel Häm, der Farbstoff des Hämoglobins, soll dies veranschaulichen: Der Farbstoff trägt die chemische Summenformel Fe (C₃₂H₃₀N₄) (COOH)₂. Es konnte gezeigt werden, dass bestimmte Kohlenstoffatome aus Essigsäure (CH₃COOH) stammen. Essigsäure ist ein Stoffwechselprodukt und besteht aus zwei Kohlenstoff tragenden Gruppen. Mittels Doppelmarkierung kann man sogar aufklären, welches der Kohlenstoffatome im Häm auf die COOH-Gruppe des Essigsäuremoleküls und welches auf die CH₃-Gruppe zurückzuführen ist.

In der organisch-chemischen Forschung setzt man Tracer u. a. zur Verfolgung chemischer Reaktionen ein, so z. B. bei der Migration und der Umlagerung von Atomen oder Atomgruppen. Mittels Markierung und Doppelmarkierung ließen sich die Mechanismen von unklaren und komplizierten Reaktionen aufklären.

In der anorganischen Chemie ermöglichten Tracer die Untersuchung von Systemen, bei denen zwar keine chemische Nettoreaktion stattfindet, aber bei denen beispielsweise ein Element in zwei Oxidationszuständen auftritt. Mit Tracertechniken konnte man u. a. nachweisen, dass auch ohne chemische Reaktion bei Cobalt (II) und Cobalt (III) ein wechselseitiger Austausch von Atomen stattfindet.

5.

Auswahl der 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.

6.

Herstellung von Tracern

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.