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Isotopen-Verdünnungsanalyse Simultane ICP-MS verbessert Isotopen-Verdünnungsanalyse

Autor / Redakteur: Gisela Becker* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Elementanalyse und die Messung von Isotopenverhältnissen sind Methoden in der Geochemie. Bei der verwandten Technik der Isotopen-Verdünnungsanalyse lassen sich präzise Messungen von Spurenelementkonzentrationen in geologischen Proben durchführen.

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Abb. 2: Der Direct-Charge-Detektor Ion 120 deckt den gesamten Massenbereich von Lithium bis Uran in 4800 separaten Kanälen ab.
Abb. 2: Der Direct-Charge-Detektor Ion 120 deckt den gesamten Massenbereich von Lithium bis Uran in 4800 separaten Kanälen ab.
(Bild: Spectro)

[Möchten Sie direkt zum Whitepaper, klicken Sie hier. Für weitere Informationen zum Thema lesen Sie einfach weiter:] Um die Evolution der Erde zu verstehen, werden Mineralien aus unterschiedlichen geologischen Zeitaltern detailliert analysiert. In den Milliarden von Jahren, die seit der Entstehung des Sonnensystems vergangen sind, hat sich die Verteilung von Isotopen verschiedener Elemente mit der Zeit verändert, unter anderem als Ergebnis von chemischen Reaktionen, radioaktivem Zerfall, Schmelz-, Differenzierungs-, Kompressions- und/oder Kristallisierungsprozessen.

Einige der Isotope von Elementen, die in Mineralien nachgewiesen werden, finden sich dort aufgrund von radioaktivem Zerfall. Zum Beispiel zerfällt das Uran-Isotop 238 (238U) in das Blei-Isotop 206 (206Pb) mit einer Halbwertszeit von etwa 4,5 Milliarden Jahren. Innerhalb eines geschlossenen Systems, in dem sich die Isotope nicht mit der Umgebung austauschen können, etwa in einem Kristall, hängt das Verhältnis dieser Isotope von der Zeitspanne ab, die vergangen ist, seit sich das Gestein durch Kristallisation gebildet hat. Durch die Messung der relativen Verhältnisse der entsprechenden Isotope erhält man also einen Einblick in das Alter der Probe. Ein Mineral, das dafür häufig verwendet wird, ist Zirkon (Zr[SiO4]). Während der Kristallisation werden vorzugsweise Uran- und Thorium-Atome (ein weiterer Ausgangsstoff für Blei) in das Kristallgitter des Zirkons eingeschlossen. Da alles Blei, das im Kristall gefunden wird, mit hoher Wahrscheinlichkeit das Ergebnis von radioaktivem Zerfall ist, ergibt die Messung der relativen Häufigkeit von Blei und seinen Ausgangsstoffen im Zirkon, die Zeit seit seiner Kristallisation und damit das Alter des Gesteins. Andere Elementpaare, die für ähnliche Datierungsschemata verwendet werden, sind Rb/Sr, Sm/Nd, Lu/Hf und Re/Os.

Eine weitere wichtige Methode, um Einblick in die Geschichte und die Herkunft von Mineralien zu erhalten, basiert darauf, dass einige Elemente entsprechend der Eigenschaften ihrer Ionen (Größe und Ladung) während der Entstehung einer bestimmten Festphase (Stein) in dieser in höheren Konzentrationen eingelagert werden, während andere eher in der flüssigen Magma-Phase bleiben. Erstere sind als kompatible Elemente, letztere als inkompatible Elemente bekannt. Das relative Verhältnis von kompatiblen zu inkompatiblen Elementen in einer vorliegenden Gesteinsprobe kann Schlüsselinformationen über die Geschichte und den Ursprung tektonischer Einheiten liefern. Seltenerdmetalle, die oft nur in Spuren vorliegen, haben weitgehend ähnliche chemische Eigenschaften und werden sehr häufig als Indikatoren dieser Prozesse verwendet. Bei bestimmten Gesteinen aus einem definierten tektonischen Umfeld und von einem spezifischen Alter können die folgenden Elementverhältnisse als Qualitätsindikatoren für die chemische Analyse verwendet werden. Abweichungen von diesen Werten können ein Indiz für Störungen im analytischen Prozess (etwa eine unvollständige Probenvorbereitung) oder für eine andere geochemische Umgebung sein.

