Summary
Summary Accurate measurements of the relative isotope abundance of light elements are widely used as a tool for studying many different physical, chemical and biological processes. One of the most often used applications is the measurement of the stable isotopes in water (18O and 2H). These measurements are applied in, amongst others, hydrology, biomedicine and paleoclimatology. This thesis describes the development of a new technique for the measurement of stable isotope ratios in water and its application to the last two of the mentioned fields. In Chapter 1, first some general information on isotope measurements and their application is given. The abundance of stable isotopes is expressed as a deviation of the absolute isotope abundance ratio of the sample from that same ratio of a standard. Then, the processes which are responsible for the change in the isotope abundance ratios caused by physical, chemical or biological processes, referred to as isotope fractionation, are described. The importance of proper calibration and normalization and the difference between accuracy and precision are emphasised, items that are very important in the field of isotope physics. Further, the common techniques for isotope ratio measurements, which are all based on mass spectrometry, and some new developments, both based on mass spectrometry and on optical techniques, are being described. Chapter 2 gives an extensive description of the newly developed method, which is based on laser spectrometry. A tunable infrared laser source (2.73 µm) is scanned over a small part of the ro–vibrational spectrum of water vapour. The samples are kept in gas cells. The power of the laser beam both before (“power”) and after passing the gas cell (“signal”) are recorded on cooled InAs detectors using amplitude modulation detection. The spectra obtained this way are compared to the same spectrum of a reference water with known isotopic composition. Among the advantages of the new techniques are the lack of laborious and potentially hazardous chemical sample preparations (as necessary in traditional methods) the ability to automate the system and thus the high throughput possible, the relatively low costs, and the possibility of measuring
17
O, next to
18
O and 2 H. Much
attention is being paid to the corrections that have to be applied to the raw measured value of the isotope ratio. Most of the corrections are quantitatively understood, and the remaining corrections are smaller than the analogous correction in the mass spectrometric techniques. The laser technique is shown to be applicable to both the measurement of isotope ratios in the natural range and in the enriched range, as often applied in biomedical experiments. Thanks to proper calibration, the accuracy of the new method is comparable to the mass spectrometer method. In the enriched regime, the measurement precision for the new method is better for 2H and competitive for
171
18
O. For the natural
Summary abundance range, however, the 2H measurement precision is about the same as in traditional methods, while for
18
O it is still worse.
In Chapter 3, the successful application of the new technique in a biomedical experiment is described: The doubly labelled water method. It is based on the administration of both
18
O and 2H as
isotopically enriched water to an animal or human. After an equilibration period, an initial sample of the body water pool, usually blood, is taken. Since
18
O can leave the body water pool both as water and as
2
CO2 gas, while H can only leave as water, the difference between the two is a measure for the CO2 production. In order to apply the doubly labelled water method, one must be able to accurately measure the isotope ratios of the highly enriched aqueous samples as these often occur in the analyses. The problem of proper absolute calibration caused by the lack of knowledge about initial isotope concentrations at these levels of enrichment is described. After some preliminary experiments, we have validated the widely applied doubly labelled water method in Japanese Quails on diets with different water content. This way, an important assumption of the method, the fraction of evaporative water loss, was examined. It was found that an assumed fraction of 0.25 is in most cases appropriate. Another successful application of the new technique is described in Chapter 4. Since the isotope abundance ratio of precipitation is dependent on, amongst others, temperature, the isotope ratios along a depth profile of stacked archives of ice are a proxy for past temperatures. These ice sheets are being found around both poles and in mountainous regions, the most important ones on Greenland and Antarctica. By combining the measurement results of
