DE69332297T2

DE69332297T2 - Verfahren zur isotopen Analyse

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Publication number: DE69332297T2
Application number: DE69332297T
Authority: DE
Inventors: Daniel E. Murnick
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2013-01-29
Also published as: AU659905B2; TW254850B; CA2088100C; EP0556614A1; ATE224538T1; US5394236A; AU3211493A; US5783445A; KR970007066B1; DE69332297D1; US5864398A; CA2088100A1; CN1043685C; JP3338497B2; KR930018271A; EP0556614B1; CN1077284A; JPH0720054A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Isotopenanalyse und das Gebiet des Prüfens mit Hilfe von Tracerisotopen.
Oft ist es notwendig, die Mengen verschiedener Isotope in einem Material zu bestimmen. Isotope sind verschiedene Formen desselben chemischen Elements, die Kerne verschiedener Massen aufweisen. Zum Beispiel besteht natürlich vorkommender Kohlenstoff überwiegend aus ¹²C, d. h. aus Kohlenstoff mit einer Atommasse von 12 Atommasseneinheiten mit kleinen Mengen des ¹³C- und ¹&sup4;C-Isotops mit Atommassen von 13 beziehungsweise 14 amu. Das ¹²C- und ¹³C-Isotop sind stabil, während das ¹&sup4;C-Isotop radioaktiv ist und mit der Zeit spontan in andere Elemente zerfällt. Bei der sogenannten "Kohlenstoffdatierung" wird das Verhältnis von zu 2C in einer Probe gemessen, um einen Hinweis auf das Alter der Probe zu erhalten. Bei zahlreichen biologischen und chemischen Tests werden radioaktive Tracer wie etwa ¹&sup4;C verwendet. Eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung, die mit einem biologischen oder chemischen System wie einem lebenden Organismus wechselwirkt, wird mit Hilfe von ¹&sup4;C anstelle von natürlich vorkommendem Kohlenstoff hergestellt, so daß die Verbindung mit ¹&sup4;C "markiert" oder "gekennzeichnet" ist. Die biologische Probe wird dann der Einwirkung der markierten Verbindung ausgesetzt, so daß die Probe mit der markierten Verbindung wechselwirkt. Diese Wechselwirkung erzeugt eine Testprobe oder einen Analyt, der ¹&sup4;C aus der markierten Verbindung in Mengen enthält, die in direkter Beziehung zur fraglichen biologischen Wechselwirkung stehen. Bei Radioimmungssays kann zum Beispiel die Menge eines bestimmten Antikörpers in einer biologischen Probe durch Einwirkenlassen eines ¹&sup4;C-markierten Antigens gemessen werden, das so angepaßt ist, daß es chemisch an den Antikörper bindet. Die Menge des von der Probe aufgenommenen Antigens und daher die von der Probe aufgenommene Menge ¹&sup4;C ergibt ein Maß für die Menge des Antikörpers in der Probe. Bei anderen Tests kann die Probe eine von der biologischen Probe ausgeschiedene oder ausgeschwitzte Substanz sein. Beispielsweise kann ¹&sup4;C-markierter Harnstoff einem lebenden Versuchssäugetier, zum Beispiel einem Menschen, verabreicht werden. Sind bestimmte Bakterien im Darmtrakt des Versuchsobjekts vorhanden, wird das ausgeatmete Kohlendioxid im Atem des Versuchsobjekts das in den Harnstoff eingebaute Markierungsisotop enthalten. Diese Bakterien können somit durch Kontrolle des Verhältnisses von ¹&sup4;C zu ¹²C im Atem des Versuchsobjekts nachgewiesen werden.
Üblicherweise wird ¹&sup4;C als Markierungsisotop bei diesen und anderen Tests verwendet, weil es durch Kontrolle der Strahlung erfaßt werden kann, die es beim Zerfall emittiert. Diese Kontrolle kann mit Hilfe relativ einfacher Instrumente durchgeführt werden. Die Verwendung radioaktiver Materialien ist jedoch unerwünscht. Derartige radioaktive Materialien sind in sich instabil. Zwar sind die Mengen der bei Tracerstudien dieser Art verwendeten radioaktiven Materialien typischerweise klein, doch ist jegliche Radioaktivität aus sicherheits- und gesundheitsbezogenen Erwägungen heraus unerwünscht. Theoretisch können direkt analoge Tracerstudien mit Hilfe des stabilen, seltenen Isotops ¹³C als Markierungsisotop anstelle von ¹&sup4;C durchgeführt werden. Es ist jedoch schwierig, die Menge an ¹³C oder das Verhältnis von ¹³C zu ¹²C in einer Probe zu messen. Solche Messungen werden bisher typischerweise unter Verwendung von Massenspektrometern durchgeführt. Die Kosten und der Aufwand, die mit der Massenspektrometrie verbunden sind, stellen wesentliche Nachteile dar. Außerdem ist die Massenspektrometrie in bestimmten Situationen unbrauchbar. Massenspektrometrie kann nicht zwischen unterschiedlichen chemischen Spezies unterscheiden, die dieselbe Masse aufweisen. Große Sorgfalt muß darauf verwandt werden, Hintergrundatome, - moleküle und -radikale zu entfernen, die dieselbe Masse wie die fragliche Spezies aufweisen. Dementsprechend gibt es einen seit langem bestehenden Bedarf an verbesserten Verfahren zur Messung der Kohlenstoffisotopmengen in einem Analyt.
Entsprechender Bedarf besteht an verbesserten Verfahren zur Messung der Mengen der Isotope anderer Elemente in Analyten. Beispielsweise wäre ein Verfahren zur Messung der Menge des seltenen, aber stabilen Sauerstoffisotops ¹&sup8;O und/oder des Verhältnisses von ¹&sup8;O zum gewöhnlichen Isotop ¹&sup6;O höchst willkommen. Dieser Bedarf ist besonders akut, weil gewöhnliche Wassermoleküle (H&sub2;O) im wesentlichen die gleiche Masse haben (18 amu) wie ¹&sup8;O-Atome. Normalerweise ist es nicht machbar, das ¹&sup8;O/¹&sup6;O-Verhältnis einer Probe, die auch nur eine Spur Wasser enthält, mittels Massenspektrometrie zu messen, besonders wenn das Verhältnis ¹&sup8;O/¹&sup6;O klein ist. Das ¹&sup8;O-Signal wird von dem Signal, das sich aus dem Wasser in der Probe ergibt, einfach überdeckt. Offenbar aus diesem Grunde wird ¹&sup8;O selten als Tracer in chemischen und biologischen Studien verwendet. Ein ähnlicher Bedarf besteht im Zusammenhang mit anderen Elementen.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die Mengen an Isotopen in Proben mit Hilfe spektroskopischer Techniken, d. h. durch Messen der Reaktion der Probe auf die zugeführte Strahlungsenergie, zu bestimmen. Es ist schon lange bekannt, daß sich die Energieabsorptionsspektren von Atomen verschiedener Isotope voneinander unterscheiden, und es wurde einiges an Arbeit darauf verwandt, diese Unterschiede zur Kontrolle der Isotopenzusammensetzung eines Analyts auszunutzen. Wie dargelegt in Lee, High Resolution Infrared Diode Laser Spectroscopy for Isotope Analysis - Measurement of Isotopic Carbon monoxide, Applied Physics Letters, 48 (10), 10. März 1986, Seite 619-621, kann ein Lichtstrahl eines abstimmbaren Diodenlasers durch eine Kohlenmonoxid-Probe auf einen Photodetektor gerichtet werden. Der Laser wird nacheinander auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt. Jede der Wellenlängen entspricht einer Absorptionswellenlänge eines Kohlenmonoxidmoleküls im Grundzustand, das ein bestimmtes Sauerstoffisotop enthält. Die Menge des absorbierten Lichts und damit die Menge des bei jeder dieser Wellenlängen erfaßten Lichts steht mit der Menge des im Kohlenmonoxid vorhandenen bestimmten Sauerstoffisotops in Beziehung. Dieses System erfordert jedoch eine aufwendige und hochempfindliche Instrumentierung. Die von den verschiedenen CO-Isotopenformen absorbierten Wellenlängen liegen extrem nahe beieinander, nämlich innerhalb des Bereichs von etwa 2119,581- 2120,235 cm&supmin;¹. Um für genaue Einstellbarkeit innerhalb dieses Bereichs zu sorgen, wird ein sogenannter Quantentrog-Diodenlaser eingesetzt. Dieser Laser muß bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs betrieben werden und liefert nur ein sehr schwaches Signal, was wiederum einen großen und aufwendigen, mit flüssigem Stickstoff gekühlten Photodetektor verlangt. Dementsprechend findet dieses Verfahren keinen breiten Anklang.
