Zeldzame calciumisotopen gevangen
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen in het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee zij met behulp van lasers de aanwezigheid van de verschillende isotopen van calcium kunnen aantonen. In een zogenaamde atoomval kunnen ze één enkel isotoop zichtbaar maken. Deze ATTA-methode heeft grote mogelijkheden voor ouderdomsdateringen. Met name is de methode ook geschikt voor biomedische toepassingen zoals bij het volgen van botontkalking. De onderzoekers publiceren hun resultaten in februari in Physical Review A.
De analyse van lang-levende isotopen die in zeer lage concentraties voorkomen, zogenoemde sporenelementen, is een belangrijk gereedschap in de moderne wetenschap. Het wordt bijvoorbeeld toegepast in de medische wetenschap en archeologie.
De belangstelling om extreem zeldzame calciumisotopen afzonderlijk te kunnen detecteren heeft drie redenen. Allereerst is op het KVI de opstelling TRImP in ontwikkeling. Daarin worden radioactieve isotopen afgeremd en in een val opgesloten. Vervolgens dienen ze als een soort microlaboratorium, om aspecten van het Standaardmodel uit de hoge-energiefysica te toetsen. Het onderzoek naar calciumisotopen helpt ervaring op te doen met het scheiden, opsluiten en karakteriseren van isotopen. Daarnaast is calcium-41 interessant als sporenelement om een proces als botontkalking op moleculair niveau te volgen of om ouderdomsdateringen honderdduizenden jaren in het verleden te doen. De vervaltijd van calcium-41 is in de orde van honderdduizend jaar. In de natuur is calcium-41 zeer zeldzaam: er is één calciumisotoop op honderdduizend maal een miljard gewone calciumatomen (calcium-40). Dat maakt het bouwen van een val voor afzonderlijke calcium-41-atomen tot een bijzondere uitdaging.
Voor detectie van sporenelementen bestaan verschillende methodes. Eén van deze methodes is de zogenaamde ATTA-methode: Atom Trap Trace Analysis. Omdat andere elementen de metingen bij deze methode niet beïnvloeden, is ATTA zeer geschikt voor het detecteren van sporenelementen. Scheiding, opslag en detectie van de isotopen gebeurt met lasers en daarom is de opstelling relatief klein. Met de ATTA-methode is het de Groningers nu gelukt om caliumisotopen te meten in een concentratie van één isotoop op honderd miljard andere atomen. Het ultieme doel van de onderzoekers is om calcium-41 in zijn natuurlijke, lage concentratie te kunnen detecteren.
AlCaTraz: het Groningse ATTA-experiment
Het experiment is gebaseerd op het principe dat de frequenties waarbij de verschillende isotopen in een aangeslagen toestand terechtkomen, een piepklein beetje verschilllen. Het verschil bedraagt ongeveer 0,0001 procent. Met nauwkeurig ingesteld laserlicht is het mogelijk om selectief bepaalde isotopen aan te slaan. In een oven maken de wetenschappers calciumatomen vrij. De atomen hebben dan een snelheid van ongeveer duizend meter per seconde. Vanuit de oven worden ze de Zeemanafremmer in geleid. De afremmer, zoals de naam al zegt, remt door middel van laserlicht de gemiddelde snelheid van de atomen af tot nog maar zo'n vijftig meter per seconde. Met deze snelheid vliegen ze dan door een scheider. Die buigt met behulp van laserlicht de gewenste isotopen af naar een magneto-optische val. Ook daar wordt laserlicht gebruikt en wel om de calciumatomen nog verder af te remmen en gevangen te houden. De intensiteit van de in de val opgewekte fluorescentie is een maat voor de concentratie aan calciumatomen.
In de val zijn inmiddels concentraties van alle stabiele calciumisotopen gemeten, tot een gevoeligheid van 10-11. Om calcium-41 in de natuur aan te tonen is een verbetering van de gevoeligheid tot 10-14 nodig. Er komt dan maar eens per seconde een calcium-41-atoom de val binnen. De fluorescentie van één enkel calciumatoom kan waargenomen worden. Dit hebben de onderzoekers geverifieerd voor de stabiele isotopen door de toestroom aan atomen sterk te verminderen. Om nog geringere calcium-41-concentraties te meten, moeten de onderzoekers het laservermogen opvoeren. Het extra vermogen is nodig om de atoombundel die uit de oven komt te focusseren. Het blauwpaarse licht bij de vereiste 423 nanometer heeft een laag vermogen. Momenteel wordt zestig milliwatt gehaald, voor optimaal functioneren is ongeveer het dubbele nodig.
Toepassingen
Dit onderzoek biedt op termijn interessante toepassingen in ouderdomsbepaling van stoffen en met name in medisch onderzoek. Osteoporosis (botontkalking) is met de toenemende vergrijzing een groeiend maatschappelijk thema. In de Europese Unie en de Verenigde Staten wordt jaarlijks meer dan 10 miljard Euro uitgegeven aan botbreuken gerelateerd aan osteoporosis. Door toediening van isotopisch verrijkt calcium wordt het bijvoorbeeld mogelijk te volgen hoe het lichaam calcium opneemt en afstaat. De huidige gevoeligheid van de ATTA-methode is voldoende om verrijkingsconcentraties in de orde van 10-10 - 10-8 te volgen. Bij verdere verbetering van de gevoeligheid valt te denken aan ouderdomsdatering van oceaansediment dat gebruikt kan worden om de geschiedenis van het klimaat op de aarde te achterhalen.
Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr.ir. Ronnie Hoekstra, telefoon: (050) 363 36 87.