DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Concentration-Gradient-Method for improvement of precision and accuracy of isotope ratio analysis using quadrupole based inductively coupled plasma-mass spectrometry

Dronov, Michail

Isotope ratio analysis makes it possible to approach many analytical problems concerning the identity and provenance of different samples. In recent years the number of published applications on this topic increased greatly since introduction of stable isotope analysis by means of (Laser-Ablation) Multi-Collector-inductively-coupled-plasma mass spectrometer. However, the main disadvantage of these highly precise, so-called MC-ICP-MS, devices are very high investment costs. In this context, this thesis deals with the development of a novel approach to measure and evaluate more precise and accurate isotope ratios using commonly established and widespread quadrupole based ICP-MS (ICP-QMS) as it is possible by means of the common approach. The newly developed method is based on the constant isotope ratio at changed sample concentration. By means of an appropriate measurement setting, the linear relationship can be described by a suitable regression model by means of a mutual plot of signal intensities. As a result, this method requires a modification of the measurement procedure with respect to the classical method. Instead of measuring one well defined concentration, the measurement of a concentration series of the sample has to be performed. The resulting signal intensities of each isotope are plotted against each other in an x,y-diagram. The different concentrations of the samples correlate by a linear model. The slope of the estimated line is per definition the isotope ratio. Since both data sets are influenced by uncertainties the use of an orthogonal-distance-regression (ODR) model is required. This measurement and evaluation approach is called Concentration-Gradient-Method (CGM). One particularity of this kind of data evaluation is a significant increase of precision and accuracy of the isotope ratio determination performed with ICP-QMS. Moreover, a significant intercept is expressed by linear regression. It could be demonstrated that this intercept is a consequence of constant interference overlapping the isotope signals. Constant values that may cause such interference are signal noise and polyatomic interference of the measuring system as well as isobaric interference of the dilution medium. In the course of the optimization process, it was shown that transient measurements yield more precise results since the accuracy of the model depends on the incoming number of data points. For this reason, a program was written that greatly facilitated the very time-intensive analysis and thus allowed an enormous time-saving. The enhanced precision and accuracy by means of CGM could be demonstrated in comparative measurements using defined isotope standard-reference-solutions, which were measured under the condition of very poor signal-noise-ratios (S/N). A significant improvement of the accuracy could be achieved by means of CGM. In reproducibility test the newly developed CGM achieved a recovery rate of 103% independent of S/N, while the classical measurement approach showed a deterioration of the recovery rate up to 123%. In addition, only the use of CGM enabled plausible measurements of the sulphur isotope ratio even without using the collision/reaction cell of the ICP-QMS in gypsum samples of different origins. The massive interference of 16O2 on the signals of 32S were compensated by the intercept of the regression line, so that no further signal treatment was necessary. An further important application of isotope ratio analysis is the radiogenic Sr isotopic ratio determination for the identification of the origin of diverse food products to identify counterfeit products. However, this determination requires a complex sample preparation in the form of Rb separation by means of fractionated ion exchange chromatography to avoid isobaric interferences. Within the scope of this thesis, an alternative sample preparation procedure was developed based on the classical SrCO3 precipitation reaction. By this approach a two to five times better separation of Rb and Sr was achieved in mineral water and wine samples than in the standard approach. In combination with the CGM, mineral water and wine samples could be characterised by their Sr isotope ratio depending on their origin and varietal. The here developed cost-efficient and very effective sample preparation procedure increase the importance of isotope analysis by means of the widespread and in the routine analytic established ICP-QMS to a certain extant. Finally, a simple and effective modification of the CGM was developed using common Continuous-Flow-Analysis (CFA) techniques to allow a continuous change of a defined start concentration of a sample. The aim of this modification was a reduction of sample volume and maximisation of cost-efficiency due to minimisation of sample preparation steps, that also cause an avoidance of errors or contaminations by the reduction of pipetting steps. The continuous dilution method yielded three times more accurate results of the isotope ratio determination of different standard-reference-solutions with respect to previously described discontinuous CGM. The improvement was mainly caused by avoiding plasma disruption by air bubbles. Interference experiments additionally showed an influence on the precision, due to the decreased S/N, but the accuracy was still not affected (99.8 % WFR). In summary, the approach of continuous dilution is a simple and powerful modification of the here developed CGM.