Keller et al., Optogalvanic Spectroscopy in a Uranium Hollow Cathode Discharge, Opt. Soc. Am., Vol. 69, Nr. 5, Mai 1979, Seite 738-742, offenbaren ein spektroskopisches Verfahren, bei dem monoatomares Uranmetall in einer Hohlkathodenentladung gesputtert wird. Die Entladung enthält somit gesputterte Uranatome im Grundzustand oder im angeregten Zustand. Diese elektrische Entladung wird mit einem Laser mit verschiedenen Wellenlängen bestrahlt. Die Wechselwirkung zwischen Laserlicht und Entladung wird durch Kontrolle des sogenannten optogalvanischen Effekts, d. h. der Änderung der elektrischen Impedanz der Entladung bei Bestrahlung kontrolliert. Der optogalvanische Effekt, der durch Licht mit einer sogenannten "Hyperfein"- Absorptionswellenlänge von ²³&sup8;U-Atomen erzeugt wird, wird mit dem optogalvanischen Effekt bei einer Hyperfeinabsorptionswellenlänge von ²³&sup5;U verglichen. Dies liefert ein Maß für das Isotopenverhältnis ²³&sup5;U/²³&sup8;U. Dieses Zitat umfaßt auch die metastabilen oder angeregten Zuständen zugehörigen Wellenlängen. Ein im wesentlichen ähnlicher Ansatz ist bei Gagne et al., Effet Optogalvanique Dans Une Decharge a Cathode Creuse: Mechanisme et Dosage Isotopique de I'uranium, Journal de Physique, C7, Nr. 11, Vol. 44, Seiten C7-355 bis C7-369 (November 1983) angegeben.
Ein weiterer ähnlicher Ansatz zur Analyse der Kupferisotope &sup6;³Cu und &sup6;&sup5;Cu ist bei Tong, New Laser Spectroscopic Technique for Stable-isotope Ratio Analysis, Dissertation, Iowa State University, Ames, Iowa, Dezember 1984, U.S. DOE Report IS-T-1156, offenbart. Bei dieser Arbeit wird der optogalvanische Effekt verwendet, um hyperfeine spektrale Komponenten der optischen Absorption in einer elektrischen Entladung, die Kupferatome enthält, zu kontrollieren. Dieser Ansatz verlangt einen anschließenden Spreizungsschritt, um eine Abschätzung für die Komponenten &sup6;³Cu und &sup6;&sup5;Cu zu erhalten. Tong weist darauf hin, daß diese Technik in Verbindung mit Cu-basierten Traceruntersuchungen verwendet werden könnte, zum Beispiel unter Verwendung eines stabilen Kupferisotops als Tracer bei der Untersuchung des Kupferstoffwechsels, wobei ein Übergang eines Kupferatoms vom Grundzustand herangezogen wird. Das Zitat gibt auch an, daß es "machbar" ist, den optogalvanischen Effekt bei Übergängen der Atome zu beobachten, die von angeregten Zuständen wie auch von Grundzuständen ausgehen, weist jedoch lediglich darauf hin, daß dies die Auswahl einer "entsprechenden Anregungswellenlänge, bei der es minimale spektrale Interferenz gibt", erlaubt. Bei Versuchen, die Hyperfeinabsorption von Metallatomen zu kontrollieren, stößt man jedoch auf schwerwiegende Nachteile. Die Hyperfeinspektren der verschiedenen Isotope enthalten nahe beieinanderliegende und überlappende Absorptionswellenlängen, so daß aufwendige Vorrichtungen und mathematische Spreizungstechniken benötigt werden, um die Wirkungen aufgrund der Absorption durch die verschiedenen Isotope im Analyt zu unterscheiden.
Eine veröffentlichte Kurzbeschreibung eines Zuschußantrags von Aerodyne Research Inc. mit dem Titel "A Carbon-13 Isotope Analyzer", NSF Grant Nr. ISI 88-60778, Abstracts of Phase I Awards, NSF Small Business Innovation Research Program (SBIR) 1989, National Science Foundation, November 1989, beschreibt den geplanten Versuch zur Bestimmung des ¹³C/¹²C- Isotopenverhältnisses durch Abbilden des Emissionsspektrums eines CO-Plasmas und Anwenden sogenannter "Algorithmen zur spektralen Aufbereitung", um die aus verschiedenen Quellen stammenden Interferenzen zu unterdrücken. Dieser Ansatz fand keine breite Zustimmung.
Van Roozendael et al., "Optogalvanic studies with a CO laser", Optics Communications, Vol. 58, 1. Juli 1986, offenbaren eine Vorrichtung zum optogalvanischen Effekt, die einen abgeschlossenen CO-Isotopen-Laser umfaßt, der zur Untersuchung von NO, NO&sub2;, H&sub2;O, HNO&sub3;, HCO&sub2;H und C&sub2;H&sub2;O&sub2; verwendet wird. Eine ähnliche Vorrichtung, aber unter Verwendung von CO&sub2;, ist in Muenchausen et al., Optogalvanic Studies with a CO&sub2; laser, Optics Comm. Bd. 48, 1. Januar 1984, offenbart.
Somit besteht trotz all dieser bisherigen Bemühungen in der Fachwelt noch immer ein erheblicher unerfüllter Bedarf an verbesserten Verfahren zur Isotopenanalyse. Der Bedarf an verbesserten Verfahren und Vorrichtungen, die auf Elemente mit relativ niedriger Ordnungszahl wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff anwendbar sind, ist besonders dringlich.
Die vorliegende Erfindung geht auf diesen Bedarf ein. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung eines Analyten nach Anspruch 1, der isotopenhaltige Spezies enthält, die mehrere verschiedene Isotope in sich tragen. Ein Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt den Schritt der Bereitstellung eines Analyten in einem Zustand, bei dem sich wenigstens einige der isotopenhaltigen Spezies im Analyt in angeregten Zuständen befinden. In diesen angeregten Zuständen befinden sich wenigstens einige Elektronen auf Energieniveaus, die höher sind als die im Grund- oder Normalzustand der isotopenhaltigen Spezies besetzten Energieniveaus. Für jeden dieser angeregten Zustände gibt es Übergangsenergien. Jede dieser Übergangsenergien entspricht der Energie, die beim Übergang vom angeregten Zustand in einen niedrigeren Zustand freigesetzt oder beim Übergang vom angeregten Zustand in einen energetisch noch höheren angeregten Zustand absorbiert wird. Die Übergangsenergien sind unterschiedlich für isotopenhaltige Spezies, die verschiedene Isotope enthalten. Das Verfahren umfaßt des weiteren den Schritt des Anwendens elektromagnetischer Strahlung wie Licht auf den Analyt bei mehreren Wellenlängen, die den Übergangsenergien der angeregten isotopenhaltigen Spezies entsprechen, die die verschiedenen Isotope enthält. Das heißt, die Wellenlängen im zugeführten Licht sind so gewählt, daß bei einer dieser Wellenlängen jedes Photon im zugeführten Licht eine Energie aufweist, die gleich der Übergangsenergie einer angeregten Spezies ist, die das eine Isotop enthält, während bei einer anderen angewandten Wellenlänge jedes Photon eine Energie aufweist, die gleich der Übergangsenergie einer angeregten Spezies ist, die das andere Isotop enthält. Dementsprechend wechselwirkt das Licht bei jeder angewandten Wellenlänge im wesentlichen nur mit Spezies, die ein Isotop enthalten. Das Verfahren umfaßt des weiteren den Schritt der Überwachung der Reaktion des Analyten auf die angewandte Strahlung, um so die Größenordnung einer derartigen Reaktion für jede der angewandten Wellenlängen zu bestimmen.
Die im Analyt enthaltenen isotopenhaltigen Spezies sind mehratomige Einheiten wie z. B. Moleküle und mehratomige Ionen. Diese mehratomigen Spezies weisen diskrete, klar getrennte Übergangsenergien auf. Die angewandte Strahlung kann von einem auf die betreffende bestimmte Übergangsenergie festeingestellten Laser erzeugt werden. In einer besonders bevorzugten Anordnung umfaßt der Schritt des Anwendens der Strahlung das Betreiben wenigstens eines Lasers, der wenigstens ein Laser-Medium aufweist, das die isotopenhaltige Spezies enthält. Der oder die Laser werden eigens auf die Übergangswellenlängen der isotopenhaltigen Spezies arretiert. Bei einem besonders bevorzugten Verfahren erfolgt der Lichteinsatz durch Betreiben eines Einzellasers mit nur einem Laser-Medium, das die isotopenhaltige Spezies mit diesen mehreren verschiedenen Isotopen enthält, und dieser Einzellaser wird so betätigt, daß er die verschiedenen Wellenlängen, die den verschiedenen Übergangsenergien entsprechen, nacheinander emittiert. Zum Beispiel kann die isotopenhaltige Spezies im Analyt aus CO&sub2;-Molekülen bestehen, die verschiedene Kohlenstoffisotope enthalten, und der Lichteinsatz kann durch Betätigen eines Gaslasers mit einem gasförmigen Laser-Medium, das CO&sub2; mit den verschiedenen Isotopen enthält, und Einstellen dieses Lasers erfolgen, so daß die den verschiedenen Isotopen zugehörigen Wellenlängen nacheinander emittiert werden.
Besonders bevorzugt wird der Analyt in Gasform in einer elektrischen Entladung bereitgestellt, so daß die isotopenhaltige Spezies durch die Entladung in angeregten Zuständen gehalten wird. Der Schritt der Überwachung der Reaktion des Analyten umfaßt nach Möglichkeit den Schritt der Kontrolle eines nichtoptischen Phänomens, etwa der elektrischen Impedanz der Entladung. Somit kann die Reaktion des Analyten auf das zugeführte Licht durch Beobachten des optogalvanischen Effekts kontrolliert werden. Der angeregte Zustand der isotopenhaltigen Spezies ergibt oft eine erheblich verstärkte Reaktion. Insbesondere kann der optogalvanische Effekt in einem Analyt im angeregten Zustand weitaus leichter gemessen werden als in einem Analyt im Grundzustand. Die Reaktionen bei den verschiedenen Wellenlängen können direkt verwendet werden, oder vorzugsweise kann die Größenordnung dieser Reaktionen ins Verhältnis gesetzt werden, um ein Maß für das Verhältnis der Isotopenkonzentrationen im Analyt zu ergeben.
