Isotopenanalyse Die komponentenspezifische Isotopenanalyse in der Whisky-Analytik

Die Analyse stabiler Isotope ist heute eine etablierte Methode mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten. Die unterschiedlichen Isotopensignaturen des Kohlenstoffs beispielsweise können zur Authentizitätsanalyse alkoholischer Getränke herangezogen werden.

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Universität Duisburg-Essen Fakultät für Chemie, Analytische Chemie

Wenn in den Medien über Isotope berichtet wird, dann sind damit meistens negative Assoziationen mit radioaktiven Isotopen und atomaren Unfällen verbunden. Im Allgemeinen wissen nur naturwissenschaftlich gebildete Personen den Begriff „Isotop“ richtig einzuordnen. Besonders mit Nukliden eines Elements, die gleiche Protonenzahlen, aber unterschiedliche Neutronenzahlen besitzen und nicht unter Aussendung radioaktiver Strahlung zerfallen, den so genannten „stabilen Isotopen“, können die meisten Menschen keinen sinnvollen Nutzen verknüpfen. Dennoch hat sich eine wissenschaftliche Technik herausgebildet, bei der die Verhältnisse dieser stabilen Isotope eines Elements genutzt werden.

Schon im Jahr 1939 fand der Pionier der Massenspektrometrie Alfred Nier zusammen mit Earl Gulbransen heraus, dass sich die Kohlenstoffisotopenzusammensetzung lebender Organismen von der mineralischer Verbindungen z.B. der Carbonate unterscheidet (s. Abb. 1), [1, 2]. Dieser Unterschied hat seinen Ursprung in kinetischen oder thermodynamischen Isotopeneffekten, die – sehr vereinfacht gesagt – auf unterschiedlichen Bindungsenergien zwischen Isotopen eines Elements in einer Verbindung beruhen. Diese Unterschiede zeigen sich in messbaren Isotopenfraktionierungen bei chemischen Reaktionen oder Phasentransferprozessen. Da die messbaren Unterschiede im Isotopenverhältnis chemischer Verbindungen sehr klein sind, werden Isotopenverhältnismassenspektrometer (IRMS oder auch irMS) verwendet, mit denen die benötigte Präzision erreicht werden kann.

GC-IRMS und LC-IRMS

Seit dem Ende der 1970er Jahre wurde die Methode dadurch erweitert, dass der eigentlichen Isotopenverhältnisanalyse eine chromatographische Trennung mittels Gaschromatographie vorgeschaltet wurde, um den isotopischen Fingerabdruck einzelner Verbindungen aus komplexen Gemischen zu bestimmen [3]. Heute ist diese Methode unter der Bezeichnung komponentenspezifische Isotopenanalyse (engl. CSIA) bekannt. Seit dem Jahr 2004 ist auch eine Kopplung der Flüssigchromatographie mit der Isotopenverhältnismassenspektrometrie kommerziell erhältlich. Mit dieser LC-IRMS-Kopplung ist es möglich, polare Verbindungen, die der Gaschromatographie nicht zugänglich sind, auf ihren isotopischen Fingerabdruck hin zu untersuchen. Das Verfahren beruht auf einer nasschemischen Oxidation der chromatographisch getrennten Verbindungen vor der eigentlichen Isotopenverhältnismessung.

Heutzutage wird die komponentenspezifische Isotopenanalyse zur Lebensmittel- und Produktüberwachung, in den Umwelt- und Geowissenschaften, der Ökologie sowie der Archäologie verwendet [4]. Sie hat sogar Einfluss auf den sozialen und politischen Bereich, wenn es um den Nachweis von Doping im Sport geht.

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