ENZYME
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ISOTOPE Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen Isotope Atombau Elektronen (e-) Protonen (p) Definition des chemischen Elements ORDNUNGSZAHL 6 p, 6 e- -> 6C Isotope Atombau Elektronen (e-) Protonen (p) Definition des chemischen Elements ORDNUNGSZAHL 6 p, 6 e- -> 6C Definition des Isotopes Neutronen (n) MASSEZAHL 6 p -> 6C 6 n -> 12C 7 n -> 13C 8 n -> 14C Isotope Stabile versus Radioisotope Die Halbwertszeiten „stabiler“ Isotope sind nicht meßbar d.h. >109 Jahre. Unterschied zwischen stabilen und instabilen Isotopen ist abhängig vom Verhältnis p : n. Instabile Isotopen gehen unter Kernumwandlungen zu stabileren Kernen unter Abgabe charakteristischer Kernstrahlung über. Karlsruher Nuklidkarte Karlsruher Nuklidkarte Ausschnitt Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung a-Strahlung a -Teilchen sind Helium-Kerne, die Energie im Bereich von MeV beinhalten a-Zerfall verläuft nach dem Schema AX Z a A-4Y Z-2 + 4He 2 geringe Reichweite; z.B. Pu, Rn Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung b--Strahlung b--Teilchen Elektronen, die Energie im Bereich von keV bis MeV beinhalten b--Zerfall verläuft nach dem Schema AX Z b- AY + (Antineutrino + e-) Z+1 mittlere Reichweite, Energieverteilung z.B. 3H, 14C, 32P Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung g-Strahlung g-Strahlung tritt bei Abkühlungsprozessen angeregter Kerne auf, wobei sich Nuklidzusammensetzung nicht mehr ändert (0.1 bis 10 MeV) elektromagnetische Strahlung (Photonen) hohe Reichweite distinkte Energiebanden ! Messung der Kernstrahlung Messprinzipien Ionisationsdetektoren (a, b-, g) • Ionisationskammer • Proportionalzählrohr • Auslösezählrohr (Geiger-Müller) Messung der Kernstrahlung Messprinzipien Ionisationsdetektoren (a, b-, g) Messung der Kernstrahlung Ionisationsdetektoren (a, b-, g) • Ionisationskammer • Proportionalzählrohr • Auslösezählrohr (Geiger-Müller) Messung der Kernstrahlung Messprinzip Szintillationszählung Flüssigszintillatoren Messung der Kernstrahlung Messprinzip Szintillationszählung Feststoffszintillatoren Vorkommen stabiler Isotope Leichte Elemente Elem. Isotop H C N O S SMOW V-PDB at-air CDT Delta Referenzmaterial 1H, 2H (D) 12C, 13C 14N, 15N 16O, 17O, 18O 32S, 33S, 34S, 36S dD d13C d15N d18O d34S Standard Mean Ocean Water Vienna Pee Dee Belemnite N2 in atmospheric air Canon Diablo Meteorite SMOW V-PDB at-air SMOW CD Referenzmaterialien z.B. Vienna Pee Dee Belemnit Häufigkeit stabiler Isotope Angabe stabiler Isotope Natürliche Häufigkeit dX-Wert = (RProbe/RStandard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwerX / leichtX Angabe der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope also als relative Abweichung der absoluten Isotopenverhältnisses der Probe von einem international anerkannten Standard in ‰ Angabe stabiler Isotope Natürliche Häufigkeit dX-Wert = (RProbe/RStandard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwerX / leichtX Markierung at%schwerX = schwerX / (schwerX + leichtX) x 100 APE = at%Probe - at%Kontrolle Abundanz stabiler Isotope 0.00036 at%15N 0.0011 at%13C Ursachen der isotopischen Zusammensetzung von Materialien Input Quelle Transformationen Diskriminierung + biochemisch + physikalisch Output Verlust Angaben stabiler Isotope Diskriminierung Die Diskriminierung D beschreibt den Isotopeneffekt einer Reaktion(Sequenz, Organismus) D = dXSubstrat - dXProdukt Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte leichtk leichtA leichtB schwerk schwerA schwerB akin = leichtk / schwerk Isotopisch schwerere Moleküle reagieren langsamer als leichtere. Nicht additiv. Bindungsstärke massereicherer Substanzen ist höher, mehr Energie notwendig diese Bindungen aufzubrechen. Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte akin = leichtk / schwerk Enzymatische Reaktionen diskriminieren häufig gegen das schwerere Isotop eines jeweiligen Paares. Abreicherung der Produkte durch Nitratreduktase D = 15‰ Rubisco D = 28‰ PEPCarboxylase D = 2‰ CO2Diffusion D = 4‰ Ausprägung eines kinetischen Isotopeneffektes Nachlieferung/ Poolgrösse Vorkommen stabiler Isotope Gleichgewichtsisotopeneffekte aequ = avor/arück [avor = leichtkvor / schwerkvor] Summe der kinetischen IEs der Umsetzungsraten für beide Reaktionsrichtungen. Vorkommen stabiler Isotope Gleichgewichtsisotopeneffekte aequ = avor/arück [a = leichtk / schwerk] Summe der kinetischen IEs der Umsetzungsraten für beide Reaktionsrichtungen. Höhere Aktivierungsenergie für Dissoziation isotopisch schwererer Moleküle. Additiv. Anreicherung von 15N in NH4+ versus NH3 (D = -25‰)NH3 Hydratation von 13C in HCO3- versus CO2 (D = -8‰)CO2 Hydratation Messung stabiler Isotope Technische Terme Isotopengehalte Natürliche Häufigkeit (‰) versus Markierungsstudien (at%) Probenaufbereitung zu Gasen Continuos-Flow versus Dual Inlet Analyseebene Trockenmaterial Substanz-spezifisch Intramolekular EA-IRMS GC-C-IRMS NMR, Pyrolyse, Offline Präp. Masseunterschiede z.B. Glukose 12C 1H 16O (180) 13C12C 1H 16O (181) 6 12 6 5 12 6 Masseunterschied 1/181 Glukose ist nicht flüchtig z.B. Kohlendioxid 12C16O (44) 13C16O (45) 2 2 Masseunterschied 1/45 Messung stabiler Isotope Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie IRMS Messung stabiler Isotope IRMS-Schema Elementaranalysator Proben Interface OX Referenzgas RED H2O He-Dilution GC Dual Inlet Ionenquelle GasisotopenMassenspektrometer Beschleunigung Fokussierung Elektromagnet Kollektoren Probe Referenz Funktionsprinzip des Elementaranalysators Probengeber Zinnkapsel N2, CO2, H2O He-Carrier O2-Purge blitzartige 1800°C Verbrennung 640°C Cr2O3 versilbertes Co-Oxid REDUKTION OXIDATION 1020°C elementares Kupfer 25°C Perchlorat Asche CuO GASCHROMATOGRAPHIE CuO 25°C TCD N2, NOx, CO2, H2O, O2 N2, CO2 Das Interface Schnittstelle zwischen Elementaranalysator und Massenspektrometer Helium Ref-N2 Ref-CO2 RefGas "Schnüffelkapillare" zur MS - 0.3 mL min-1 HeDilut. off Inneres Glasrohr Äußeres on Heliumpolster Helium/Probengas EA - 120 mL min-1 Das Herzstück Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometer Massendispersion + Ablenkung + Doppelfokussierung Fokussierung Elektromagnet Extraktion (0.75 Tesla, 0-4 A) Flugrohr Elektronenstossionisation Flug e- Falle HD-Kollektoren - Hochvakuum (Vorvakuum- und Turbomolekularpumpen; 6.10-10 bar) Flugrohr Detektion + Elektrostatische Linsen - Extraktionsplatten +2.6kV Inlet +3kV Kathode (3.5 A, 70 eV) MEMCOKollektoren (C,N,S,O) Elektronenstoßionisation N2 CO2 ---> ---> N2+ m/z N+ m/z CO2+ m/z O2+ CO+ C+ m/z m/z m/z 28 29 30 14 44 45 46 32 28 12 12C17O16O, 13C16O16O CO2+ (45) 12C18O16O, 12C17O17O, 13C16O17O etc. CO2+ (46) Korrektur für O-Isotope notwendig MEMCO Kollektoren Multi-Element Multicollector Der Lauf und Ausdruck Start EA He-Dilution EM-Umstellung