Bevorzugte Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung können zur Bestimmung des Isotopenverhältnisses von Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff oder der Häufigkeit verschiedener Isotope in einem Analyt verwendet werden. Bei besonders bevorzugten Verfahren ist die isotopenhaltige Spezies ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden des Kohlenstoffs, Oxiden des Stickstoffs, zweiatomigem Stickstoff, Wasserdampf und Kombinationen derselben. Kohlendioxid ist eine besonders bevorzugte isotopenhaltige Spezies. Ganz besonders bevorzugt sind die verschiedenen analysierten Isotope stabile, nichtradioaktive Isotope.
Die Verfahren gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung umfassen den weiteren Schritt der Gewinnung des Analyten aus einem Testobjekt, so daß sich die Mengen der verschiedenen Isotope in Abhängigkeit von einer charakteristischen Eigenschaft des Testobjekts ändern. Die Größenordnungen der Reaktionen auf die verschiedenen Wellenlängen liefern somit eine Angabe für die charakteristische Eigenschaft des Testobjekts. Bei besonders bevorzugten Anordnungen ist das Testobjekt ein lebender Organismus und der Schritt der Gewinnung des Analyten umfaßt den Schritt des Einwirkenlassens wenigstens eines Reagens, das eines der Isotope enthält, auf den Organismus. Bei den Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung sind stabile Isotope besonders bevorzugt. Die bevorzugten Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung erlauben die Verwendung stabiler Isotope als Tracer in Tests, bei denen bisher radioaktive Tracer verwendet wurden.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich.
Fig. 1 ist eine Blockdiagramm-Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht eines in der Vorrichtung von Fig. 1 enthaltenen Lasers.
Die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Laser 10. Wie in Fig. 2 erläutert, umfaßt der Laser 10 ein Gehäuse 12 und eine längliche Entladungsröhre 14, die im Gehäuse befestigt ist. Ein Entladungselektrodenpaar 16 und 18 steht in Verbindung mit dem Raum in der Röhre 14. Die Entladungsröhre weist an beiden Enden Brewster- Fenster oder polarisierende Fenster 20 auf. Ein teilweise reflektierender Ausgabespiegel 22 ist benachbart einem ersten Ende oder Ausgabeende der Röhre 14 in Richtung des Fensters 20 angeordnet. Der Ausgabespiegel 22 ist mit einer üblichen Einstellvorrichtung zum exakten Ausrichten des Ausgabespiegels in einer gewünschten Ebene versehen. Ein Beugungsgitter 24 ist schwenkbar am Gehäuse 12 neben dem zweiten Ende der Röhre 14 gegenüber dem Ausgabespiegel 22 angebracht. Das Gitter 24 ist mit den Einstellschrauben 26 so verbunden, daß das Gitter relativ zur Achse der Röhre 14 durch die Wirkung der Einstellschrauben gekippt werden kann. Die Einstellschrauben 26 wiederum sind mit einer Wellenlängenjustiereinheit 28 verbunden, die vorgesehen ist, um die Stellung der Schrauben und damit die Stellung des Gitters an eine externe Steuervorrichtung zu melden. Das Gehäuse 12 weist eine Öffnung 30 auf, die in einer Linie zur Achse der Röhre 14 am Ausgabeende ausgerichtet ist. Eine Laserentladungsstromversorgung 32 ist an die Elektroden 16 und 18 angeschlossen, um eine elektrische Entladung in der Röhre 14 bereitzustellen. Die obigen Elemente des Lasers 10 können den üblichen Bau- und Funktionsprinzipien entsprechen, derer man sich bei abstimmbaren Gasentladungslasern bedient. Üblicherweise beugt das Gitter 24 das darauf einfallende Licht in unterschiedliche Wellenlängen in verschiedenen Winkeln relativ zur Ebene des Gitters. Durch Einstellen der Schrauben 26 kann das Gitter 24 so positioniert werden, daß beim Richten eines Lichtstrahls, der eine bestimmte Wellenlänge enthält, längs der Achse der Röhre 14 durch das Fenster 20 auf das Gitter Licht einer bestimmten Wellenlänge selektiv entlang der Achse der Röhre zurückgebeugt wird, während andere Wellenlängen von der Achse weggebeugt werden.
Die Röhre 14 ist mit einer Gasmischung gefüllt, die etwa 9 Prozent CO&sub2; im Gemisch mit etwa 80 Prozent He und etwa 11 Prozent N&sub2; enthält. Das Gasgemisch steht unter einem absoluten Druck von etwa 6 Torr. Die Kohlendioxidmoleküle in der Gasmischung haben eine anomale Kohlenstoffisotopzusammensetzung. Wie in dieser Offenbarung im Hinblick auf ein Element verwendet, bedeutet der Begriff "anomale Isotopenzusammensetzung" ein Isotopenverhältnis, das verschieden ist vom Verhältnis in natürlich vorkommenden terrestrischen Quellen des Elements. Insbesondere ist das Verhältnis von ¹³C zu ¹²O im Kohlendioxid der Gasmischung viel höher als beim natürlich auf der Erde vorkommenden CO&sub2;. Vorzugsweise enthält das CO&sub2; in der Gasmischung wenigstens etwa 10 Prozent ¹³C, mehrbevorzugt wenigstens etwa 40 Prozent und besonders bevorzugt zwischen etwa 40 Prozent und etwa 60 Prozent ¹³CO&sub2;, wobei der Rest im wesentlichen aus ¹²CO&sub2; besteht. Der Sauerstoff im CO&sub2; hat die normale Isotopenzusammensetzung und besteht daher im wesentlichen aus ¹&sup6;O.
Der Laser 10 wird mit den in Fig. 1 gezeigten anderen Elementen eingesetzt. Die Ausgabeöffnung des Lasers 30 ist längs einem ersten Strahlengang 42 auf einen teilweise reflektierenden Spiegel 44 gerichtet. Der Spiegel 44 ist so angeordnet, daß der Hauptteil des Lichts längs einem weiteren Strahlengang 46 reflektiert wird und ein kleinerer festgelegter Anteil des Lichts durch den Spiegel zum Eingang eines Lichtenergiemessers 48 gelangen kann. Der Strahlengang 46 verläuft weiter über einen vollständig reflektierenden Spiegel 50 zum Lichteingang 52 eines optischen Choppers 54. Der Chopper 54 ist eine regelbare Verschlussvorrichtung, die vorgesehen ist, um den Lichtstrahl zu unterbrechen, der durch Eingang 52 mit einer vorbestimmten Frequenz eintritt, und den zerhackten oder unterbrochenen Strahl entlang der Wegstrecke 57 durch eine Lichtausgabeöffnung 56 nach außen zu leiten. Der Chopper 54 hat auch einen Ausgang 58 für ein elektrisches Signal. Der Chopper ist so angeordnet, dass er ein erstes Signal am Ausgang 58 bereitstellt, wenn das Licht nicht unterbrochen wird, und ein zweites, anderes Signal, wenn das Licht unterbrochen wird. Eine Probenzelle 60, die aus einem dielektrischen Material besteht und durchsichtige Endwandungen 62 und 64 aufweist, ist zwischen dem Lichtausgang 56 des Choppers 54 und einem totalreflektierenden Spiegel 66 angeordnet. Die Probenzelle 60 ist zweckmäßigerweise ein hohler röhrenförmiger Behälter, der eine Probenweglänge von wenigstens etwa 3 cm zwischen den Endwandungen 62 und 64 definiert. Die Zelle 60 hat zweckmäßigerweise ein Innenvolumen von weniger als etwa 100 cm³ und mehrbevorzugt weniger als etwa 10 cm³. Die Endwandungen bestehen aus einem dielektrischen Material, das für das beim Meßverfahren verwendete Licht durchlässig ist, wobei Zinkselenid bevorzugt ist. Die Probenzelle 60 und der Spiegel 66 sind so angeordnet, daß das durch den Lichtauslaß 56 des Choppers 54 auf Wegstrecke 57 abgegebene Licht durch die Endwandungen und durch das Innere der Probenkammer zum Spiegel 66 gelenkt und von Spiegel 66 durch Endwandung 64 in das Innere der Probenkammer zurückreflektiert wird.
Der Innenraum in der Probenzelle 60 ist über ein Absperrventil 69 an einen Druckregler 68 angeschlossen, der eine herkömmliche Anordnung aus Vakuumpumpe und (nicht gezeigtem) Druckfühler umfassen kann. Das Innere der Probenzelle 60 ist über ein weiteres Absperrventil 71 mit einem Gasmischer 70 verbunden, der einen herkömmlichen Mischverteiler umfassen kann. Der Mischer 70 ist mit einer Trägergasversorgungseinheit 72 verbunden, die herkömmliche Vorratstanks, die die gewünschten Trägergase enthalten, zusammen mit den Druck- und Durchflußreglern umfaßt. Der Mischer 70 ist auch mit einer Probenzuführungseinheit 74 verbunden, die eine Probe des zu untersuchenden Analyten Enthält. Probenzufuhreinrichtung 74, Trägergasversorgungseinrichtung 72 und Mischer 70 sind so angeordnet, daß das Gasgemisch mit jedem gewünschten Verhältnis von Analyt und Trägergasen über das Verschlußventil 71 bereitgestellt werden kann, wenn das Trennventil 71 geöffnet ist, um so das Innere der Kammer 60 mit diesen Gasgemischen zu füllen.