18
O and 2H, the so-called deuterium excess is
obtained, providing possibly even more information such as the humidity and temperature in the source region of the precipitation. The interpretation of the deuterium excess data, however, is not straightforward and not quantitatively understood. Still, it is a parameter additional to the isotope abundance ratio measurements of a single isotope. We have measured part of an ice core drilled in central Greenland. This part originated from about 1800 m below surface and its age was between 9200 and 14700 years BP. This is around the transition from the last ice age to the current interglacial. The sharp Bølling transition, around 14500 years BP, was studied in great detail. It was found from
18
O
measurements that the temperature rise of about 7˚C occurred in only 200 years time, and that deuterium excess signal, which is an indication for the duration of the process that caused the change, shifted in only 70 years. In Chapter 5, a more exotic and unique application of the new laser spectrometric technique is described. Highly enriched deuteriumoxide as used in a solar neutrino experiment was checked on its
17
O
content. To this end, it was necessary to dilute the deuteriumoxide with natural water. To circumvent the problem of overlapping absorption features caused by the high 2H content, a slightly different part of the water spectrum and an alternative technique for fitting the spectral features were used for 172
Summary
measurements. This resulted in a more accurate determination of the
17
O content than would be possible
by any other method. In Chapter 6, some expected future developments of the apparatus are described. The use of a different light source, based on a diode laser, is the most promising. This way it is possible to employ frequency modulation and a much higher scan speed. At this moment, however, diode lasers are only available in the less favourable 1.4 µm region, but even in this case we expect at least comparable performance as with the current laser source. When a 2.7 µm diode laser comes available, a major improvement may be expected. Finally, some possible future applications of the laser spectrometric technique are shortly described.
173
Samenvatting
174
Samenvatting
Samenvatting
Laser spectrometry voor stabiele isotopen analyse aan water Biomedische en paleoklimatologische toepassingen.
Dit proefschrift is één van de tastbare resultaten van mijn promotieonderzoek aan het Centrum voor IsotopenOnderzoek (CIO) van de Rijksuniversiteit Groningen. In die periode is er een methode ontwikkeld voor het meten van de zware isotopen in watermoleculen en is die methode gebruikt voor enkele zeer interessante toepassingen. Isotopen zijn de zwaardere varianten van normale atomen. Van alle chemische elementen bestaan isotopen, sommige daarvan zijn radioactief, de andere stabiel. Uit nauwkeurige metingen van de hoeveelheid isotopen in allerlei stoffen kan bijzonder veel informatie worden verkregen. Isotopen zijn namelijk bijzonder goede tracers of volgstoffen: hun gedrag is bijna exact gelijk aan dat van de “normale” atomen, maar toch net genoeg anders om verschil te kunnen zien. Zo kan worden bestudeerd hoe stoffen zich verspreiden en gedragen in tal van fysische, chemische en biologische processen. Binnen het CIO worden de isotopen van verschillende lichte atomen routinematig gemeten. De bekendste toepassing van isotopenmetingen is ouderdomsbepaling met behulp van het radioactieve koolstof-14. Vooral binnen de archeologie wordt deze methode veelvuldig toegepast. Een andere, nieuwere, toepassing van isotopenmetingen is gelegen op het gebied van klimaatonderzoek. Het