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2026-04-08T16:36:01Z

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'''Isotopenuntersuchungen''' ermitteln den Anteil von [[Isotop]]en eines [[chemisches Element|chemischen Elementes]] innerhalb einer Probe. Die meisten chemischen Elemente besitzen mehrere Isotope. Mit einem [[Massenspektrometer]] kann diese Isotopenzusammensetzung (die ''Isotopie'') sehr genau bestimmt werden (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 höher die Konzentration eines Isotops ist, desto größer 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.<ref>Brian Fry: ''Stable isotope ecology''. 2006. Springer, ISBN 0-387-30513-0</ref>
Anwendungsbeispiele für Isotopenuntersuchungen:
# Die Messung radiogener Isotope liefert Rückschlüsse auf das Alter einer bestimmten [[Mineral]]- oder [[Gestein]]sprobe, siehe [[Geochronologie]] und [[Radiometrische Datierung]].
# 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 Obstsäften, oder auch für die Umweltbedingungen, die bei der Bildung von [[Muschelschale|Muschel]]- oder [[Foraminiferen]]-Schalen im Ozean geherrscht haben.
# In der [[Organische Chemie|organischen Chemie]] werden Isotopenuntersuchungen mit leichteren Elementen zur Klärung von [[Reaktionsmechanismus|Reaktionsmechanismen]] eingesetzt.
# Sauerstoff- und Wasserstoffisotope können in der Pflanzenökologie genutzt werden, um Wasserquellen von Pflanzen zu ermitteln.
# Ursachen, Auswirkungen und Anwendungen von [[Isotopeneffekt]]en können untersucht werden.
# Über die Untersuchung der Verteilung bzw. des Anteils von [[Deuterium]] in einem organischen Molekül mit der [[Kernspinresonanzspektroskopie#Deuterium-Kernspinresonanzspektroskopie|2H-NMR-Spektroskopie]] lässt sich eine Aussage über die Herkunft des Stoffes machen.
# Verschiedene Erzlagerstätten eines Metalls unterscheiden sich häufig in den Anteilen der enthaltenen Isotope, so dass aus der Bestimmung der Mengenverhältnisse auf die Lagerstätte geschlossen werden kann. Das ist insbesondere bei metallischen archäologischen Funden von Bedeutung und dient u. a. zur Rekonstruktion von frühen Handelswegen.

=== Übersicht ===
{| class="wikitable zebra" border="1"
|-
! Isotopenverhältnis
! Fraktionierung
! Verwendung
|-
| [[δ18O]]
| biologisch, klimatisch
| für [[Petrologie|petrologische]], [[Stratigraphie (Geologie)|stratigraphische]] oder [[Paläoklimatologie|paläoklimatologische]] Untersuchungen
|-
| δ2H
| biologisch, klimatisch
| z. B. Wasser- und Weinuntersuchungen
|-
| [[δ13C]]
| biologisch, anthropogen
| für Untersuchungen in der [[Geochemie]], [[Paläoklimatologie]] und [[Paläozeanographie]]
|-
| [[δ15N]]
| biologisch, anthropogen

| für Untersuchungen in der [[Geochemie]], [[Paläoklimatologie]] und [[Paläozeanographie]]

|-
| δ34S
| anthropogen, geologisch
|-
| δ208Pb
| anthropogen, geologisch
|-
| δ87Sr
| geologisch
|-
| δ143Nd
| geologisch
|}

=== Terminologie ===
Die Ergebnisse einer Isotopenmessung werden als Verhältnis von schweren zu leichten Isotopen angegeben und als [[Delta]]-Werte (<math>\delta</math>) gelistet. Alle Isotope werden als relativer Unterschied zu einem internationalen Standard gemessen und in [[Promille]] angegeben. Zum Beispiel ist
:<math>\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}</math>.

== Wasserstoff-Isotope ==
=== Prinzip ===
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 [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]].

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

=== Tritiummethode ===
Regenwasser enthält Tritium, das durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre entstanden ist. Da Tritium mit der Zeit zerfällt, führt die Anwendung der [[Tritiummethode]] beispielsweise zur Altersbestimmung von Quellwasser. – 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 Verhältnis 18O/16O gemessen, weil 17O in nur schwer nachweisbaren Mengen auftritt. Als Standard für die Berechnung des <math>\delta^{18}\mathrm{O}</math>-Verhältnisses (siehe Terminologie) wird überwiegend das Isotopenverhältnis des [[Vienna Standard Mean Ocean Water]] (VSMOW) verwendet.