Eine Induktionsspule 78 befindet sich in der Nähe der Zelle 60. Form und Größe der Spule sind so gewählt, daß eine elektrische Entladung zwischen den Gasen, die in der Zelle 60 vorhanden sind, durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Felds durch Induktion über die Spule aufrecht erhalten werden kann.
Die Spule 78 ist an eine Entladungsstromversorgung 80 angeschlossen, die zur Versorgung der Spule 78 mit elektrischer Energie im Radiofrequenz- oder "RF"-Bereich vorgesehen ist. Die sogenannten "ISM"-Frequenzen (die von der staatlichen Vergabebehörde für Radiofrequenzen zur industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Verwendung zugeteilt sind) sind bevorzugt, wobei Frequenzen von etwa 10 bis etwa 20 MHz besonders bevorzugt sind. Es können aber auch andere Frequenzen verwendet werden. Man kann auch Gleichstrom (Frequenz 0) unter der Voraussetzung verwenden, daß die Spule 78 durch einen entsprechenden Satz Elektroden ersetzt wird. Auch eine Impedanzkontrollvorrichtung 82 ist an die Spule 78 und die Stromversorgung 80 angeschlossen. Die Impedanzkontrollvorrichtung ist dazu vorgesehen, ein elektrisches Signal an der Ausgangsleitung 84 bereitzustellen, das der elektrischen Impedanz des Raumes innerhalb der Spule und damit der elektrischen Impedanz der Gase in der Zelle 60 entspricht. Die besondere Anordnung der Impedanzkontrollvorrichtung 82 richtet sich nach der Ausgestaltung der Entladungsstromversorgung 80. Bei einer typischen Impedanzkontrollanordnung wird der von der Stromversorgung zur Aufrechterhaltung der Entladung abgezogene Strom überwacht. Verschiedene Anordnungen zur Kontrolle der elektrischen Impedanz einer Entladung sind dem Fachmann für Entladungssysteme bekannt, und jede dieser Anordnungen kann eingesetzt werden.
Die Signalausgangsleitung 84 der Impedanzkontrollvorrichtung ist an einen Signaleingang eines Lock-in-Verstärkers 86 angeschlossen. Der Lock-in- Verstärker 86 ist auch an den Ausgang 58 für das elektrische Signal des Choppers 84 angeschlossen. Der Lock-in-Verstärker ist dazu vorgesehen, diejenige Komponente des Signals auf Leitung 84 selektiv zu verstärken, die synchron zum Signal auf Leitung 58 ist. Das heißt, der Lock-in-Verstärker verstärkt selektiv nur die Komponente des Impedanzsignals auf Leitung 84, die sich synchron mit der Wirkung des Choppers und daher synchron mit dem Ein- und Aus-Zyklus des Lichtstrahls auf dem Weg 57 ändert. Der Lock-in- Verstärker liefert somit ein Schwingungssignal, das sich zwischen einem ersten und zweiten Extremwert mit einer Frequenz ändert, die der Zerhackfrequenz des Choppers 54 entspricht. Dieses Schwingungssignal stellt die Komponente der Impedanz dar, die sich als Reaktion auf das Licht ändert, das auf dem Lichtweg 57 entlangläuft. Diejenigen Komponenten der Impedanz, die sich nicht entsprechend dem angewandten Licht ändern, sind von diesem Schwingungssignal ausgeschlossen. Der Lock-in-Verstärker liefert den Mittelwert der Stärke des Schwingungssignals als Ausgangssignal.
Das Ausgangssignal vom Lock-in-Verstärker wird über die Ausgangsleitung 88 an einen Steuer- und Berechnungscomputer 90 übermittelt. Der Computer 90 ist auch an den Leistungsmesser 48 angeschlossen, um Lichtenergieablesungen vom Leistungsmesser zu erhalten. Der Steuer- und Berechnungscomputer ist auch an die Laserentladungsstromquelle 32 des Lasers 10 (Fig. 2) angeschlossen, so daß der Computer 90 die Entladungsenergie steuern kann. Die Steuer- und Berechnungsvorrichtung ist auch an die Wellenlängenjustiereinheit 28 des Lasers 10 angeschlossen (Fig. 2), so daß der Computer 90 ein Signal empfängt, das der speziellen Wellenlänge entspricht, die ständig angewandt wird. Der Computer ist auch mit den üblichen Eingabe/Ausgabe- Vorrichtungen wie etwa Tastatur, Monitor und Drucker versehen (nicht gezeigt), so daß der Anwender Steueranweisungen eingeben und die Ergebnisse erhalten kann.
Bei einem Verfahren gemäß einem Element der Erfindung wird ein Analyt, der Kohlendioxid enthält, wobei sowohl gewöhnliches ¹²CO&sub2; als auch ¹³CO&sub2; enthalten sind, in der Probenzufuhreinrichtung 74 bereitgestellt. Der Analyt wird mit Stickstoff vermischt, um ein molares Verhältnis N&sub2;/CO&sub2; von etwa 20 : 1 zu ergeben. Die Gasmischung wird über das Absperrventil 71 der Kammer 60 zugeführt, und die Vakuumpumpe des Druckreglers 68 wird betätigt, um den Druck in der Kammer 60 auf einen zweckmäßigen Wert zum Betreiben einer Glimmentladung zu bringen, bevorzugt auf weniger als etwa 15 Torr, mehrbevorzugt auf weniger als etwa 5 Torr und meistbevorzugt auf zwischen etwa 3 und etwa 5 Torr. Ist der Druck auf dem gewünschten Wert, werden die Ventile 71 und 69 geschlossen, um so das Innere der Kammer 60 abzusperren. Die Entladungsstromversorgung 80 wird betätigt, um dem Gas, das sich in der Zelle 60 befindet, RF-Energie zuzuführen, so daß eine elektrische Entladung erzeugt wird. Durch die Entladung wird ein erheblicher Anteil CO&sub2;-Moleküle in der Zelle 60 auf angeregte Zustände angehoben, d. h., Zustände mit einer höheren Energie als dar Normal- oder Grundzustand. Das heißt, die CO&sub2;- Moleküle in der Entladung befinden sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, sondern in hochenergetischen, metastabilen oder instabilen Zuständen. Die Stromversorgungseinheit 32 für die Laserentladung (Fig. 2) wird betätigt, um eine Entladung in der Laserröhre 14 herbeizuführen, so daß die gemischten Gase in der Laserröhre auf ähnliche angeregte Zustände gebracht werden.
Die CO&sub2;-Moleküle im jeweiligen angeregten Zustand können nur diskrete, gequantelte Übergänge zu niedrigeren oder höheren Energieniveaus eingehen. Jeder dieser Übergänge entspricht der Emission oder Absorption eines bestimmten Energiequants. Somit wird bei jedem dieset Übergänge ein Photon mit dieser bestimmten Energiemenge emittiert oder absorbiert. Ein Photon, das eine bestimmte Energiemenge aufweist, hat eine bestimmte Wellenlänge. Jeder Übergang ist dementsprechend einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet, und die CO&sub2;-Moleküle in der Glimmentladung in der Laserröhre 14 emittieren nur bestimmte, diskrete Wellenlängen, wobei jede dieser diskreten Wellenlängen einem Übergang zugeordnet ist. Die Übergangsenergien und daher die Übergangswellenlängen für ¹³CO&sub2;-Moleküle unterscheiden sich in signifikanter Weise von den Übergangswellenlängen für ¹²CO&sub2;-Moleküle. Einige der signifikanten Übergangswellenlängen sind nachstehend in Tabelle I gezeigt. Tabelle I Bestimmte Übergangswellenlängen für ¹³CO&sub2; und ¹²CO&sub2;
Da die Gasmischung in der Röhre 14 sowohl ¹³CO&sub2; als auch ¹²CO&sub2; enthält, geht die Gasmischung in der Laserröhre sowohl ¹³CO&sub2;- als auch ¹²CO&sub2;- Übergänge ein und emittiert daher ohne weiteres Licht mit Wellenlängen, die den beiden Übergangssätzen entsprechen.
Je nach dem Winkel des Gitters 24 zur optischen Achse der Laserröhre und zur Ebene des Ausgabespiegels 22 wird das Licht einer bestimmten, ausgewählten Wellenlänge, das durch das Brewster-Fenster 20 aus der Röhre 14 austritt, längs der Achse der Laserröhre immer wieder selektiv reflektiert. Diese bestimmte Wellenlänge ändert sich entsprechend der Einstellung des Gitters 24. Wenn die durch das Gitter eingestellte Wellenlänge einer Übergangswellenlänge entweder von ¹³CO&sub2; oder von ¹²CO&sub2; entspricht, so stimuliert das reflektierte Licht eine zusätzliche Emission von Licht mit derselben Übergangswellenlänge, was zur Emission eines starken, im wesentlichen monochromatischen kohärenten Strahls mit dieser bestimmten Übergangswellenlänge führt. Ein Teil dieses Strahls wird durch den teilweise reflektierenden Spiegel 22 und daher durch das Ausgabefenster 30 des Lasers auf der Wegstrecke 42 emittiert. Die Wellenlängenjustiereinheit 28 gibt die Einstellung der Schrauben 26 und damit auch die Wellenlänge des von Laser 10 emittierten Lichts an die Steuereinheit 90 weiter.
