AMS is massaspectrometrie op grote schaal. Toepassingen variëren van archeologische dateringen tot medicijnstudies. ‘De gevoeligheid van AMS haal je nooit met een klassieke massaspectrometer.’

“Dankzij AMS hoeven we niet het hele been van een oud veenlijk op te offeren, maar hebben we aan een paar haren genoeg om de ouderdom te bepalen.” Hans van der Plicht geeft kort de gevoeligheid aan van de scheidingstechniek Accelerator Mass Spectrometry (AMS). Hij gebruikt AMS om archeologische vondsten te dateren, bijvoorbeeld hout, haren, verbrande zaadjes, kleine stukjes bot of de kies van een Neanderthaler. Van der Plicht is bijzonder hoogleraar isotopenarcheologie aan de Universiteit Leiden en aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Het principe van AMS wijkt niet af van conventionele MS: ioniseer de stoffen in je monster, versnel ze in een elektrisch veld en scheid ze met magneten. AMS is echter zó gevoelig dat isotopen (atomen met evenveel protonen, maar een verschillend aantal neutronen) ermee te scheiden zijn. “Met AMS kijk je niet op moleculair niveau, maar op kernniveau”, aldus Van der Plicht. Een AMS­opstelling is te herkennen aan een grote versneller waarop een spanning van miljoenen volt staat, en krachtige magneten. De totale lengte is al gauw 10 m. Wereldwijd zijn er slechts twee fabrikanten van de apparatuur – een ervan is High­Voltage Engineering in Amersfoort – en tientallen AMS­faciliteiten.

Dateren

“Met onze AMS­opstelling bepalen we het gehalte aan de zeldzame isotoop ¹⁴C in een monster”, vertelt Van der Plicht. “Voor archeologische vondsten kun je dit vergelijken met het detecteren van één specifieke haar op de hele wereldbevolking. Die gevoeligheid haal je nooit met een klassieke massaspectrometer.” Koolstofdatering gaat er namelijk vanuit dat hoe ouder een monster is, des te minder ¹⁴C het bevat. Deze zeldzame koolstofisotoop is radioactief en komt in de atmosfeer voor als ¹⁴CO₂.

Via fotosynthese belandt de isotoop in planten om vervolgens via de voedselketen deel uit te gaan maken van mens en dier. Zo gauw het organisme sterft, begint de hoeveelheid ¹⁴C af te nemen door radio actief verval, terwijl de twee andere koolstofisotopen (¹²C en ¹³C) stabiel blijven. De ouderdomsbepaling gebeurt door de verhouding ¹⁴C/¹²C van het monster te bepalen.

De opkomst van AMS in de jaren tachtig heeft een revolutie in het dateren teweeggebracht. Van der Plicht: “Dateren op de klassieke manier gebeurt met proportionele telbuizen. Je meet dan het verval van de ¹⁴C in een monster.” Het nadeel hierbij is dat de vrijgekomen straling laag is, waardoor er veel materiaal en tijd nodig is om een goed signaal te krijgen. “Voor deze klassieke methode heb je grammen koolstof nodig, voor AMS milligrammen of minder.” De detectielimiet van AMS is 50.000 jaar.

Grafiet

“De eigenlijke meting – dus het tellen van het aantal ¹⁴C­atomen – duurt drie kwartier. De meeste tijd gaat zitten in de monsterbewerking”, aldus Van der Plicht. Een splintertje wordt eerst van alle koolstof ontdaan die niet tot het object behoort, waarna de overgebleven koolstof wordt verbrand. De vrijgekomen CO₂ wordt dan gezuiverd en omgezet in grafiet met een ijzerkatalysator. Het grafiet gaat de AMS in. In de ionenbron van de AMS wordt het beschoten met cesiumionen, waardoor zich C^­­ionen vormen. Die ionen worden in de versneller omgezet in C³⁺­ionen, waardoor het deeltje ¹⁴C³⁺ een unieke m/z­waarde krijgt.

De zeer grote gevoeligheid wordt bereikt door ervoor te zorgen dat andere deeltjes die ook massa 14 hebben, niet de detector bereiken. Stikstof (¹⁴N) kan geen negatieve ionen vormen en komt dus niet in het systeem voor. Moleculen met massa 14, zoals ¹²CH₂ en ¹³CH, overleven de hoogspanning niet.

