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F O R S C H U N G
Zeitauflösung (Jahresschichten) der detektierten Spurenelemente in
einer Eisprobe. Daneben ist eine auftretende Prob e n v e r s c h m u t z u n g
durch Kontakt mit unterschiedlichen Flüssigkeiten, Gefäßen und Verfahrensvorrichtungen
nicht auszuschließen.
Bisher mussten für eine Analyse etwa fünf Gramm Eis geschmolzen
werden. Mit einem von uns neu entwickelten Eisanalyse-Verfahren
(LA-ICP-MS = Laserablation induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie)
können geringste Elementgehalte (Ultraspurenbereich)
in Eisbohrkernproben mit einer bisher nicht erreichten räumlichen
und damit zeitlichen Auflösung gemessen werden. Auch in
tiefen Eisschichten werden nur 1,5 mg gefrorene Probe benötigt, dies
entspricht einer räumlichen Auflösung von ca. 150 µm.
GRUNDLAGEN
Die LA-ICP-MS ist eine vielseitig einsetzbare Methode für die A n a l y s e
von Feststoffen aus den unterschiedlichsten Bereichen, wie
z.B. geologische, archäologische und biologische Proben. Die
Vorteile der LA-ICP-MS gegenüber der Lösungsanalytik liegen
in der erreichbaren räumlichen Auflösung und der reduzierten
Kontaminationsgefahr sowie dem Wegfall einer Probenvorbereitung,
wie sie für die Analyse vieler Probenlösungen notwendig
ist, z.B. ein oxidativer Vollaufschluss. Einen Übersichtsartikel
über die Feststoffanalyse mit LA-ICP-MS liefern Günther et al.
(1999). Hoffmann et al. (1994) beschreiben die Untersuchung
von Eichen, deren Jahresringe Informationen über verschiedene
saisonale Wachstumsphasen und veränderte Umweltbedingungen
enthalten.
EXPERIMENTELLES
Bei dem von uns entwickelten Analyseverfahren (Reinhardt et
al. 2001) wird ein Laserablationssystem (Abb. 3) in Kombination
mit einem Quadrupol-ICP-MS ELAN 6000 (PE-Sciex) oder einem
Time-of Flight-ICP-MS (Analytik Jena) eingesetzt. Die Wellenlänge
des Laserlichts, wie es mit einem Nd-YAG Laser (Indi 10-
Spectra Physics) erzeugt wird, liegt im infraroten Bereich (1064
nm). Dort wird ein um 2-3 Größenordnungen höherer Absorptionskoeffizient
gegenüber den UV-Wellenlängen, wie sie vielfach
für die Analysen geologischer und biologischer Proben eingesetzt
wird, erreicht (Abb. 2).
Abbildung 2: Absorptionskoeffizienten verschiedener Wellenlängen in Eis.
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BUNSEN-MAGAZIN · 7. JAHRGANG · 6/2005
Zur Untersuchung der entlang der Kernachse geschnittenen
und anschließend dekontaminierten gefrorenen Eisbohrkernstücke
(Abb. 3), die eine Länge von bis zu 10 cm und eine Breite
von 5 cm haben können, wird eine von uns entwickelte und
patentierte, auf -45°C kühlbare Probenkammer (Abb. 4) eingesetzt
(Kriews et al. 2001). Abbildung 5 zeigt ein Foto der
Laserablationseinheit zusammen mit der neu entwickelten
Kryo-Probenkammer (Cryolac TM ).
Das Bearbeiten der Eisproben erfolgt in einem Kaltlabor bei
-25°C unter einer Reinraumwerkbank mit speziellen Werkzeugen,
die die Probe nicht kontaminieren. Die nachfolgenden Analysen
werden in einem Reinraumlabor durchgeführt, um keine Verunreinigungen
aus der Umgebungsluft in die Proben einzutragen.
Abbildung 3: Ein Eiskern wird dem Kernrohr nach der Bohrung entnommen.
Der Durchmesser des Kerns ist ca. 10 cm und hat eine Länge
von ca. 1-2 m.
Abbildung 4: Experimenteller Aufbau zur Untersuchung von Spurenelementen
in Eisproben mit der Laserablations-ICP-MS. In der Kryo-
Probekammer bleibt der feste Aggregatzustand des Eises während
der Analyse erhalten.
Unter den optimierten Bedingungen für den Laser wurde ein
Materialabtrag von 28µg/Puls ermittelt. Die Kalibration erfolgte
nach einem speziellen Präparationsweg mittels eingefrorener,
kommerziell erhältlicher Multielementlösungen. Durch dieses
spezielle Verfahren (Reinhardt 2002) gelang es bei 6-fach Wiederholmessungen
relative Standardabweichungen im Bereich von
3-6% zu erreichen. Es wurden umfangreiche Kalibrationsstudien