Der Laser ist anfangs so eingestellt, daß er mit einer ¹³CO&sub2;-Übergangswellenlänge emittiert. Das von Laser 10 emittierte Licht wird über die erste Wegstrecke 42 an den teilweise reflektierenden Spiegel 44 übertragen. Ein bestimmter Anteil des auf den Spiegel 44 auftreffenden Lichts gelangt zum Leistungsmesser 48. Der Leistungsmesser wandelt diesen Teil des Lichts in ein zur Energie des Laserstrahls proportionales elektrisches Signal um, das an den Steuer- und Berechnungscomputer 90 übertragen wird. Der Computer 90 steuert die Energie des Strahls, indem er die Energie steuert, die der Laserentladung über die Laserentladungsstromquelle 32 zugeführt wird (Fig. 2). Der Hauptteil des Laserstrahls gelangt auf der Wegstrecke 46 über den Spiegel 50 zum Chopper 54, wo der Strahl mit einer vorgewählten Chopfrequenz unterbrochen wird. Der Chopper ist so angeordnet, daß der Strahl bei jedem Chopzyklus eine ungefähr gleiche Zeit lang unterbrochen und nicht unterbrochen wird, d. h., daß der Strahl, der durch den Chopperausgang 56 über die Wegstrecke 57 austritt, einen Betriebszyklus mit etwa 50% Ein und etwa 50% Aus aufweist und zwischen den Ein- und Aus-Zuständen mit einer vorgewählten Chopfrequenz hin- und herwechselt.
Der vom Chopper kommende alternierende, ein- und ausgeschaltete Lichtstrahl gelangt durch das Fenster 62 in das Innere der Zelle 60, tritt durch die Entladung in der Zelle und das Fenster 64 hindurch, wo er durch den Spiegel 66 in die Zelle zurückreflektiert wird. Das durch die elektrische Entladung in der Kammer 60 hindurchtretende Licht wechselwirkt mit den angeregten ¹³CO&sub2;-Molekülen in der Entladung. Hat das Licht eine bestimmte Wellenlänge, die einem Übergang eines ¹³CO&sub2;-Moleküls zwischen einem relativ hochenergetischen angeregten Zustand und einem niedrigeren Zustand, etwa einem angeregten Zustand niedrigerer Energie oder dem Grundzustand entspricht, so wechselwirkt das Licht mit ¹³CO&sub2;-Molekülen in einem solchen ersten oder hochenergetischen angeregten Zustand, was zu einem Resonanzübergang zwischen dem hochenergetischen angeregten Zustand und dem niedrigeren Zustand führt. Das Licht wechselwirkt nicht wesentlich mit dem ¹²CO&sub2; in der Entladung in der Kammer 60.
Die durch das Licht induzierten Übergänge ändern die Verteilung der Zustände der ¹³CO&sub2;-Moleküle in der Entladung und ändern daher auch die elektrische Impedanz der Entladung über den sogenannten optogalvanischen Effekt. Zwar ist die vorliegende Erfindung nicht durch irgendeine anwendungstechnische Theorie eingeschränkt, doch wird angenommen, daß der optogalvanische Effekt aus Änderungen der Ionisierung oder der Gesamtelektronentemperatur in der von den Übergängen verursachten Entladung herrührt. Zwar emittiert der Laser 10 Licht mit einer Übergangsenergie, die einer Übergangsenergie eines angeregten Zustands von ¹³CO&sub2; entspricht, doch ändert sich die elektrische Impedanz der Entladung in der Kammer 60 zwischen einem ersten und zweiten Wert während der Chopper 54 den Lichtstrahl ein- und ausschaltet. Die Entladungsimpedanz ändert sich nicht sofort beim Ein- oder Ausschalten des Lichtstrahls, sondern benötigt eine kurze, aber dennoch begrenzte Anregelzeit, bis das Gleichgewicht am neuen Wert erreicht ist. Diese Anregelzeit liegt normalerweise in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden. Die Dauer des Chopperzyklus wird so gewählt, daß die jeweilige Ein- und Aus-Zeit erheblich länger ist als die Anregelzeit. Beispielsweise kann die Chopperfrequenz niedriger als etwa 500 Hz sein, typischerweise etwa 200 bis etwa 350 Hz. Die Entladungsimpedanz erreicht das Gleichgewicht am ersten Wert bei jeder Ein-Zeit des Choppers und am zweiten Wert bei jeder Aus-Zeit des Choppers. Die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert der Entladungsimpedanz ist das optogalvanische Signal für den bestimmten, der Wellenlänge des zugeführten Lichtstrahls zugehörigen ¹³CO&sub2;-Übergangs. Die sich ändernde Impedanz zeigt sich als Wechselstromkomponente im Impedanzsignal, das von der Impedanzkontrollvorrichtung 82 geliefert wird. Diese Wechselstromkomponente wird durch den Lock-in-Verstärker 84 abgetrennt und an die Steuer- und Berechnungsvorrichtung 90 weitergegeben, wo der Spitze/Spitze-Wert als optogalvanisches Signal aufgezeichnet wird.
Unter festgelegten Entladungsbedingungen in einem gegebenen Instrument ist:
S&sub1;&sub3; = [P&sub1;&sub3;][M&sub1;&sub3;][W&sub1;&sub3;] (1)
worin:
S&sub1;&sub3; das optogalvanische Signal für den bestimmten ¹³CO&sub2;-Übergang ist;
P&sub1;&sub3; der Partialdruck oder die molekulare Konzentration von ¹³CO&sub2; im Gas in der Kammer 60 ist;
W&sub1;&sub3; der Energiepegel des Laserstrahls bei der Wellenlänge ist, die dem ¹³CO&sub2;-Übergang entspricht; und
M&sub1;&sub3; eine Proportionalitätskonstante ist, die von Faktoren abhängig ist wie z. B. der Größenordnung des optogalvanischen Effekts für den bestimmten Übergang, dem Anteil der ¹³CO&sub2;-Moleküle, die sich unter den Entladungsbedingungen im aktiven Zustand befinden, und der Ausgestaltung des Instruments.
Die vorstehende Beziehung gilt für Werte von W&sub1;&sub3; unterhalb eines Sättigungsniveaus. Das Sättigungsniveau ist der Laserstrahlenergiepegel, der benötigt wird, um den Übergang bei im wesentlichen allem ¹³CO&sub2; auszulösen, das sich im ersten angeregten Zustand befindet. Somit würde oberhalb dieses Sättigungsenergiepegels eine weitere Erhöhung der Laserstrahlenergie das optogalvanische Signal S&sub1;&sub3; nicht vergrößern.
Nachdem das optogalvanische Signal von ¹³CO&sub2; erhalten worden ist, werden die Schrauben 26 (Fig. 2) betätigt, um das Gitter 24 auf einen anderen Winkel einzustellen, wodurch Laser 10 auf eine Wellenlänge abgestimmt wird, die einem Übergang von ¹²CO&sub2; entspricht, so daß der Laser bei dieser ¹²CO&sub2;- Übergangswellenlänge arbeitet. Das Licht vom Laser, das dem ¹²CO&sub2;- Übergang entspricht, wechselwirkt mit den ¹²CO&sub2;-Molekülen in einem bestimmten angeregten Zustand, wechselwirkt aber im wesentlichen nicht mit ¹³CO&sub2; in der Zelle 60. Wiederum unterbricht der Chopper 54 den Lichtstrahl, der auf dem Weg 57 in die Zelle 60 gelangt, so daß die Impedanz der von der Impedanzkontrollvorrichtung 82 gemessenen Entladung immer wieder zwischen einem ersten und zweiten Wert schwankt. Die Differenz zwischen diesem ersten und zweiten Wert ist das optogalvanische Signal für den ¹²CO&sub2;- Übergang. In diesem Fall ist:
S&sub1;&sub2; = [P&sub1;&sub2;][M&sub1;&sub2;][W&sub1;&sub2;] (2)
worin:
S&sub1;&sub2; das optogalvanische Signal für den ¹²CO&sub2;-Übergang ist;
P&sub1;&sub2; die molekulare Konzentration oder der Partialdruck von ¹²CO&sub2; des Gases in der Kammer 60 ist;
M&sub1;&sub2; eine Proportionalitätskonstante für den bestimmten Übergang ist; und
W&sub1;&sub2; die Energie des Laserstrahls mit der Wellenlänge ist, die dem ¹²CO&sub2;- Übergang entspricht, wie vom Leistungsmesser 48 während des Betriebs bei dieser Wellenlänge gemessen. Die Formel gilt nur für Energiewerte W&sub1;&sub2; unterhalb eines Sättigungsniveaus, das benötigt wird, um die Übergänge aller angeregten ¹²CO&sub2;-Moleküle in der Entladung auszulösen. Wie S&sub1;&sub3; erscheint S&sub1;&sub2; als Spitze/Spitze-Wert der Wechselstromkomponente im Signal der Impedanzkontrollvorrichtung 82 mit der Frequenz, die der Chopperfrequenz entspricht. Diese Wechselstromkomponente wird vom Lock-in-Verstärker 86 abgetrennt und an die Steuer- und Berechnungseinheit 90 weitergegeben.
Das Isotopenverhältnis bzw. das Verhältnis von ¹³CO&sub2; zu ¹²CO&sub2; in der Probe ist gegeben durch:
worin R13/12 das Verhältnis von ¹³CO&sub2; zu ¹²CO&sub2; im Analyt in der Zelle 60 ist. Anders ausgedrückt:
worin K eine Eichkonstante gleich M&sub1;&sub2;/M&sub1;&sub3; ist und für bestimmte ¹³CO&sub2;- und ¹²CO&sub2;-Übergänge, Instrumentenauslegungen und entladungsenergetischen Bedingungen in der Zelle 60 festgelegt ist. Der Wert von K kann durch Eichung des Instruments mit einem Gas mit bekanntem Wert für R13/12 erhalten werden.