Das Isotopenverhältnis 18O/16O im Wasserdampf in der Atmosphäre sowie im Wasser aller Gewässer 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 temperaturabhängig, so dass Niederschläge in kühlen Regionen ein niedrigeres 18O/16O-Verhältnis (und auch niedrigeres D/H-Verhältnis) aufweisen als in Gegenden mit heißem Klima. Auch jahreszeitliche Temperaturschwankungen schlagen sich in Veränderungen des Isotopenverhältnisses im Regenwassers nieder.<ref>Elisabeth Stephan: ''Stabile Isotope in fossilen Faunenfunden: Erforschung von Klima, Umwelt und Ernährung prähistorischer Tiere''. In: Andreas Hauptmann (Hrsg.): ''Archäometrie. Methoden und Anwendungsbeispiele''. Stuttgart 2008, ISBN 978-3-510-65232-7, S. 51–58.</ref>

Diese Tatsache wird in der [[Archäometrie]] zur [[Paläoklima|Paläotemperatur]]-Rekonstruktion genutzt. Säugetiere bauen in ihren Knochen und Zähnen Sauerstoffisotope ein. Dabei ist das Verhältnis abhängig von <math>\delta^{18}\mathrm{O}</math> Wert des Trinkwassers. Die Relationen sind artspezifisch und können auf Knochen- und Zahnfunde aus archäologischen Ausgrabungen angewendet werden. Aus der Analyse von [[Zahnschmelz]], der sich im Laufe des Lebens eines [[adult]]en Säugetiers nicht umbaut, lassen sich Rückschlüsse auf das Klima ziehen, in dem das Tier aufwuchs. Je höher der <math>\delta^{18}\mathrm{O}</math> Wert, desto höher die Temperatur.<ref>M. J. Schoeninger, M. J. Kohn, J. W. Valley: ''Tooth oxygen isotope ratios as paleoclimate monitors in arid ecosystems.'' In: S. H. Ambrose, M. A. Katzenberg (Hrsg.): ''Biogeochemical Approches to Paleodietary Analysis.'' Advances in Archeological and Museum Science 5, New York 2000, S. 117–140.</ref>

18O wird bei organischen und biochemischen Reaktionen benutzt, um den [[Reaktionsmechanismus]] aufzuklären. Hierbei dient entweder elementarer oder in Wasser gebundener Sauerstoff (18O2, H218O). Bekannte Beispiele sind hierfür die Bildung oder Hydrolyse von [[Ester]]n. Bei biochemischen Reaktionen lassen sich insbesondere [[Dehydrogenierung]]en bei [[Enzym|enzymatischen]] Reaktionen aufklären.<ref name = "ChiuZ">H. L. Schmidt, E. Schmelz: ''Stabile Isotope in Chemie und Biowissenschaft,'' Chemie in unserer Zeit, 14. Jahrg. 1980, Nr. 1, S. 25</ref>

== Kohlenstoff-Isotope ==
{{Siehe auch|Radiokarbonmethode}}
{{Siehe auch|Δ13C}}

[[Kohlenstoff]] (C) hat zwei stabile [[Isotop]]e: 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 Verhältnis der beiden stabilen Isotope wird ebenfalls für wissenschaftliche Fragestellungen genutzt. Zwischen 12C und 13C findet eine natürliche Isotopenfraktionierung bei der [[Photosynthese]] statt.
[[C3-Pflanzen|C3-Pflanzen]], wie Weizen, besitzen zur Fixierung von CO2 ausschließlich das Photosyntheseenzym [[Rubisco|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|C3-Pflanzen]] liegen im Bereich −26,5 ‰. Bei [[C4-Pflanzen|C4-Pflanzen]] wie Hirse und Mais läuft 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 höherer Affinität vorfixiert wird. Die PEP-Carboxylase diskriminiert nicht gegen das schwerere δ13C-Isotop, was in einem positiveren δ13C-Verhältnis von ca. −12,5 ‰ der [[C4-Pflanzen|C4-Pflanzen]] zum Ausdruck kommt. Die Abweichung wird ins Verhältnis zum [[Pee Dee Belemnite|Pee-Dee-Belemnite]]-Standard gesetzt und dieses Verhältnis angegeben. Durch die besondere CO2-Fixierung der CAM-Pflanzen können noch positivere δ13C-Verhältnisse in der Natur beobachtet werden.<ref>Wilhelm Nultsch: ''Allgemeine Botanik''. Thieme (Hrsg.) 2001</ref> Einen noch höheren Wert haben Plankton und Meerestiere. Das ermöglicht es beispielsweise [[Anthropologie|Anthropologen]] anhand des δ13C-Werts von menschlichen Knochen, Rückschlüsse auf die Ernährung zu ziehen. Dies ist besonders in Verbindung mit dem δ15N interessant.<ref>Elisabeth Stephan: ''Stabile Isotope in fossilen Faunenfunden: Erforschung von Klima, Umwelt und Ernährung prähistorischer Tiere''. In: Andreas Hauptmann (Hrsg.): ''Archäometrie. Methoden und Anwendungsbeispiele''. Stuttgart 2008, ISBN 978-3-510-65232-7, S. 58–60.</ref>

Für die Untersuchung eignet sich die 13C-[[Kernresonanzspektroskopie]], die insbesondere auch in der [[Organische Chemie|organischen Chemie]] zur Aufklärung von [[Strukturaufklärung|chemischen Strukturen]] eingesetzt wird.<ref name = "ChiuZ"/>

== Stickstoff-Isotope ==
{{Hauptartikel|Δ15N}}
[[Stickstoff]] (N) hat die zwei stabilen [[Isotop]]e 14N (99,634 %) und 15N (0,366 %). Als Standard für die Berechnung des δ15N-Verhältnisses (siehe Terminologie) wird das Isotopenverhältnis der Luft verwendet.

