Beschleuniger-Massenspektrometrie

Wofür wird die AMS-Analyse verwendet?

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie ist eine hochempfindliche analytische Technik zur Messung des Verhältnisses eines seltenen, oft radioaktiven Isotops zur Gesamtzahl der Atome dieses Elements in der Probe. Verschiedene Isotope desselben Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen, aber unterschiedliche Anzahlen von Neutronen in ihren Kernen. Viele seltene Isotope, wie Be-10, C-14, Al-26, Cl-36, Ca-41, I-129 und mehrere Isotope von Uran und Plutonium, können mit AMS analysiert werden. Für die Analyse leichter stabiler Isotope ist die IRMS oft eine bevorzugte Methode.

Eine der häufigsten Anwendungen der AMS ist die Radiokohlenstoffdatierung. Die Technik wird weithin zur Bestimmung des Alters kohlenstoffhaltiger Proben eingesetzt, indem die Menge des radioaktiven C-14-Isotops in ihnen gemessen wird. Neben der Archäologie und historischen Forschung wird die AMS-Analyse auch häufig zur Bestimmung des Bioanteils (des Anteils an biobasiertem Gehalt) von Kraftstoffen, CO2-Emissionsgasen und anderen kohlenstoffhaltigen Materialien verwendet.

Die mit AMS analysierten Isotope haben ein breites Spektrum an Datierungsanwendungen und werden in einer Vielzahl von Chronometern und Tracern eingesetzt. Daher wird die AMS in vielen Disziplinen eingesetzt, beispielsweise in den geologischen und Planetenwissenschaften wie Geomorphologie, Quartärforschung, Umwelt- und Atmosphärenforschung, Archäologie, Geschichtsforschung, Kontrolle des globalen Klimawandels sowie für nukleare Sicherungsmaßnahmen und in der Biomedizin.

Wie funktioniert die Beschleuniger-Massenspektrometrie?

Die AMS-Analyse basiert auf der Verwendung eines Ionenbeschleunigers als leistungsstarkes Massenspektrometer. Ionenquellen, große Magnete und Detektoren werden zusammen mit dem Beschleuniger eingesetzt, um verschiedene Isotope zu trennen und einzelne Atome zu zählen. Nach der Ionisierung der Probe filtern die magnetischen und elektrischen Felder des Beschleunigersystems zusätzliche Isotope aus dem Ionenstrahl heraus, indem sie diese von ihrer ursprünglichen Richtung ablenken.

Die hohe Geschwindigkeit des Ionenstrahls ermöglicht es, Moleküle zu zerstören und aus dem Messuntergrund zu entfernen. Schließlich wird der Ionenstrahl isotopisch analysiert: Die magnetischen und elektrostatischen Analysatoren messen die Menge des interessierenden Isotops, und Ionendetektoren identifizieren ausgewählte Isotope und zählen sie einzeln. Dadurch können selbst Konzentrationen von einem Atom in etwa 1.000 Atomen gemessen werden.

Probenanforderungen und -vorbereitung

Mit der AMS können feste, flüssige und gasförmige Proben analysiert werden. Beispielsweise eignen sich archäologische Proben (z. B. Fossilien, Keramik), geologische Proben (z. B. Gesteine, Sedimente), Brennstoffe, Rauchgase und natürliche Proben wie Regenwasser für die Analyse. Da AMS eine hochempfindliche Methode ist, wird nur eine geringe Probenmenge benötigt. Für feste Materialien sind in der Regel einige Milligramm ausreichend.

Vor der AMS-Analyse muss das jeweilige Element (z. B. Kohlenstoff, Beryllium, Aluminium, Iod, Uran oder Plutonium) aus der Probe isoliert und gereinigt werden. Mithilfe chemischer Methoden werden sehr kleine Mengen des Elements separiert und das geeignete Zielmaterial wird für die Messung vorbereitet.

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