Die Energie des ¹²CO&sub2;-Übergangs unterscheidet sich von der Energie des ¹³CO&sub2;-Übergangs, und die Wellenlänge, die dem ¹²CO&sub2;-Übergang entspricht, löst daher keinen ¹³CO&sub2;-Übergang aus bzw. hat keine spürbare Auswirkung auf ¹³CO&sub2;. Das optogalvanische Signal mit der ¹²CO&sub2;-Wellenlänge ist im wesentlichen von der ¹³CO&sub2;-Konzentration unabhängig. Anders ausgedrückt: die beim System verwendeten bestimmten ¹²CO&sub2;- und ¹³CO&sub2;-Übergänge sind so gewählt, daß die Übergangsenergie des ¹²CO&sub2;-Übergangs nicht der Übergangsenergie eines etwaigen ¹³CO&sub2;-Übergangs entspricht, und daß die Übergangsenergie des im System verwendeten ¹³CO&sub2;-Übergangs nicht einem etwaigen ¹²CO&sub2;-Übergang entspricht. Auch sind die bestimmten Übergangsenergien und Übergangswellenlängen so gewählt, daß sich die Übergangswellenlängen von den Übergangswellenlängen anderer im System vorhandener Gase wie etwa den Übergangsenergien der Trägergase und zu erwartender Verunreinigungen unterscheiden. Stammt beispielsweise das CO&sub2; im Analyt aus einer biologischen Quelle und ist mit Wasser verunreinigt, so sollten die Übergangswellenlängen so gewählt werden, daß sie nicht den Übergangswellenlängen von Wassermolekülen oder OH-Ionen oder Komplexen entsprechen, die aufgrund der Verunreinigung in der Entladung vorhanden sein können. Die oben erörterten Verfahren und Vorrichtungen können außerordentlich hohe Empfindlichkeit und niedrige Nachweisgrenzen erbringen. Werte des Isotopenverhältnisses R13/12 bis hinab zu etwa 10&supmin;&sup4; bis etwa 10&supmin;&sup6; können genau gemessen werden. Für das Arbeiten mit niedrigen Werten von R sollten die ausgewählten Übergangsenergien zwecks Bereitstellung eines nennenswerten Werts von S&sub1;&sub3; und Maximierung des Signal/Rausch-Verhältnisses bei der Messung von S&sub1;&sub3; einen hohen Wert für M&sub1;&sub3; liefern. Die ¹³CO&sub2;- Übergangswellenlänge mit etwa 11, 12 Mikron ist in diesem Fall besonders bevorzugt. Ebenso sollte der Energiewert W&sub1;&sub3; des Strahls für den ¹³CO&sub2;- Übergang nahe am Energiewert der Sättigung liegen. Um sicherzustellen, daß das ¹²CO&sub2;-Signal S&sub1;&sub2; in dieser Situation von vergleichbarer Größe wie das S&sub1;&sub3;-Signal ist, können Übergangswellenlängen, die einen relativ niedrigen Wert für M&sub1;&sub2; ergeben, angewandt werden, und/oder es kann ein relativ niederenergetischer Strahl für den CO&sub2;-Übergang mit niedrigem Wert für W&sub1;&sub2; angewandt werden. Es gibt zahlreiche schwache Übergänge von ¹²CO&sub2;, die niedrige Werte für M&sub1;&sub2; liefern. Dazu gehören die Übergangswellenlängen mit 10,49, 10,30 und 10,76 Mikron.
Die vorstehend erörterten Verfahren und Vorrichtungen können auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Bei einer Variante werden zwei separate Laser eingesetzt. Jeder wird mit einer der Übergangswellenlängen betrieben, und jeder Laserstrahl wird durch einen anderen Chopper in Richtung zur Probenkammer geleitet. Die zwei Chopper werden mit verschiedenen Chopperfrequenzen betrieben, so daß die beiden Laserstrahlen mit den verschiedenen Übergangswellenlängen mit verschiedenen Frequenzen ein- und ausgeschaltet werden. Die beiden Strahlen können gleichzeitig zugeführt werden. In diesem Fall enthält das Signal von der Impedanzkontrolleinheit zwei verschiedene Wechselstromkomponenten mit den beiden verschiedenen Chopperfrequenzen. Das Signal von der Impedanzkontrolleinheit wird zwei separaten Lock-in-Verstärkern zugeführt, wobei einer bei der jeweiligen Chopperfrequenz arbeitet, so daß jeder Lock-in-Verstärker eine Wechselstromkomponente mit der Chopperfrequenz abtrennt, die das optogalvanische Signal für eine der beiden gleichzeitig zugeführten Wellenlängen darstellt.
Gemäß weiteren Varianten kann die Reaktion des Analyten auf das zugeführte Licht mit den verschiedenen Wellenlängen durch Kontrolle anderer Phänomene als dem optogalvanischen Effekt kontrolliert werden. Die Wechselwirkung des zugeführten Lichtstrahls mit dem Gas in der Entladung verursacht einen mechanischen Druck in der Entladung. Wird das Licht mit einer gegebenen Frequenz zerhackt, erzeugen die sich wiederholenden Ein- und Aus-Zyklen Schallwellen mit der Chopperfrequenz in der Entladung. Die Größe dieses optoakustischen Effekts für Licht verschiedener Wellenlängen kann anstelle der Größe des optogalvanischen Effekts herangezogen werden. Der optoakustische Effekt ergibt jedoch im allgemeinen niedrigere Empfindlichkeit.
Wie vorstehend erörtert, löst die Wechselwirkung zwischen dem zugeführten Licht und den angeregten, isotopenhaltigen Molekülen Übergänge dieser Moleküle zwischen Zuständen aus. Definitionsgemäß hat jeder Übergang einen zugehörigen Zustand niedrigerer Energie und einen zugehörigen Zustand höherer Energie. Jeder Übergang kann in eine erste Richtung vom Zustand niedrigerer Energie zum Zustand höherer Energie oder in eine zweite Richtung vom Zustand höherer Energie zum Zustand niedrigerer Energie ablaufen. Der Ablauf in die erste Richtung entspricht der Absorption eines einfallenden Photons, während der Ablauf in die zweite Richtung der Emission eines Photons entspricht. Die Besetzungsverteilung in der Entladung bestimmt, ob der Ablauf in die erste oder zweite Richtung überwiegt. Somit kann unter gewissen Entladungsbedingungen die überwiegende Reaktion auf Licht einer bestimmten Wellenlänge die Absorption oder der Ablauf in die erste Richtung sein, während unter anderen Entladungsbedingungen die überwiegende Reaktion auf die gleiche Wellenlänge die Emission oder der Ablauf in die zweite Richtung sein kann. Beide Effekte erzeugen ein optogalvanisches oder optoakustisches Signal. Ist der überwiegende Effekt die Emission oder der Übergang zu einem Zustand niedrigerer Energie, so umfaßt die Reaktion auf das zugeführte Licht die Emission weiterer Photonen mit der Wellenlänge, die der Übergangsenergie entspricht. Somit wird das zugeführte Licht mit der Wellenlänge, die der Übergangsenergie entspricht, durch die Emissionen des Analyten mit dieser Wellenlänge verstärkt. Dieser Effekt kann gemessen und als Hinweis auf die Wirkung des Lichts mit den verschiedenen Übergangswellenlängen auf den Analyten herangezogen werden. Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann modifiziert werden, um solche Messungen möglich zu machen durch Ersetzen des Spiegels 66 durch einen Lichtenergiemesser, durch Weglassen des Choppers 54 und Modifizieren der Entladungsstromquelle, um so die Entladung mit einer vorgewählten Schaltfrequenz immer wieder ein- und auszuschalten. Der zusätzliche Leistungsmesser mißt die Energie des Laserstrahls nach Durchgang durch die Entladung mit dem Analyten in der Kammer 60. Ein Vergleich der Ablesungen von diesem zusätzlichen Leistungsmesser mit der ein- und ausgeschalteten Entladung gibt den Grad der Verstärkung an. Diese Messung kann wiederholt werden für Licht mit den beiden Übergangswellenlängen, die mit den beiden Isotopen verbunden sind.