Isotopenverhältnisbestimmungen tragen zur Lösung vieler analytischer Probleme, wie der Identifizierung und Herkunftsbestimmung verschiedener Proben, bei. In den letzten Jahren nahm die Anzahl der Publikationen, die sich mit dem Thema der Bestimmung stabiler Isotopenverhältnisse befassen, durch die Einführung der (Laser-Ablation-)Multikollektor-Induktiv-gekoppeltes-Plasma Massenspektrometrie (MC-ICP-MS) enorm zu. Allerdings ist der größte Nachteil dieser MC-ICP-MS Systeme die sehr hohen Anschaffungskosten. In diesem Zusammenhang, ist das Ziel dieser Dissertation, ein neues Verfahren für die in der Routine etablierten Quadrupol basierten ICP-MS (ICP-QMS) Systeme zu entwickeln, welches präzisere und richtigere Isotopenverhältnisbestimmungen ermöglicht. Die neu entwickelte Methode basiert auf dem konstanten Verhältnis der Isotope bei Änderung der Probenkonzentration. Durch eine entsprechende Messung lässt sich, mittels gegenseitiger Auftragung der Signalintensitäten, der lineare Zusammenhang durch ein geeignetes Regressionmodell beschreiben. Dadurch bedingt diese Methode eine Anpassung des Messablaufs gegenüber dem klassischen Messverfahren. Anstelle von nur einer definierten Konzentration, wird nun eine Konzentrationsreihe der Probe gemessen und die erhaltenen Signalintensitäten werden in einem x,y-Diagramm gegeneinander aufgetragen. Dabei liegen die unterschiedlichen Konzentrationsschritte der betrachteten Isotope auf einer Geraden. Die Steigung dieser Geraden definiert das Isotopenverhältnis. Da die Signalintensitäten beider Isotope einer Messstreuung unterliegen, muss zur Berechnung das Orthogonal-Distance-Regression Modell verwendet werden. Diese Messund Auswertemethode wird als Concentration-Gradient-Method (CGM) bezeichnet. Das Besondere an dieser Methode ist die signifikante Erhöhung der Präzision und Richtigkeit der Isotopenverhältnisbestimmung mittel ICP-QMS. Darüber hinaus wird ein signifikanter Achsenabschnitt durch die lineare Regression beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Achsenabschnitt aus konstanten Interferenzen resultiert, die das Isotopensignal überlagern. Konstante Größen, die solch einen Achsenabschnitt verursachen können, sind Signalrauschen, polyatomare Interferenzen des Messsystems sowie Interferenzen des Verdünnungsmediums. Im Laufe des Optimierungsprozesses zeigte sich, dass transiente Messungen präzisere Ergebnisse liefern, da die Genauigkeit des Modells von der Anzahl der einfließenden Datenpunkte abhängt. Aus diesem Grund wurde ein Software Programm geschrieben, das die sehr zeitintensive Auswertungen erheblich erleichtert und somit eine enorme Zeitersparnis ermöglicht. Die Präzisionssteigerung und Robustheit dieses Verfahrens konnte anhand von Vergleichsmessungen von definierten Isotopen Standard-Referenz-Lösungen, die unter der Bedingung eines sehr schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) gemessen wurden, gezeigt werden. Die neu entwickelte CGM konnte eine signifikante Steigerung der Richtigkeit erzielen. Unabhängig vom S/N, konnten bei Reproduzierbarkeitstests Wiederfindungsraten (WFR) von 103 % erreicht werden, während die klassische Messmethode eine Verschlechterung der WFR auf bis zu 123 %, in Abhängigkeit vom Signal-Rausch-Verhältnis, zeigte. Zudem konnten mittels CGM erstmals plausible Messungen des Schwefel-Isotopenverhältnisses ohne Verwendung der Kollisions-/Reaktionszelle der ICP-QMS an Gips-Proben unterschiedlicher Herkunft durchgeführt werden. Die Herkunftsbestimmung von Lebensmitteln ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der Isotopenverhältnisanalyse radiogener Sr Isotope. Allerdings erfordert diese Bestimmung eine komplexe Probenvorbereitung mittels fraktionierter Ionenaustauschchromatographie zur Vermeidung von isobaren Interferenzen durch Rb-Abtrennung. Im Rahmen dieser Dissertation wurde daher eine Probenvorbereitung auf Basis der klassischen SrCO3 Fällung entwickelt, die bei verschiedenen Mineralwasser und Weinproben eine, verglichen mit dem bisherigen Verfahren, um den Faktor 2 bis 5 höhere Abtrennrate erzielte. In Kombination mit der CGM konnten Mineralwasser- und Weinproben anhand ihres Sr-Isotopenverhältnisses bezüglich Herkunft und Sorte charakterisiert werden. Das entwickelte kosteneffiziente und sehr effektive Probenvorbeitungsverfahren führt ebenfalls zu einer maßgeblichen Steigerung der Bedeutung der Isotopenverhältnisbestimmung, mittels der weitverbreiteten und in der Routineanalytik etablierten ICP-QMS. Zuletzt wurde eine simple und effektive Modifikation der CGM durch Nutzung einer Kontinuierlichen-Fluss-Apparatur (CFA) entwickelt, um die kontinuierliche Änderung einer definierten Start-Konzentration einer Probe zu ermöglichen. Ziel dieser Anpassung ist eine Reduktion der benötigten Probenmenge und die Maximierung der Kosteneffizienz, durch Minimierung der benötigten Probenvorbereitungsschritte. Zusätzlich führt dies zu einer Vermeidung von Fehlern und Kontaminationen durch die Reduktion von Pipettierschritten. Das kontinuierliche Verdünnungsverfahren ergab, im Bezug zur vorher beschriebenen diskontinuierlichen CGM, um den Faktor 3 präzisere Bestimmungen der Isotopenverhältnisse von Standard-Referenz-Lösungen, durch Vermeidung von Plasma-Störungen durch Luftblasen. Das schlechtere S/N bei Interferenz-Experimenten zeigte lediglich einen Einfluss auf die Präzision, jedoch wurde die Richtigkeit nicht beeinflusst (99,8 % WFR). Zusammengefasst ist der Ansatz der kontinuierlichen Verdünnung eine einfache und leistungsfähige Modifikation der hier entwickelten CGM.

Teilen und Zitieren

Zitierform:

Dronov, Michail: Concentration-Gradient-Method for improvement of precision and accuracy of isotope ratio analysis using quadrupole based inductively coupled plasma-mass spectrometry. 2018.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export