VIRIS - hochpräzise Isotopenanalytik am Standort Wien

Isotope sind unterschiedlich schwere Atome eines Elementes und kommen in von Region zu Region unterschiedlichen Verhältnissen in der Natur vor. Dabei werden diese Isotope im selben Verhältnis in Pflanzen und über die Nahrungskette in Tieren und Menschen im Gewebe und in Knochen eingebaut. Zudem trägt jeder der Natur entnommene und weiter verarbeitete Rohstoff diese unverwechselbare Kennung. Aus diesem Grund kann durch die Analyse der Isotopenverhältnisse verschiedenster Elemente eine genaue Zuordnung der Herkunft getroffen werden oder festgestellt werden, ob Produkte aus derselben Quelle stammen. Speziell bei der Qualitätssicherung bei Lebensmittel ist es oft schwer, die Produktionskette nachzuvollziehen; genau das wird aber in der Europäischen Union im Rahmen der gesetzlich vorgeschriebenen Qualitätssicherung bei Lebensmitteln ab 2005 vorgeschrieben. Die breite Palette von Einsatzbereichen reicht von Authentizitätsprüfungen historischer Objekte über forensische Untersuchungen und Betrugsbekämpfung in Industrie und Landwirtschaft bis hin zu geochemischen Untersuchungen, um mehr über dem Ursprung der Erde zu erfahren. Die Hauptproblematik der Isotopenanalytik liegt darin, diese verschlüsselte Information lesbar zu machen, denn die Unterschiede der Isotopenverhältnisse sind immens klein, die Konzentration der Element sehr gering und die Proben oft zu wertvoll, um im Zuge der Analyse zerstört zu werden. Im Rahmen des START Projektes an der Universität für Bodenkultur wird eine einzigartige Kombination von Analysenmethoden angewandt, um diese Information selbst in kleinsten Probenmengen zugänglich zu machen: Mit Hilfe eines fein fokussierten Laserstrahls (Strahldurchmesser < 10 m = 0.01 mm) wird von beliebigen Proben eine kleinste Menge verdampft und mit Hilfe eines speziellen Massenspektrometers die Isotopenzusammensetzung analysiert. Das besondere an diesem Massenspektrometer ist, dass fast alle Elemente des Periodensystems hochpräzise auf ihre Isotopenzusammensetzung hin untersucht werden können; selbst geringste Unterschiede werden so erkennbar. Die fundamentale Grundlagenforschung wird in einer Kooperation mit führenden österreichischen Forschungsgruppen auf dem Gebiet der Lebensmittelforschung (BOKU Wien), der Geochemie (Universität Wien) und Anthropologie (Naturhistorisches Museum Wien) direkt auf relevante Anwendungsgebiete übertragen, womit eine einzigartige Kombination von theoretischer Grundlagenforschung mit drei Säulen angewandter Forschung ermöglicht wird: Entwicklung einer Methode zur Lebensmittelechtheitsbestimmung mittels Multi-Isotopenmuster: EU- Bestimmungen sehen die Nachvollziehbarkeit der Entstehung und die Bestimmung der Echtheit von Nahrungsmittel, Futtermittel und Tierprodukten entlang der Nahrungskette per 2005 vor. Direktanalyse von kleinsten Gesteinen und Einschlüssen im Bereich der Geochronologie und der Geobarometrie: Das Ziel ist die Einführung eines so genannten "Xenotime Thermochronometers" als geochronologisches und petrologisches Werkzeug, um die Ursprünge unserer Erde nachzuvollziehbar zu machen und neue Erkenntnisse im Bereich der Petrologie zu gewinnen. Erforschung der menschlichen neolithischen Einwanderung in Europa und Charakterisierung prähistorischer Skelette mittels Isotopenmessungen: Diese Studien an der Universität für Bodenkultur in Zusammenarbeit mit dem Naturhistorischen Museum Wien sind schon bisher auf beachtliches öffentliches Interesse gestoßen. Erst durch die Isotopenanalyse können für die Erforschung von Wanderungsbewegungen, Herkunft von Kulturen und sozialen Strukturen essentielle Puzzlestücke in der Altertumsforschung unserem Wissensstand hinzugefügt werden. Mit dem einzigartigen Probenmaterial des Naturhistorischen Museums Wien ist eine Studie geplant, um Licht in ein bislang unbekanntes Kapitel der Menschheitsgeschichte zu bringen.