Der vom zugeführten Licht ausgelöste Übergang kann als "Primärübergang" bezeichnet werden. In einigen Fällen bringt der Primärübergang die angeregte, isotopenhaltige Spezies auf einen angeregten Zustand höherer oder niedrigerer Energie, der dann in einem weiteren "Sekundärübergang" in einen zweiten Zustand niedrigerer Energie übergeht. Dieser zweite Zustand niedrigerer Energie kann ein anderer angeregter Zustand oder der Grundzustand sein. Jeder dieser Sekundärübergänge ergibt ein Photon mit einer Sekundärübergangswellenlänge. Die Anzahl dieser Sekundärübergänge und daher die Menge des mit der Sekundärübergangswellenlänge emittierten Lichts steigt mit der Anzahl der vom zugeführten Licht ausgelösten Primärübergänge. Dementsprechend kann die Menge des vom Analyten emittierten Lichts mit der Sekundärübergangswellenlänge dazu verwendet werden, die Wirkung des einfallenden Lichts auf den Analyten zu messen. Das einfallende Licht mit der ersten Übergangswellenlänge, die mit dem Primärübergang der angeregten Spezies mit dem einen Isotop verbunden ist, wird zugeführt, und die Reaktion wird durch Messen der entstehenden Emission mit der Sekundärübergangswellenlänge gemessen. Das mit dem Primärübergang der angeregten Spezies mit dem anderen Isotop verbundene Licht mit der zweiten Primärübergangswellenlänge wird zugeführt, und die entstehende Sekundäremission wird kontrolliert. Die Amplituden der Sekundäremissionen, die sich aus dem einfallenden Licht mit der ersten und zweiten Primärübergangswellenlänge ergeben, werden verglichen, um ein Maß für das Isotopenverhältnis im Analyt zu ergeben. Die Sekundäremission kann mit einem herkömmlichen Photodetektor erfaßt werden. Typischerweise ist der Photodetektor bei solchen Anordnungen mit einem wellenlängenselektiven Filter versehen, das so angeordnet ist, daß Licht mit der Primärübergangswellenlänge ausgeschlossen, jedoch Licht mit der Sekundärübergangswellenlänge durchgelassen wird. Das Licht mit der ersten und zweiten Primärübergangswellenlänge kann nacheinander zugeführt werden, wobei in diesem Fall das Photodetektorsignal die Sekundäremissionen der angeregten Spezies mit den beiden Isotopen aufeinanderfolgend darstellt. Alternativ kann das Licht mit den beiden Primärübergangswellenlängen gleichzeitig zugeführt werden, vorausgesetzt, daß das Licht mit der jeweiligen Primärübergangswellenlänge zerhackt oder mit einer anderen Frequenz amplitudenmoduliert wird. In diesem Fall enthält das Signal vom Photodetektor Komponenten, die sich zeitabhängig mit den beiden verschiedenen Modulationsfrequenzen ändern, die die von den zwei verschiedenen Primärübergangswellenlängen hervorgerufenen Sekundäremissionen darstellen. Diese Komponenten können abgetrennt werden, um getrennte Signale zu ergeben, die der Reaktion auf die jeweilige Primärübergangswellenlänge entsprechen.
Bei den vorstehend erörterten Anordnungen wird das dem Analyt zugeführte Licht von einem oder mehreren Lasern erhalten, die ein Laser-Medium aufweisen, das die im Analyt vorhandene isotopenhaltige Spezies enthält. Somit erhält man bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen unter Verwendung von CO&sub2; als isotopenhaltige Spezies das zugeführte Licht von einem CO&sub2;-Einzellaser, der Gemische aus ¹³CO&sub2; und ¹²CO&sub2; enthält, oder von zwei getrennten CO&sub2;-Lasern, die diese Spezies enthalten. Solche Anordnungen sind besonders bevorzugt, weil das Licht eigens auf die Übergangswellenlängen der isotopenhaltigen Spezies abgestimmt werden kann. Es können jedoch auch andere Lichtquellen verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Lichtquelle Licht mit den entsprechenden Übergangswellenlängen ergibt. Zum Beispiel kann ein abstimmbarer Farbstofflaser oder eine andere Art eines über einen kontinuierlichen Wellenlängenbereich abstimmbaren Lasers eingesetzt werden. Die Emissionen aus einem solchen Laser können auf eine Übergangsfrequenz arretiert werden, die mit einem bestimmten Isotop verbunden ist. Zum Beispiel kann ein Teil des Laserstrahls auf eine Bezugszelle gerichtet werden, die der oben beschriebenen Probenzelle ähnlich ist. Die Bezugszelle enthält eine Gasmischung, in der eine bekannte Probe der isotopenhaltigen Spezies enthalten ist, und besitzt eine zugeordnete Entladungsstromversorgung. Ebenfalls bereitgestellt sind Vorrichtungen zur Kontrolle der Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Entladung in der Bezugszelle, etwa durch Überwachen des optogalvanischen Effekts oder der Emissionen wie vorstehend erörtert. Die Wechselwirkung, etwa das optogalvanische Signal, wird als Rückmeldesignal für die Frequenzabstimmvorrichtung des Lasers herangezogen, so daß die Frequenz mit Hilfe der Abstimmvorrichtung auf die Frequenz eingestellt wird, die maximale Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und der bekannten Probe in der Bezugszelle ergibt.
Es können auch andere isotopenhaltige Spezies als CO&sub2; eingesetzt werden. Im allgemeinen kann jede mehratomige Einheit, etwa ein Molekül, ein mehratomiges Ion oder ein mehratomiges Radikal verwendet werden, vorausgesetzt, daß diese Einheiten stabil genug sind, um unter den angewandten experimentellen Bedingungen in vernünftiger Menge im angeregten Zustand zu überdauern. Wird zum Beispiel eine elektrische Entladung im Analyt erzeugt, so sollte die als isotopenhaltige Spezies eingesetzte Einheit stabil genug sein, um in vernünftigen Mengen in der elektrischen Entladung zu überdauern. Stabile Moleküle, die eins relativ kleine Atomzahl, typischerweise weniger als 5 Atome und am besten 3 Atome oder weniger enthalten, sind als isotopenhaltige Spezies bevorzugt. Besonders bevorzugt sind die isotopenhaltigen Spezies bei oder nahe bei Raumtemperatur gasförmig. Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß vorliegender Erfindung können verwendet werden, um die Isotopenzusammensetzung praktisch eines jeden Elements in einem Analyt zu bestimmen. Sie sind jedoch besonders zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung von Elementen im Analyt geeignet, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Somit können die mehreren Isotope in der isotopenhaltigen Spezies mehrere Isotope von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder von Wasserstoff sein. Besonders bevorzugte isotopenhaltige Spezies für solche Analysen sind die Oxide des Kohlenstoffs, Oxide des Stickstoffs, N&sub2; und H&sub2;O. CO&sub2; kann als isotopenhaltige Spezies zur Bestimmung der Isotopenkonzentration des Sauerstoffs anstatt der des Kohlenstoffs verwendet werden. In diesem Fall können die Übergangswellenlängen so gewählt werden, daß sie einer Übergangswellenlänge von ¹²C¹&sup6;O&sub2; und einer Übergangswellenlänge von ¹²C¹&sup6;O¹&sup8;O entsprechen. Dabei kann ein CO&sub2;-Laser, der ¹²O¹&sup6;O&sub2; und ¹²C¹&sup6;O¹&sup8;O enthält, verwendet werden, um das einfallende Licht bereitzustellen. Ein ähnliches System kann mit ¹²C¹&sup6;O&sub2; und ¹²C¹&sup8;O&sub2; als isotopenhaltige Spezies verwendet werden. Ebenso kann die Isotopenzusammensetzung von Stickstoff in einer Probe unter Verwendung von ¹&sup4;N&sub2; und entweder ¹&sup5;N&sub2; oder ¹&sup5;N¹&sup4;N oder beiden als isotopenhaltige Spezies bestimmt werden. Ein Stickstofflaser, der diese isotopenhaltige Spezies enthält, kann verwendet werden, um das einfallende Licht bereitzustellen. Die vorliegenden Verfahren können auch angewandt werden, um die Isotopenzusammensetzung von mehr als einem Element in einem Analyt zu bestimmen. In diesem Fall enthält die isotopenhaltige Spezies im Analyt Kombinationen aus isotopenhaltigen Spezies, etwa Kombinationen der vorstehend erörterten bevorzugten Spezies.
Die Verfahren und Vorrichtungen können verwendet werden, um den Gehalt eines Analyten zu bestimmen, ungeachtet dessen, ob ein solches Isotop stabil oder radioaktiv ist. Besonders hilfreich sind jedoch Verfahren, mit denen der Gehalt stabiler, nichtradioaktiver Isotope bestimmt wird. Diese Verfahren erlauben die Verwendung stabiler Isotope als Tracer. Somit können die Verfahren gemäß vorliegender Erfindung des weiteren den Schritt der Gewinnung des die isotopenhaltige Spezies enthaltenden Analyten aus einem Testobjekt umfassen, so daß die Mengen der verschiedenen Isotope im Analyt in Abhängigkeit einer charakteristischen Eigenschaft des Testobjekts schwanken. Somit liefert die gemäß den vorstehend beschriebenen Schritten gemessene Isotopenzusammensetzung einen Hinweis auf die charakteristische Eigenschaft des Testobjekts. Das Testobjekt kann ein chemisches, physikalisches oder biologisches System sein. Zum Beispiel kann der Analyt erhalten werden durch Entnahme einer Probe aus dem Objekt und gegebenenfalls Überführen eines oder mehrerer chemischer Bestandteile des Testobjekts in die gewünschte isotopenhaltige Spezies. Zum Beispiel können kohlenstoffhaltige Verbindungen in einer Probe in Kohlendioxid überführt werden. Der Schritt der Gewinnung eines Analyten aus einem Testobjekt kann alternativ oder zusätzlich den Schritt des Einwirkenlassens eines Reagens auf das Testobjekt umfassen, wobei das Reagens ein bestimmtes, als Tracer verwendetes Isotop enthält, das besonders bevorzugt ein stabiles, nichtradioaktives Isotop ist. Ist zum Beispiel das Testobjekt ein lebender Organismus, so kann man das Reagens auf das Testobjekt einwirken lassen, indem man dieses in Nährstoffe, Luft oder Wasser in der Umgebung des Testobjekts einbringt. Der Analyt kann aus Stoffen erhalten werden, die vom Organismus ausgeschieden, ausgeschwitzt oder ausgeatmet werden, oder aus Gewebeproben, die dem Organismus nach der Einwirkung entnommen werden.