Milieu

Een andere veelgebruikte toepassing van AMS is bestudering van de koolstofcyclus. ¹⁴C heeft een halveringstijd van 5.730 jaar. Bij het verstoken van fossiele brandstoffen, die al miljoenen jaren onder de grond zitten, komt er daarom CO₂ vrij dat geen ¹⁴C meer bevat. Van der Plicht: “We verdunnen in feite de ¹⁴C in de atmosfeer. Daardoor was in 1950 het ¹⁴C­gehalte met 2 procent afgenomen. Dat is best veel.” In de jaren vijftig hebben kernproeven ertoe geleid dat de hoeveelheid ¹⁴C in de lucht flink steeg, met een piek in 1963. “Toen was de fractie ¹⁴C tweemaal zo hoog als gebruikelijk, dus tweemaal 10^­12. We verstoken nu veel meer fossiele brandstoffen dan toen. De bompiek is bijna weer tenietgedaan.”

De kennis over het ¹⁴C­gehalte kan vele toepassingen hebben. “Zo zou je kunnen checken of pompstations wel het juiste percentage biobrandstoffen bijmengen. Immers, in fossiele brandstoffen zit geen ¹⁴C en in biobrandstoffen, die recentelijk zijn gevormd, wel”, stelt Van der Plicht.

Medische toepassingen

Wetenschappers van het Karolinska Institutet in Stockholm hebben handig gebruikgemaakt van de atoombomproeven eind jaren vijftig om aan te tonen dat de hartspier zich vernieuwt. Dit deden ze door de hoeveelheid ¹⁴C in het DNA van hartspiercellen te bepalen met AMS. In Science van begin april laten ze zien dat het DNA van mensen die ruim voor de start van de kernproeven geboren zijn, toch verhoogde ¹⁴C­concentraties bevatten. Dit kan alleen als de cellen zich tijdens het leven van de personen hebben gedeeld.

Geert Mannens, Senior Research Fellow bij Johnson & Johnson Pharmaceutical Research & Development in Beerse (België), heeft de afgelopen 10 jaar vijf studies met AMS uitgevoerd. “We willen een totaalbeeld hebben van wat er met een geneesmiddel gebeurt in het menselijk lichaam. In een vroeg stadium van de medicijnontwikkeling geven we gezonde vrijwilligers naast een farmacologische dosis een zeer kleine hoeveelheid van de drug, gelabeld met een radioactief koolstofatoom.” De opname en uitscheiding van het geneesmiddel is in beeld te brengen door met radio­HPLC bloed­ en urinemonsters te meten. Bij radio­HPLC is HPLC gekoppeld aan vloeistofscintillatiespectrometrie; een methode die ¹⁴C­verval meet.

Mannens: “Als uit dierstudies blijkt dat het geneesmiddel in stralingsgevoelige weefsels zoals het beenmerg blijft hangen, dan dienen we in de klinische metabolismestudie een radioactieve dosis toe die 250 keer lager ligt. Die dosis is zo laag dat radio­HPLC niet gevoelig genoeg is om de radioactieve pieken te identificeren.” Nu komt AMS om de hoek kijken. “HPLC scheidt een urinemonster in 40 tot 80 fracties die afzonderlijk met AMS geanalyseerd worden. De fracties die radioactiviteit bevatten, worden vervolgens verder geanalyseerd met LC­MS/MS om de identiteit van de metabolieten vast te stellen. AMS levert namelijk geen informatie over de structuur”, legt Mannens uit.

Geen verontreinigingen

Ondanks de voordelen van AMS, worden de meeste studies op de conventionele manier gedaan. Mannens: “Het nadeel is dat AMS niet te koppelen is aan HPLC, waardoor je dus altijd eerst een HPLC­fractionatie moet doen, daarna AMS, en ten slotte structuuropheldering met LC­MS/MS. Daar gaat een hoop tijd en geld in zitten.”

Ook al is de hoeveelheid radioactieve koolstof in biomedische monsters gering, vergeleken met archeologische monsters is het heel hoog. Om die reden komen biomedische monsters de AMS­faciliteit van Van der Plicht niet in. “Dat is in strijd met die ene haar die wij willen meten. Ik wil ¹⁴C­verontreinigingen voorkomen”, besluit Van der Plicht.

Bron: Cw@10, 16 mei 2009