Das Studium von Isotopen hat sich in den letzten Jahren als fixer Bestandteil der Wissenschaft etabliert. Isotope sind Atome eines Elementes mit unterschiedlicher Zahl an Neutronen, aber gleichen chemischen Eigenschaften und sind ein Erbe aus der Entstehungszeit des Sonnensystems. Die meisten natürlich vorkommenden Isotope sind stabil sie zerfallen also nicht weiter. Andere wiederum zerfallen in andere Elemente und emittieren dabei radioaktive Strahlung. Das Projekt VIRIS beschäftigt sich nun in erster Linie mit der Isotopenzusammensetzung von Elementen mit stabilen Isotopen, die bislang nur wenig Beachtung gefunden hatten. Der Fokus der Untersuchungen richtete sich dabei auf die Elemente Bor, Schwefel, Strontium, Blei und Uran. Durch die Zusammensetzung der Isotope ergibt sich ein spezifischer Fingerabdruck, der dazu verwendet werden kann, um Zugehörigkeit und Herkunft verschiedener Objekte zu identifizieren. Das Gerät, mit dem diese Isotopenzusammensetzungen analysiert werden nennt sich induktiv gekoppeltes Multikollektor Plasmamassenspektometer und war bei Beginn des START Projektes das erste seiner Art in Österreich. Das Gerät wurde zudem gekoppelt mit einem Laser Abtragungssystem, was erlaubte, auf Oberflächen hochaufgelöste Isotopenverteilungen direkt zu messen oder kleinste Partikel zu analysieren. Somit konnte mit dieser Methode z.B. das Haar von Beethoven auf seine Isotopenzusammenseztung, um die Quellen von eingelagertem Blei zu studieren oder kleinste mikrometergroße Einzelpartikel auf ihre Uranisotopenzusammensetzung hin untersucht werden. Letztere Untersuchungen sind in Zusammenarbeit mit der IAEA entstanden, wo die Methode dazu verwendet werden soll, aus der Isotopensignatur illegale Uranverwendung nachzuweisen. Im Bereich der Geochronologie beispielsweise kann das Alter kleinster Mineralien untersucht werden. Die untersuchten Elemente, allen voran Strontium, sind eine wichtige Grundlage zur Analyse der Herkunft von Lebensmitteln. Die Isotopenmuster liefern dabei einen unverfälschbaren Fingerabdruck der Region aus der sie stammen. Somit konnte z.B. für den Marchfelder Spargel oder den Ungarischen Paprika ein eindeutig zuordenbarer Fingerabdruck gefunden werden. Eine einzelne grüne Kaffeebohne ist mit der eingesetzten Technik beispielsweise bis zum Feld zurückverfolgbar auf dem sie geerntet wurde. Über die Nahrungskette werden die Isotopenmuster auch in Tier und Mensch eingebaut. Somit kann wiederum das Element Strontium zur Untersuchung der Migration von Tieren herangezogen werden. In Otolithen von Fischen den Gehörsteinen baut sich das Strontium im Laufe der Lebenszeit ein (vergleichbar mit Baumringen) und erzählt somit die Lebensgeschichte des Fisches. Die jüngste Forschung beschäftigt sich nun mit der Verwendung stabiler Isotope, um spezifische Isotopenmuster zur Markierung zu verwenden. Strontium zeigte sich aber auch in diesem Zusammenhang als einzigartige Methode, um historische Migration von Menschen anhand von Knochen und Zähnen zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit dem Naturhistorischen Museum Wien entstanden wertvolle Erkenntnisse über frühe Siedlungen in Österreich.