Detectie van Calcium-41, kortweg 41Ca, kan niet alleen nuttig zijn in biomedisch onderzoek aan botontkalking. Het zou ook een manier kunnen zijn om oude botten te dateren, vergelijkbaar met de bekende koolstofdateringsmethode.
Calcium-41 is een zogenaamd sporenelement, een lang-levende isotoop die in zeer lage concentraties voorkomt. Het is eigenlijk een ‘gewoon’ calciumatoom met een extra neutron in de kern. Het bestaat gemiddeld zo’n honderdduizend jaar vóór het door natuurlijke processen uiteenvalt. Calcium-41 isotopen zijn zeer zeldzaam: in de natuur komt er ééntje voor op honderdduizend maal een miljard gewone calciumatomen (calcium-40). Dat maakt het bouwen van een detectie-instrument voor afzonderlijke calcium-41-atomen tot een bijzondere uitdaging.
De opstelling waarmee de onderzoekers stabiele calciumisotopen isoleren en detecteren. Beeld: Stichting FOM
De experimentele methode waaraan Hoekstra met steun van de Stichting FOM werkte heet Atom Trap Trace Analysis (ATTA) en is gebaseerd op de interactie tussen atomen en laserlicht. Met behulp van dit laserlicht worden de verschillende calciumisotopen gescheiden en uiteindelijk gevangen in een ‘magneto-optische val’. Die bestaat uit een combinatie van zes laserbundels met een magnetisch veld. ‘In de val kunnen we de verschillende calciumisotopen met grote gevoeligheid detecteren. Zelfs is het gelukt het uiterst zwakke signaal van één enkel atoom te meten’, aldus de promovendus.
Schematische weergave van de ATTA-methode. Eerst maken de Groningse wetenschappers in een oven calciumatomen vrij. Deze hebben dan een snelheid van ongeveer duizend meter per seconde. Vanuit de oven worden ze de zogenaamde Zeemanafremmer ingeleid, die de gemiddelde snelheid terugbrengt tot zo’n vijftig meter per seconde. De scheider buigt met behulp van laserlicht de gewenste isotopen af naar een magneto-optische val (MOT). In de val meten de onderzoekers de concentraties van stabiele calciumisotopen. 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. Beeld: Stichting FOM
De ATTA-methode slaagt er nu in caliumisotopen te meten in een concentratie van één isotoop op honderd miljard andere atomen. Dat is voldoende gevoelig voor het biomedische onderzoek naar botontkalking, waarvoor monsters worden gebruikt die verrijkt zijn met extra 41Ca. Het ultieme doel van de onderzoekers is om calcium-41 in zijn natuurlijke, lage concentratie te kunnen detecteren. Uit berekeningen van Hoekstra blijkt dat door het gebruik van extra laser-vermogen de efficiëntie van de opstelling nog verhoogd kan worden. Momenteel wordt bij een blauwpaarse laser bij de vereiste 423 nanometer zestig milliwatt gehaald, voor optimaal functioneren is ongeveer het dubbele nodig.
Behalve voor de toepassing in onderzoek naar botontkalking en datering is de ATTA-methode ook van belang voor deeltjesonderzoek om aspecten van het Standaardmodel uit de hoge-energiefysica te toetsen. Het Kernfysisch Versneller Instituut heeft daarvoor de TRIµP opstelling in ontwikkeling: Trapped Radioactive Isotopes: µicro-laboratories for Fundamental Physics. Het onderzoek naar calciumisotopen helpt ervaring op te doen met het scheiden, opsluiten en karakteriseren van isotopen.