Expanding the analytical range utilizing 1013 Ω amplifier technology: Measurement of 100 pg Nd samples

Význam tématu

Měření nízkointenzivních iontových proudů je klíčové pro izotopovou geochemii, kde jsou k dispozici velmi malé množství vzorku nebo se sledují vzácné izotopy s nízkou hojnosťí. Přesné stanovení izotopových poměrů neodymia umožňuje pokročilé studie v kosmochemii, paleoceanografii, sedimentologii a geochronologii. Tradičně je u intenzit pod 1×10−13 A využíváno iontových počítačů, které ale limitují rozsah dynamiky a vyžadují složité kalibrace.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje, jak lze rozšířit analytický rozsah instrumentace Thermo Scientific Triton Plus TIMS vybaveného zesilovači 1013Ω a měřit izotopové poměry 143Nd/144Nd na vzorcích obsahujících pouze 100 pg Nd. Cílem je dosáhnout přesností měření na úrovni jednotek až desítek ppm bez omezení dynamického rozsahu iontových počítačů.

Použitá metodika a instrumentace

• Spektrometr Thermo Scientific Triton Plus TIMS s pěti zesilovači 1013Ω a kalibrační deskou 3,3 pA
• Parafínové „přehrady“ na rehezaterni filamentu pro koncentrované naložení 1 µL roztoku 100 pg/µL JNdi-1
• Postup zahřívání: ionizační filament do 1650 °C při 160 mA/min, odpařovací filament do 1200 °C při 50 mA/min
• Nastavení detektorů: cup L3 pro 142Nd, L2 pro 143Nd, L1 pro 144Nd, C pro 145Nd, H1 pro 146Nd
• Integrace signálu po 8,389 s v cyklech s použitím tau korekce a normováním na poměr 146Nd/144Nd = 0,7219
• Definice cutoff signálu 143Nd na 11 mV pro vyloučení extrémní frakcionace a nízkého poměru signál/šum

Hlavní výsledky a diskuse

• Deset validních replik s průměrným poměrem 143Nd/144Nd = 0,512110 ± 0,000051 (2 SD) na 100 pg Nd
• Preciznost měření na úrovni 99 ppm (2 RSD), v souladu s literaturou pro vzorky o několik řádů větší
• Vysoká stabilita zesilovačů 1013Ω, šum detektoru <0,7 µV/24 h a 100% duty cycle umožňují limit počítací statistiky
• Odstranění tří běhů s nevhodnou signálovou evolucí pro spolehlivost výsledků
• Potvrzení, že přesnost je limitována počítací statistikou a nikoli detekčním systémem

Přínosy a praktické využití metody

• Rozšířený dynamický rozsah přes 30 Mcps, překonávající iontové počítače
• Možnost přesných stanovení izotopových poměrů na vzorcích v řádu stovek pikogramů
• Snížení nároků na objem a spotřebu vzorku při studiích s omezeným materiálem
• Využití v geochemickém výzkumu, QA/QC a mezioborových aplikacích

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další vylepšení filtračních a naložovacích postupů pro měření vzorků s množstvím menším než 100 pg Nd. Díky zdokonalení kontroly blanků a optimalizaci dráhy iontů lze rozšířit aplikace i na další vzácné prvky a sledovat časové změny izotopových poměrů v dynamických systémech.

Závěr

Použití zesilovačů 1013Ω v kombinaci s TIMS Triton Plus umožňuje přesná a precizní měření izotopových poměrů neodymia na extrémně malých vzorcích. Detekční systém je nyní limitován výhradně počítací statistikou, což otevírá nové možnosti v geochemických a kosmochemických aplikacích.

Reference

1. Craig G., Hu Z., Zhang A., Lloyd N.S., Bouman C., Schwieters J., 2017. Dynamic time correction for high precision isotope ratio measurements. Thermo Fisher Scientific Technical Note 30396.
2. Faure G., Mensing T.M., 2005. Isotopes Principles and Applications. John Wiley & Sons.
3. Frank M., 2002. Radiogenic isotopes Tracers of past ocean circulation and erosional input. Reviews of Geophysics 40 RG1001.
4. Garçon M., Boyet M., Carlson R.W., Horan M.F., Auclair D., Mock T.D., 2018. Factors influencing the precision and accuracy of Nd isotope measurements by TIMS. Chemical Geology 476 493–514.
5. Hart S.R., Zindler A., 1989. Isotope fractionation laws a test using calcium. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 89 287–301.
6. Koornneef J.M., Bouman C., Schwieters J.B., Davies G.R., 2014. Measurement of small ion beams by thermal ionisation mass spectrometry using new 1013 ohm resistors. Analytica Chimica Acta 819 49–55.
7. Palme H., ONeill H.S.C., 2014. Cosmochemical estimates of mantle composition. Treatise on Geochemistry Second Edition Elsevier.
8. Russell W.A., Papanastassiou D.A., Tombrello T.A., 1978. Ca isotope fractionation on the Earth and other solar system materials. Geochimica et Cosmochimica Acta 42 1075–1090.
9. Tanaka T., Togashi S., Kamioka H., Amakawa H., Kagami H., Hamamoto T., Yuhara M., Orihashi Y., Yoneda S., Shimizu H., Kunimaru T., Takahashi K., Yanagi T., Nakano T., Fujimaki H., Shinjo R., Asahara Y., Tanimizu M., Dragusanu C., 2000. JNdi-1 neodymium isotopic reference in consistency with LaJolla neodymium. Chemical Geology.
10. Vollstaedt H., Craig G., Lloyd N., Schwieters J., Bouman C., 2017. How low can you go? Thermo Fisher Scientific SmartNote 30439.