Welche Analysemethode ist geeignet?

Um Spurenelemente und Isotope in den Mengen, in denen sie in Mineralien vorkommen, nachzuweisen und zu quantifizieren, sind Analysetechniken mit extrem hoher Empfindlichkeit, Genauigkeit und Präzision gefragt. Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ist eine der zur Verfügung stehenden Technologien, die diese Informationen liefern können. Deshalb ist sie häufig die Analysemethode der Wahl, wenn Isotopenverhältnisse, Elementverhältnisse und absolute Elementkonzentrationen in geochemischen Proben bestimmt werden sollen.

Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ist eine weit verbreitete Analysemethode für Messungen dieser Art. Dabei wird eine Lösung der Probe in die Hochtemperatur-Umgebung eines induktiv gekoppelten Plasmas eingebracht. Das Plasma atomisiert die Probe und ionisiert danach die Atome (Isotope). Die dabei entstehenden Ionen werden in ein Massenspektrometer überführt, welches diese nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis separiert. Die meisten Geräte arbeiten dabei sequenziell („scannen“), d.h., dass für den interessierenden Massenbereich, die zu bestimmenden Isotopensignale entsprechend ihrer Massenzahl nacheinander gemessen werden. Da immer nur ein einzelnes Masse-zu-Ladung-Verhältnis gemessen wird, können jegliche Fluktuationen im Prozess der Probenzuführung, dem Plasma oder dem Detektionssystem zu Abweichungen in den untersuchten Isotopenverhältnissen führen.

Darüber hinaus kann es erwünscht sein, ein ganzes Spektrum von Elementen zu messen, um einen elementaren „Fingerabdruck“ der Probe zu erhalten und so die Auswertung verschiedener Berechnungsstrategien anhand unterschiedlicher Isotop-Kombinationen zu ermöglichen. Herkömmliche Geräte können häufig bestenfalls einen sehr geringen Massenbereich simultan messen. Andere arbeiten mit einem gepulsten Ionenstrahl, der die Empfindlichkeit und den dynamischen Arbeitsbereich einschränkt. Geräte, die verhältnismäßig langsam scannen oder nur in einem begrenzten Massenbereich simultan messen, haben also deutliche Nachteile, insbesondere bei der Messung zeitaufgelöster „transienter“ Signale, wie sie etwa bei der Kopplung mit chromatographischen Methoden wie HPLC, oder bei der Probenzuführung durch Laserablation vorkommen. Die Technologie der Instrumente entwickelt sich stetig weiter, um diese Probleme zu mindern. Doch bis heute beruhen die meisten ICP-MS-Geräte mehr oder weniger auf sequenzieller Technologie – mit all den damit verbundenen Problemen.

Das Spectro MS von Spectro Analytical Instruments ist ein ICP-MS-Gerät für die vollständig simultane Massenspektrometrie. Ein neuer Detektor, der direkt in der Fokalebene des Massenspektrometers montiert ist, misst das gesamte anorganisch relevante Massenspektrum simultan und quantitativ, von Lithium bis Uran. Das hat den Vorteil, dass alle Isotope zum selben Zeitpunkt gemessen werden. Dadurch sind die Isotopen-Verhältnismessungen frei von Rauschbeiträgen, die durch das Probenzuführungssystem und die Ionisation entstehen, wie etwa Flackerrauschen („flicker noise“) aus dem Plasma selbst oder ein Pulsieren durch die peristaltische Pumpe, mit der die Probe zugeführt wird. Das Verfahren verbessert außerdem die Fähigkeit des Geräts, transiente Signale zu messen. Die Genauigkeit und Präzision der Messungen – und damit auch die Verlässlichkeit der Schlussfolgerungen, die daraus gezogen werden – verbessern sich.

Darüber hinaus eröffnet das Erfassen des gesamten Massenspektrums, die Möglichkeit der Bestimmung weiterer Elemente zu einem späteren Zeitpunkt – selbst wenn die Probe nicht mehr verfügbar ist. Nicht zuletzt erhöht sich die Produktivität: Die vollständigen Massenspektren von bis zu 100 Proben pro Stunde können ohne jede Beschränkung der Zahl der gemessenen Elemente oder Isotope aufgezeichnet werden.

Das Whitepaper finden Sie hier.

* G. Becker: Spectro Analytical Instruments GmbH, 47533 Kleve

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