CIO heeft daarvoor sinds kort een eigen 60 m hoge “snuffelpaal” aan de Waddenzee om lucht te verzamelen en ook de (isotopen)samenstelling van lucht, opgestuurd in flessen vanuit diverse vergelijkbare Europese meetstations, wordt in Groningen gemeten. In dit proefschrift wordt echter een andere tak van isotopenonderzoek behandeld, namelijk het onderzoek aan water. De toepassingen die in dit proefschrift worden beschreven liggen op het terrein van de biologie en het onderzoek van het klimaat van het verleden. Het meten van de stabiele isotopen, dus ook die van water, gebeurt normaal gesproken met massaspectrometers. Voor gassen werkt die methode uitstekend, maar voor water is het niet mogelijk om deze techniek rechtstreeks te gebruiken. Daarom wordt het watermonster altijd eerst omgezet in een gas. Als we de aanwezige hoeveelheid zwaar waterstof, deuterium, willen meten betreft dat meestal een omzetting naar waterstofgas, als we zwaar zuurstof willen meten, wordt het water meestal in chemisch evenwicht gebracht met koolstofdioxidegas. Deze omzettingen berusten op chemische processen en zijn 175
Samenvatting
potentieel onnauwkeurig, tijdrovend, arbeidsintensief en soms zelfs gevaarlijk. De arbeidskracht die dit vergt in combinatie met de specialistische apparatuur maakt de methode bovendien duur. In dit proefschrift wordt de ontwikkeling van een hele nieuwe methode voor isotopenmetingen aan water beschreven die deze nadelen niet kent en die ons toestaat direct aan watermonsters te meten. De methode is gebaseerd op een in wezen eenvoudig principe, namelijk dat van de absorptiespectrometrie. De apparatuur die is ontwikkeld bestaat in feite uit een lichtbron, een monsterhouder en een detectiesysteem. De lichtbron is een infrarode laser met verstembare golflengte. De monsterhouder, een gascel, is een glazen buis van ongeveer 50 cm lengte met spiegels aan beide kanten. Hierin wordt 10 µl vloeibaar water geïnjecteerd hetgeen vervolgens volledig verdampt. De laserbundel wordt de gascel in geschenen door een gat in één van de spiegels en vervolgens door middel van de spiegels vele malen heen en weer gekaatst. Zo wordt een weglengte van ruim twintig meter bereikt. De absorptie van het licht bij verschillende golflengten wordt met een detector gemeten. Uit het zo verkregen absorptiespectrum kan de concentratie van ieder isotoop worden bepaald. Omdat de veranderingen die wij willen meten bijzonder klein zijn, moet de meetnauwkeurigheid erg groot zijn. Alle metingen worden, net als bij de traditionele methoden, gemeten relatief ten opzichte van een standaard. Een van de gascellen bevat daarom altijd een van onze goed bekende standaarden. Met de vier gascellen die momenteel zijn opgesteld kunnen we ongeveer vier monsters per uur meten en dat is sneller dan momenteel mogelijk met de conventionele methodes zoals beschikbaar op het CIO. De precisie waarmee we nu de waterstofisotopen kunnen meten is voor verrijkte monsters hoger dan die van de traditionele massaspectrometermethode en voor natuurlijke monsters minstens gelijk. Voor de zuurstofisotopen is de meetmethode nog niet vergelijkbaar nauwkeurig voor de natuurlijke monsters, maar wel voor de verrijkte.
Twee nuttige en interessante toepassingen van de nieuwe methode worden in dit proefschrift uitgebreid beschreven. De eerste is op biologisch vlak. Als aan een dier een dosis van de zware isotopen van waterstof en zuurstof wordt toegediend in de vorm van zogenaamd dubbel gelabeled water, vermengt zich dat zeer snel met het lichaamsvocht. Daarna verdwijnen zowel de toegediende waterstof- als de zuurstofisotopen weer langzaam uit het lichaam, via drie belangrijke wegen, namelijk met urine, waterdamp in de adem en zweet. Voor het zuurstofisotoop is er echter nog een vierde manier om het lichaam te verlaten, namelijk als koolstofdioxidegas bij de uitademing. Het verschil in de snelheid waarmee de waterstof- en zuurstofisotopen worden uitgestoten is dus een maat voor de hoeveelheid koolstofdioxidegas die het dier geproduceerd heeft gedurende de meetperiode. Als bovendien bekend is welk voedsel het dier eet, is nu de energiehuishouding van het dier bekend. Vooral voor dieren die onder 176
Samenvatting