Die Isotopenfraktionierung findet im [[Stickstoffkreislauf]] vorwiegend im Zusammenspiel zwischen Pflanzen und Mikroorganismen im Boden statt. Trockene Savannen- und Wüstenböden enthalten mehr 15N als feuchte, kühle Waldböden der gemäßigten Regionen. Gegenüber der Atmosphäre reichern biologische Materialien das schwere Isotop an. Innerhalb der [[Nahrungskette]] werden weitere Anreicherungen beobachtet. [[Fleischfresser]] als letztes Glied der Nahrungskette zeigen die höchsten Werte. In der Archäometrie wird die Analyse des N-Isotopenverhältnisses verwendet, um aus Knochenfunden Rückschlüsse auf die Ernährung von Tieren und Menschen zu ziehen. Eine vorwiegende Ernährung durch Fleisch wurde aufgrund seines δ15N-Wertes auch für den Neandertaler festgestellt.<ref>Elisabeth Stephan: ''Stabile Isotope in fossilen Faunenfunden: Erforschung von Klima, Umwelt und Ernährung prähistorischer Tiere''. In: Andreas Hauptmann (Hrsg.): ''Archäometrie. Methoden und Anwendungsbeispiele''. Stuttgart 2008, ISBN 978-3-510-65232-7, S. 60–64.</ref>

== Kalium-Argon-System ==
{{Hauptartikel|Kalium-Argon-Datierung}}

Die [[Argonmethode]] macht sich zu Nutze, dass das gewöhnlich feste Element Kalium 40K mit einer [[Halbwertszeit]] von 1,3 Milliarden Jahren zum gasförmigen 40Ar zerfällt, welches aus einer Schmelze, nicht aber aus einem Festkörper entweichen kann. In der [[Geologie]] wird damit die Erstarrungszeit [[vulkan]]ischer Materialien datiert.

== Rubidium-Strontium-System ==
{{Hauptartikel|Strontiumisotopenanalyse}}

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

87Sr ist ein Zerfallsprodukt von 87[[Rubidium]], das eine Halbwertszeit von 48,8 Milliarden Jahren hat.
Daher kann man das Alter mancher Gesteine mit Hilfe ihrer Rubidium- und Strontiumisotopenverhältnisse 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 Isotopenverhältnis identisch mit dem am Lebensort des Kindes. Die Strontiumisotopenanalyse nutzt man für archäologische Untersuchungen von Skelettfunden. Vergleicht man das Sr-Isotopenverhältnis in den Knochen mit dem in den Kauzähnen, belegt ein unterschiedliches Verhältnis eine nach dem vierten Lebensjahr erfolgte Wanderbewegung.

== Thorium-Uran-Blei-Methode ==
{{Hauptartikel|Uran-Thorium-Datierung|Uran-Blei-Datierung}}
=== Überblick ===
Bei der Th-U-Pb Methode werden die Konzentrationen und die Isotopenverhältnisse der Elemente Thorium, Uran und Blei bestimmt. Jedes der drei Isotope 238U, 235U und 232Th zerfällt radioaktiv über komplizierte Zerfallsreihen in genau ein Bleiisotop:

:<math>\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}}</math>

Da die Isotopie von drei unabhängigen Zerfallsreihen bestimmt werden, ist theoretisch eine dreidimensionale Darstellung der Ergebnisse möglich. Meist wird nur die zweidimensionale Darstellung gewählt und das 207Pb/232Th-System zur [[Fraktionierungskorrektur]] benutzt.

=== Anwendungen ===
* Datierung von Mineralen: [[Apatit]] ([[Zahnschmelz]], siehe oben), [[Monazit]] oder [[Zirkon]]
* Die Herkunft von Kleidung, Menschen, Tieren, Lebensmitteln kann im weltweiten Maßstab zwischen verschiedenen Kontinenten unterschieden werden. Bei vorgegebener regionaler Eingrenzung, zum Beispiel Butter aus Deutschland, sind, durch die Analyse des [[Wasser]]s im Lebensmittel, auch feinere Unterscheidungen möglich.
* 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

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Geochronologie]]
[[Kategorie:Paläoklimatologie]]

Isotopenuntersuchung - Versionsgeschichte

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