Bei einem medizinischen Test zum Beispiel wird Harnstoff, der mit radioaktivem ¹&sup4;C markiert ist, an einen Patienten verabreicht, bei dem ein Geschwür, etwa ein Darm- oder Magengeschwür vermutet wird. Solche Patienten sind normalerweise mit dem Mikroorganismus Heliobacter pylori infiziert. Liegt dieser Mikroorganismus vor, wird ein wesentlicher Teil des verabreichten ¹&sup4;C- markierten Harnstoffs schnell in CO&sub2; umgewandelt, so daß der Atem des Patienten nach Verabreichung des ¹&sup4;C-markierten Harnstoffs einen erheblichen Anteil ¹&sup4;CO&sub2; enthält. Dieser Anteil wird normalerweise durch Kontrolle der Radioaktivität von ¹&sup4;C im Atem kontrolliert. Gemäß vorliegender Erfindung kann ¹³C-markierter Harnstoff anstelle von ¹&sup4;C-markiertem Harnstoff verwendet werden. Der Anteil von ¹³CO&sub2; im Atem des Patienten kann mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bestimmt werden. Zahlreiche Techniken unter Verwendung radioaktiver Isotope als Tracer sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Medizin und Biologie bekannt. Jede dieser Techniken ergibt einen Analyt mit dem radioaktiven Tracerisotop. Die Menge des Tracers im Analyt wird durch Kontrolle der Menge der vom Analyten emittierten Radioaktivität bestimmt. Diese Techniken können unter Verwendung stabiler Isotope als Tracer gemäß vorliegender Erfindung übernommen werden, und die Menge dieser stabilen Tracerisotope kann mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bestimmt werden. Zu den Techniken, die auf diese Weise übernommen werden können, zählen solche mit selektiver Bindung, Aufnahme oder Abgabe biologischer Moleküle, etwa Proteine, Antigene, Antikörper, Nucleinsäuren und dergleichen. Zu diesen Techniken gehören Bindungsassays und Assays unter kompetitiver Bindung, etwa Radioimmungssays sowie das Abtasten der Lunge unter Verwendung radioaktiver Markierungen. Die am Test beteiligte biologische oder chemische Reaktion kann genau die gleiche sein, die bei Verwendung von radioaktiven Isotopen als Tracer durchgeführt wird, außer daß ein stabiles Isotop eingesetzt werden kann und die Menge dieses Isotops im resultierenden Analyt gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bestimmt wird. Der Begriff "Licht" wird in dieser Offenbarung als Bezeichnung für elektromagnetische Strahlung verwendet und ist nicht allein auf sichtbares Licht beschränkt. Je nach den speziellen Übergangsenergien können somit Wellenlängen, die im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich liegen, aber auch andere Wellenlängen verwendet werden.
Natürlich können zahlreiche zusätzliche Varianten und Kombinationen der oben erörterten Merkmale genutzt werden, ohne von der vorliegenden Erfindung - wie durch die Ansprüche definiert - abzuweichen. Dementsprechend sollte die obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen als Erläuterung und nicht als Einschränkung der durch die Ansprüche definierten Erfindung verstanden werden.
Das folgende nichteinschränkende Beispiel beschreibt bestimmte Merkmale der Erfindung.

Beispiel

In Flaschen abgefülltes, hochreines (99,995%) Kohlendioxid wurde als Probe und trockener Stickstoff als Trägergas in der Vorrichtung wie in Fig. 1 gezeigt verwendet. Die Gase wurden im Verhältnis 1 : 19 gemischt und in die Probenzelle auf einen Druck von 3,61 Torr gefüllt. Der Laser, der CO&sub2; mit einem ¹³CO&sub2;/¹²CO&sub2;-Verhältnis von ungefähr 1 : 1 enthielt, wurde zunächst auf den ¹²CO&sub2;P(20)-Übergang bei 10,59 Mikron eingestellt. Der Chopper lief mit 311 Hz und die Laserausgangsleistung betrug 1,94 W. Danach wurde der Laser auf die P(20)-Linie von ¹³CO&sub2; mit 11,15 Mikron eingestellt, wobei 0,71 W bereitgestellt wurden. Die gemittelten optogalvanischen Signale vom Lock-in- Verstärker ergaben ein Verhältnis von Signal pro Energieeinheit von 0,0198 (Signale mit 3650 uV und 26,50 uV). Unter der Annahme, daß das CO&sub2; in den Flaschen in seiner Isotopenzusammensetzung repräsentativ für natürliches CO&sub2; ist (1,108% ¹³CO&sub2;), beträgt der Eichfaktor für die Messung 0,5596.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Isotopenzusammensetzung eines Analyten, der eine mehratomige isotopenhaltige Spezies umfaßt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Molekülen, mehratomigen Ionen und mehratomigen freien Radikalen und enthaltend mehrere Isotope, umfassend die Schritte:

Bereitstellen des Analyten und Halten der isotopenhaltigen Spezies in dem Analyten in angeregten Zuständen, so daß der Analyt nicht im thermodynamischen Gleichgewicht ist, wobei die angeregten isotopenhaltigen Spezies, die verschiedene Isotope enthalten, unterschiedliche Übergangsenergien aufweisen;

Anwenden von Strahlung auf den Analyten mit mehreren Wellenlängen, die den unterschiedlichen Übergangsenergien entsprechen, wobei die angewandte Strahlung bei jeder der Wellenlängen mit der angeregten isotopenhaltigen Spezies, die verschiedene dieser Isotope enthält, selektiv wechselwirkt; und

Überwachen der Reaktion der Spezies, die verschiedene dieser Isotope enthält, auf die angewandte Strahlung, um so die Größenordnung der Reaktion für jede der Wellenlängen zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehratomige Spezies ein Molekül mit weniger als 5 Atomen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bereitstellung des Analyten den Schritt der Bereitstellung des Analyten in Gasform umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Haltens der isotopenhaltigen Spezies in angeregten Zuständen den Schritt des Haltens des gasförmigen Analyten in einer elektrischen Entladung umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Überwachens der Reaktion des Analyten den Schritt des Überwachens der elektrischen Impedanz der elektrischen Entladung umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Anwendung von Strahlung den Schritt der periodischen Änderung der Amplitude der Strahlung umfaßt, und der Schritt des Überwachens der elektrischen Impedanz den Schritt des Überwachens einer Komponente der Impedanz umfaßt, die sich synchron mit der sich ändernden Amplitude ändert.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Anwendung von Strahlung den Schritt des Betreibens wenigstens eines Lasers mit wenigstens einem Laser-Medium umfaßt, das die isotopenhaltige Spezies enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Laser einen Einzellaser mit einem Laser-Medium umfaßt, das die isotopenhaltige Spezies mit mehreren dieser verschiedenen Isotope enthält, und der Schritt des Betreibens des wenigstens einen Lasers den Schritt des Betätigens des Einzellasers umfaßt, um bei den verschiedenen Wellenlängen entsprechend den Übergangsenergien zu lasern.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Betreibens des wenigstens einen Lasers die Schritte des Betätigens eines ersten Lasers, der die isotopenhaltige Spezies mit einem ersten Isotop enthält, und des Betätigens eines zweiten Lasers umfaßt, der die isotopenhaltige Spezies mit einem zweiten Isotop enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Betätigens des Einzellasers den Schritt des aufeinanderfolgenden Einstellens des Einzellasers auf die verschiedenen Wellenlängen umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Bereitstellung des Analyten den Schritt der Bereitstellung des Analyten in Gasform umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die verschiedenen Isotope in dem Analyten mehrere Isotope eines oder mehrerer Elemente sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die isotopenhaltige Spezies ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Oxiden des Kohlenstoffs, Wasserstoffs, Oxiden des Stickstoffs, N&sub2;, H&sub2;O und Kombinationen derselben.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die isotopenhaltige Spezies Kohlendioxid ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die verschiedenen Isotope stabile Isotope sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, des weiteren umfassend den Schritt der Gewinnung des Analyten aus einem Testobjekt, so daß die Mengen der stabilen Isotope im Analyten in Abhängigkeit einer charakteristischen Eigenschaft des Testobjekts variieren, wobei die Größenordnungen der Reaktionen für die unterschiedlichen Wellenlängen die charakteristische Eigenschaft des Testobjekts anzeigen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Testobjekt ein lebender Organismus ist und der Schritt der Gewinnung des Analyten den Schritt des Einwirkenlassens wenigstens eines Reagens, das eines der stabilen Isotope enthält, auf den Organismus umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die verschiedenen Isotope stabile Isotope sind.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt der Gewinnung des Analyten den Schritt des Erhalts des Analyten aus Stoffen umfaßt, die vom Organismus nach dem Schritt des Einwirkenlassens des wenigstens einen Reagens auf den Organismus ausgeatmet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt der Gewinnung des Analyten den Schritt des Erhalts des Analyten aus Stoffen umfaßt, die vom Organismus nach dem Schritt des Einwirkenlassens des wenigstens einen Reagens auf den Organismus ausgeschieden werden.

21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt der Gewinnung des Analyten den Schritt des Erhalts des Analyten aus Stoffen umfaßt, die vom Organismus nach dem Schritt des Einwirkenlassens des wenigstens einen Reagens auf den Organismus ausgeschwitzt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt der Gewinnung des Analyten den Schritt des Erhalts einer Gewebeprobe aus dem Organismus nach dem Schritt des Einwirkenlassens des wenigstens einen Reagens auf den Organismus umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das wenigstens eine Reagens ¹³C enthält.

24. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das wenigstens eine Reagens ¹³C- markierten Harnstoff enthält.