English China

Isotopenanalyse Die komponentenspezifische Isotopenanalyse in der Whisky-Analytik

Autor / Redakteur: Maik A. Jochmann* und Torsten C. Schmidt*, ** et al. / Dr. Ilka Ottleben

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.

Firmen zum Thema

(Bild: Stockcreations - Fotolia.com)

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.

Bildergalerie

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.

In der Isotopenverhältnismassenspektrometrie werden keine absoluten Gehalte der einzelnen Isotope angegeben sondern die Verhältnisse von schwerem zu leichtem Isotop Rs in einer Probe oder Verbindung (z.B. 13C/12C für Kohlenstoff). Um diese Verhältnisse international vergleichbar zu machen, wird dieses Verhältnis auf das Verhältnis einer internationalen Referenz Rref bezogen (s. Formel in der Bildergalerie).

Im Fall des Kohlenstoffs ist das Referenzmaterial Vienna PeeDee Belemnite (VPDB), welches sich auf ein Fossil aus der Kreidezeit zurückführen lässt.

Wie aus Abbildung 1 ersichtlich ist, können anhand der unterschiedlichen Isotopensignaturen des Kohlenstoffs z.B. C3-Pflanzen, die in moderaten Klimaten, wie den unseren beheimatet sind, von C4-Pfanzen unterschieden werden, die in wärmeren Regionen wachsen.

Dieser Unterschied kann z.B. zur Untersuchung der Authentizität alkoholischer Getränke herangezogen werden. Dazu kann das entsprechende Getränk sogar ohne eine vorherige chromatographische Trennung mittels Fließinjektionsanalyse (FIA-IRMS) direkt untersucht werden. Bei den in Abbildung 2 gezeigten Whisky-Proben kann man zwischen Bourbon, Malt und Blended Whiskys unterscheiden. Die Bourbon-Whisky-Proben, auf der Basis von Mais, zeigen dabei typische C4-Pflanzen-Werte zwischen -14,67 und -13,99‰. Die Single Malt Whisky-Proben auf der Basis von C3-Pfanzen besitzen Werte zwischen -28,20 und -26,20‰. Die Blended Whisky-Proben liegen zwischen denen der Single Malt und Bourbon Whiskys [5].

Da auch unterschiedliche Synthesewege zu unterschiedlich großen Isotopenfraktionierungen führen können, kann zudem in manchen Fällen zwischen synthetischen und natürlichen Produkten unterschieden werden. In Abbildung 3 wird z.B. gezeigt, dass es aufgrund der Kohlenstoffisotopenverhältnisse möglich ist, synthetisches von natürlichem Koffein zu unterscheiden. Natürliches Koffein fällt dabei in den Bereich der C3-Pflanzen, während synthetisches Koffein ein kleineres 13C zu 12C-Verhältnis aufweist [6].

Im Bereich der Lebensmittelanalytik gibt es weitere Anwendungen der LC-IRMS bei der Authentizitätskontrolle von Honig [7, 8] und Wein [9, 10].

Fazit

Es gibt noch nicht viele Anwendungen der LC-IRMS innerhalb der Lebensmittelchemie, dennoch besitzt die Methode großes Potenzial für die Authentizitätskontrolle. Besonders in Verbindung mit der HT-HPLC kann sich die Methode zu einem wertvollen Werkzeug im Bereich des Verbraucherschutzes auch über den Lebensmittelbereich hinaus entwickeln.

Literatur

[1] Nier AO, Gulbransen EA. 1939. Variations in the relative abundance of the carbon isotopes. Journal of the American Chemical Society 61: 697-98

[2] Murphey BF, Nier AO. 1941. Variations in the relative abundance of the carbon isotopes. Physical Review 59: 771-72

[3] Matthews DE, Hayes JM. 1978. Isotope-ratio-monitoring gas chromatography-mass spectrometry. Analytical Chemistry 50: 1465-73

[4] Godin J-P, McCullagh JSO. 2011. Review: Current applications and challenges for liquid chromatography coupled to isotope ratio mass spectrometry (LC/IRMS). Rapid Communications in Mass Spectrometry 25: 3019-28

[5] Jochmann MA, Steinmann D, Manuel S, Schmidt TC. 2009. Flow Injection Analysis-Isotope Ratio Mass Spectrometry for Bulk Carbon Stable Isotope Analysis of Alcoholic Beverages. Journal of Agricultural and Food Chemistry 57: 10489-96

[6] Zhang L, Kujawinski DM, Federherr E, Schmidt TC, Jochmann MA. 2012. Caffeine in your drink: Natural or synthetic? Analytical Chemistry 84: 2805-10

[7] Elflein L, Raezke KP. 2008. Improved detection of honey adulteration by measuring differences between C-13/C-12 stable carbon isotope ratios of protein and sugar compounds with a combination of elemental analyzer - isotope ratio mass spectrometry and liquid chromatography - isotope ratio mass spectrometry (delta C-13-EA/LC-IRMS). Apidologie 39: 574-87

[8] Cabañero AI, Recio JL, Rupérez M. 2006. Liquid Chromatography Coupled to Isotope Ratio Mass Spectrometry: A New Perspective on Honey Adulteration Detection. Journal of Agricultural and Food Chemistry 54: 9719-27

* *M.A. Jochmann, L. Zhang, D. M. Kujawinski, S.-M. Schulte, K. R. Michalski, Prof. Dr. T. C. Schmidt : Instrumentelle Analytische Chemie, Universität Duisburg-Essen, 45141 Essen, Tel. +49-201-183-6775

* Prof. Dr. T. C. Schmidt: Zentrum für Wasser und Umweltforschung (ZWU), Universität Duisburg-Essen, 45141 Essen

(ID:39369260)