extreme klimatologische of fysiologische omstandigheden leven is dat een interessant gegeven. Zo is bijvoorbeeld in het verleden met isotopenmetingen met massaspectrometers onderzocht hoe keizerpinguïns kunnen broeden in de kou van Antarctica. In dit proefschrift staat beschreven hoe onze nieuwe meetmethode kan bijdragen aan het verbeteren van de nauwkeurigheid van de dubbel gelabeld watermethode. Met metingen aan kwartels hebben we aangetoond dat de methode minstens zo goed werkt als de traditionele meetmethode, en bovendien sneller is. Het apparaat is verder nog gebruikt voor het bestuderen van kanoeten, kleine zeevogels die in de Waddenzee komen bij-eten tijdens hun reis van Alaska of Siberië naar Afrika. Ook deze dieren leven onder extreme omstandigheden door de grote hoeveelheid zeewater die ze met hun voedsel binnenkrijgen. Het is zeer interessant om te bestuderen hoe deze vogeltjes zich aan deze situatie hebben aangepast. Volgens planning zal de nieuwe meetmethode met ingang van het volgende broedseizoen worden gebruikt voor de (commerciële) routinebepalingen aan dubbel gelabeled water die door het CIO worden verricht. De traditionele methode kan dan worden afgeschaft. De tweede en heel andere toepassing die wordt beschreven ligt in het onderzoek naar het klimaat van het verleden. Water dat als ijs op de poolkappen ligt opgeslagen kan heel oud zijn, tot ruim vierhonderdduizend jaar. Uit de isotopensamenstelling van het oude ijs kan informatie worden verkregen over de temperatuur in het gebied op het moment dat de neerslag viel. Het principe berust op het verschijnsel dat water met daarin zwaardere isotopen iets moeilijker verdampt en iets makkelijker condenseert dan “normaal” water. Dit verschijnsel is temperatuurafhankelijk en de isotopensamenstelling van regen of sneeuw verandert dus met het klimaat. Door het combineren van de meetgegevens van verschillende isotopen kan zelfs informatie worden afgeleid over de temperatuur in het brongebied van de neerslag en de vochtigheid aldaar. Om bij het oude ijs te komen worden kernen geboord tot drie kilometer diep. Wij hebben voor een demonstratie-experiment een ijskern gebruikt die twintig jaar geleden op Groenland is geboord. Het door ons gemeten ijs is afkomstig van ongeveer 1800 m diepte en uit de periode in de overgang tussen de laatste ijstijd en het huidige warme tijdperk, zo’n 10000 jaar geleden. Met onze metingen hebben wij eerdere metingen bevestigd waaruit bleek dat de opwarming van waarschijnlijk 7°C toentertijd zeer snel is gegaan, namelijk binnen een periode van decennia. Op dit moment zijn de eerste metingen aan ijskernen afkomstig van Antarctica al begonnen. Met de nieuwe techniek zal van ongeveer vijfduizend monsters de deuteriumconcentratie worden gemeten. Er zijn nog veel meer toepassingen denkbaar van isotopenmetingen in water. Ook vandaag de dag worden al zeer veel metingen aan water verricht, ondanks alle nadelen van de bestaande methoden. De snelheid van de nieuwe methode is nu nog maar weinig hoger dan die van de traditionele massaspectrometermethode, maar er zijn nog veel verbeteringen aan te brengen. Zo kan het inbrengen van het water worden geautomatiseerd zodat de metingen vierentwintig uur per dag door kunnen gaan. 177
Samenvatting
De komst van een nieuw type lichtbron, een diode laser, maakt het apparaat nog veel eenvoudiger, stabieler en sneller, en zal ook de precisie verder verbeteren. Wij zijn daarmee nu al aan het experimenteren. Concluderend kan worden gezegd dat de ontwikkelde methode een uitstekend alternatief biedt voor de bestaande technieken. De nadelen van die technieken, voornamelijk het feit dat ze zeer arbeidsintensief zijn en in sommige gevallen het gebruik van gevaarlijke stoffen vergen, zijn in onze methode afwezig. De nauwkeurigheid waarmee de zware waterstofisotopen kunnen worden gemeten is nu al groter dan bij de massaspectrometer, vooral bij de biologische toepassingen. Voor zuurstof is de traditionele methode nu nog nauwkeuriger in de ijsmetingen, maar bij de verrijkte metingen voor biologische doeleinden is de nauwkeurigheid al gelijk. Er zijn op korte termijn verdere verbeteringen te verwachten. Daarom zal de techniek zich een eigen plaats verwerven binnen de isotopologie.
178
