Ein Stück Würfelzucker im Bodensee nachweisen

AWI-Messgerät auf der Analytica 2002

Auf der diesjährigen Analytica, die vom 23. bis 26. April in München stattfindet, stellt das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) ein neu entwickeltes wissenschaftliches Analysegerät vor. Am Stand der Firma Perkin Elmer, mit der das AWI schon lange zusammen arbeitet, zeigt die Arbeitsgruppe Geophysik die neue Probenkammer „Cryolac“, die eine sehr nachweisstarke und hochauflösende Elementanalyse gefrorener Eisproben erlaubt. Entwickelt und gebaut wurde das Gerät am AWI mit dem Ziel, Eisbohrkerne in einer besseren Auflösung als bisher zu untersuchen. Inzwischen meldete das AWI die Kammer zum Patent an. Bei der Firma Ludolph in Bremerhaven kann sie nun bestellt werden.

Anlass für den Bau des Gerätes war die Notwendigkeit, die in Grönland erbohrten Eiskerne zu untersuchen. Das alte Eis in der Tiefe enthält winzige Mengen an Spurenstoffen, die Auskunft geben über die Klimaverhältnisse früherer Zeiten. Je tiefer die Eisschicht, aus der eine Probe stammt, um so stärker ist das Eis zusammen gedrückt. Deshalb wurde nach einer Methode gesucht, eine möglichst kleine Menge Eis auf Spurenstoffe zu untersuchen.

Bisher mussten für eine Analyse etwa fünf Gramm Eis geschmolzen werden. Das neue Verfahren erfordert nur noch eine Probenmenge von 1,5 Milligramm, was fünfzehn hundertstel Gramm entspricht. Diese Eismenge wird in der auf -45°C tiefgekühlten Probenkammer mit einem Infrarot-Laser von der Probenoberfläche abgetragen und in einem 10000°C heißen Plasma ionisiert. Die Ionen werden dann in einem Massenspektrometer auf bewährte Weise gezählt.

Das Verfahren heißt „Laserablation induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie“ (LA-ICP-MS). Damit können geringste Elementgehalte in Eisproben mit einer bisher nicht erreichten Auflösung auch in tiefen Eisschichten gemessen werden. Zur Kalibration des Systems wurden Lösungen in verschiedenen Konzentrationen nach einem speziellen Präparationsweg eingefroren. Mit den hergestellten Eisstandards konnten erfolgreich quantitative Analysen für 62 Isotope direkt aus dem Feststoff durchgeführt werden. Die erreichten Nachweisgrenzen betragen je nach Element ein Nanogramm Spurenstoff pro Kilogramm Eis.
„Damit können wir im Prinzip ein Stück Würfelzucker im Bodensee nachweisen“, beschreiben Dr. Michael Kriews und Dr. Heiko Reinhardt, Chemiker am AWI, das Erreichte. Nur eine so hohe Auflösung ermöglicht es, mit extrem kleinen Probenmengen zu arbeiten.

Mit dieser neuen Methode sind in Zukunft auch Untersuchungen an biologischen Materialien vorgesehen, die zu diesem Zweck tiefgefroren werden. Die räumliche Verteilung von Spurenelementen in Gewebeproben kann so gemessen werden. Eine interessante Anwendung ist die Messung des Metallabriebs künstlicher Gelenke. Auch in der Tumorforschung und in der Gerichtsmedizin sind Anwendungen denkbar.