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

Význam tématu

Precizní stanovení izotopových poměrů při extrémně nízkých intenzitách iontového paprsku je klíčové v oborech jako izotopová geochemie, kosmochemie a paleoceanografie. Měření při stopových množstvích prvků dříve limitovaly detektory s vysokým šumem a omezeným dynamickým rozsahem. Použití zesilovačů s odporem 1013 Ω ve spojení s technologií Faradayových kelímků otevírá cestu k přesným a stabilním analýzám subnanogramových vzorků.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo ověřit možnosti termicky ionizační hmotnostní spektrometrie Triton Plus vybavené pěti zesilovači 1013 Ω a kalibračním modulem 3,3 pA pro měření 100 pg vzorků neodymia (JNdi-1). Studie testovala přesnost, vnější a vnitřní opakovatelnost a porovnala dosažené výsledky s publikovanými hodnotami získanými na 100 až 1000 ng vzorcích.

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorky JNdi-1 o hmotnosti 100 pg byly naneseny na předpotahované rheniumové filamen ty s parrafinem vytvářejícím hrázku
• Současné ohřívání ionizačního a vypařovacího filamentu se specifickými rampami proudu a měřením dráhy signálu 144Nd na SEM
• Aplikace softwarové korekce tau pro eliminaci rozdílných dob odezvy zesilovačů
• Normalizace poměrů na 146Nd/144Nd = 0.7219 pomocí exponenciální izotopové frakcionační zákona
• Odstranění cyklů s 143Nd signálem nižším než 11 mV pro zajištění optimálního poměru signál/šum

Hlavní výsledky a diskuse

Deset opakovaných běhů vedlo k průměrnému poměru 143Nd/144Nd = 0.512110 ± 0.000051 (2 SD), což je v souladu s literárními hodnotami měřenými na 1000–10000× vyšších dávkách. Vnější opakovatelnost 99 ppm (2 RSD) a vnitřní opakovatelnost definovaná statistickou nejistotou počítání potvrzují, že limitujícím faktorem je počet detekovaných iontů, nikoliv šum detekčního systému. Technologie 1013 Ω zesilovačů nabízí 100% průběžnou detekci a dynamický rozsah nad 30 Mcps, čímž překonává iontové počítání v citlivosti a stabilitě.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost přesných izotopových analýz na stopových množstvích Nd
• Snížení spotřeby vzorku při studiích vzácných fluviálních, oceánských a kosmických materiálů
• Vyšší efektivita měření díky plné využitelnosti signálu a eliminaci časově náročné kalibrace iontových počítadel

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další miniaturizace metodiky pro sub-100 pg dávky, rozšíření na jiné vzácné zeminy, aplikace v radiometrické geochronologii ultramaličkých částic a v průmyslové QA/QC. Integrace automatizovaných systémů nanášení vzorku a vylepšené softwarové korekce by mohla zvýšit reprodukovatelnost a zkrátit analýzy.

Závěr

Implementace zesilovačů 1013 Ω v termicky ionizační hmotnostní spektrometrii významně rozšiřuje rozsah možných analýz do oblasti subnanogramových množství. Stanovené poměry 143Nd/144Nd v dávkách 100 pg dosahují preciznosti a přesnosti srovnatelné s analýzami na mnohonásobně větších vzorcích, čímž se otevírají nové možnosti pro výzkum vzácných a omezených materiálů.

Reference

1. Craig G et al Dynamic time correction for high precision isotope ratio measurements Thermo Fish Sci Tech Note 30396 2017
2. Faure G Mensing TM Isotopes Principles and applications John Wiley Sons 2005
3. Frank M Radiogenic isotopes Rev Geophys 40 2002
4. Garçon M Boyet M Carlson RW Mock TD Influence on precision and accuracy of Nd isotope measurements Chem Geol 476 2018
5. Hart SR Zindler A Isotope fractionation laws Int J Mass Spectrom Ion Process 89 1989
6. Koornneef JM Bouman C Schwieters JB Measurement of small ion beams using 1013 ohm resistors Anal Chim Acta 819 2014
7. Palme H ONeill HSC Treatise on Geochemistry Second Edition Elsevier 2014
8. Russell WA Papanastassiou DA Tombrello TA Ca isotope fractionation on Earth Geochim Cosmochim Acta 42 1978
9. Tanaka T et al JNdi-1 neodymium isotopic reference Chem Geol 170 2000
10. Vollstaedt H et al How low can you go SmartNote 30439 2017