Der Nachweis von extrem geringen Mengen giftiger oder radioaktiver Stoffe ist eine wichtige Aufgabe für die „Physikalische Messtechnik in Medizin und Umweltschutz“. In diesem Bereich wurden der Physiker Prof. Dr. Heinz-Jürgen Kluge und der Chemiker Prof. Dr. Norbert Trautmann, beide von der Universität Mainz, für ihre interdisziplinäre Arbeit „Ein Resonanzionisations-Massenspektrometer als analytisches Instrument für die Spurenanalyse“ mit dem Helmholtz-Preis 1990 geehrt.
Das von ihnen entwickelte Gerät vereinte die Vorzüge der Massenspektrometrie und der resonanten Ionisationsanregung von Atomen mittels Laserlicht für den hochempfindlichen element- und isotopenspezifischen Nachweis. So lag die Nachweisgrenze für das radioaktive Isotop Plutonium-239 bei 2 ∙ 106 Atomen, was 8 ∙ 10–16 Gramm entspricht. Damit war diese Methode zwei Größenordnungen empfindlicher als die α-Spektroskopie, die das Plutonium-239 durch seinen α-Zerfall nachweist.
Die Arbeit von Kluge und Trautmann beruhte auf der Idee, Atome des nachzuweisenden Elements oder Isotops gezielt in drei aufeinander folgenden Schritten erst anzuregen und dann zu ionisieren, sodass die geladenen Atome anschließend mit einem Massenspektrometer nachgewiesen werden konnten. Die Anregung und Ionisation der Atome erfolgte mit drei gepulsten und durchstimmbaren Farbstofflasern. Da bei den ersten beiden Schritten die Atome resonant angeregt wurden, war die Wahrscheinlichkeit, Störsubstanzen zu ionisieren, sehr klein und lag bei etwa 10–10.
Die in Pulsen ionisierten Atome konnten mit einem Flugzeitmassenspektrometer nach einzelnen Isotopen getrennt werden. Das zeigten die beiden Forscher am Beispiel der sieben natürlich vorkommenden Isotope des Gadoliniums, wobei die Massenauflösung M/ΔM bei 2700 lag. Wurde die resonante Anregung auf ein spezielles Isotop abgestimmt, so ließ sich dieses Isotop selektiv ionisieren und nachweisen, wobei andere Isotope stark unterdrückt wurden, wie das Beispiel von Plutonium belegte.
So konnte anhand der Isotopenzusammensetzung des Plutoniums in einer Umweltprobe erkannt werden, ob es sich um Reaktorplutonium oder nuklearen Fallout handelte. Inzwischen hat die Resonanzionisations-Massenspektrometrie vielfältige Anwendungen gefunden als empfindliche Messmethode für Actiniden und andere Elemente, die in Umweltproben oder biologischen Proben enthalten sind oder in Beschleunigern etwa beim CERN hergestellt wurden.