Ansprechpartner

Prof. Dr. Jens Gutzmer (PhD ZA)
Direktor

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PD Dr. Simone Raatz
Administrative Leiterin

Sekretariat: Louise Schulze
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Vorschau-Bild

Spurenelemente

Detection limits of the PSI/ETH Super-SIMS setup ©Maden, 2003

Erzielte Nachweisgrenzen am Super-SIMS Aufbau an der ETH Zürich, Daten C. Maden, 2003. Eine modifizierte ATOMIKA CS 431 erzeugt einen primären Cs-Strahl mit einer guten Ortsauflösung; der sekundäre Ionenstrahl wird dann in einen 6 MV Tandembeschleuniger geleitet. Die Graphik zeigt sehr eindrucksvoll das Potential der Kombination einer SIMS mit einem Tandembeschleuniger.

Super-SIMS (SIMS = Sekundärionen-Massenspektrometrie) ist eine ultrasensitive analytische Methode für die Bestimmung von stabilen Elementen im Ultraspurenbereich. Dafür wird eine dynamische SIMS mit einer existierenden AMS-Anlage (DREAMS) gekoppelt. Diese Kombination unterdrückt molekularen isobaren Untergrund, während gleichzeitig die Ortsauflösung der SIMS weiter genutzt werden kann.

AMS bestimmt das Verhältnis eines Radionuklides zu einem stabilen Nuklid, während Super-SIMS die Verhältnisse stabiler Isotope messen wird. Dies ist jedoch eine besondere Herausforderung im Ultraspurenbereich, da stabile Isotope in der Natur überall vorkommen wie es bereits von Ida Noddak, 1936, gezeigt wurde.

Jede Matrix wie auch jedes Element ist einen Einzelfall. Die Graphik auf der rechten Seite zeigt als Beispiel die Nachweisgrenzen in einer Siliziummatrix aus der Doktorarbeit von Colin Maden (C. Maden, PhD thesis, ETH Zurich, 2003).

Anwendungen

WEEE-man weighing 3.3 t ©Eden Project

Der WEEE-Mensch mit einem Gewicht von 3.3 t steht stellvertretend für die Menge an WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipment; Elektro- und Elektronikgeräte-Abfall) die jeder Mensch auf der Erde während seiner Lebenszeit erzeugt.

Metallurgie strategischer Metalle in WEEE. Elektro- und Elektronikgeräte-Abfall (Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE)) enthält inhomogen verteilte kritische Metalle in geringen Konzentrationen. Für eine energieeffiziente Rückgewinnung dieser Materialien, müssen die metallurgischen Prozesse, im Besonderen die Massenbilanz, grundsätzlich verstanden werden. Die Erforschung der ortsaufgelösten Elementverteilungen zwischen Schlacke und metallischen Phasen, teils bis in den Ultraspurenelementbereich, ist ein wichtiger zukünftiger Anwendungsbereich von Super-SIMS.

Herkunftsbestimmung von kritischen Rohstoffen durch chemische Fingerabdrücke. In den letzten Jahren fordern viele nationale wie internationale Vorschriften zertifizierte Nachweise über die Lieferkette eines Produktes. Das Muster von Elementen (oder Isotopen) kann dabei einen eindeutigen Fingerabdruck liefern. Mittels Super-SIMS könnte die Analyse von kritischen Rohstoffen sowie Zwischenprodukten erfolgen. Damit könnte diese Methode in Spezialfällen zur Zertifizierung von Lieferketten dienen. Siehe z. B. das europäische Gesetz Regulation (EU) 2017/821 of the European Parliament and of the Council of 17 May 2017

Geochemistry Barberton Greenstone Belt, South Africa ©Altigani et al. 2016

Geochemische Beziehungen der Hg/I- wie auch Br/Cl- Werte in natürlichem Gold und Pyrit aus dem Barberton Greenstone Belt, Südafrika (aus Altigani et al. 2016)

Fluidchemie – Spiegel der Entstehung von Erzlagerstätten. Fossile hydrothermale erzbildende Lösungen können nicht direkt beprobt werden. Über die Analyse der Halogene (Ultraspurenelementniveau (≤0.01 µg/g) in Mineralen, die mit den Lösungen im Gleichgewicht standen, würde die Rekonstruktion der Prozesse der Entstehung von Erzlagerstätten ermöglicht.

Technical Details

Technische Merkmale

  • SIMS-Quelle (Cameca IMS 7fauto) in Verbindung mit einem 6-MV-Tandembeschleuniger
  • 2 bis 3 Größenordnungen niedrigere Nachweisgrenzen (bis zu 10 ppt oder 0,00001 μg/g, stark abhängig vom Analyt und Matrix wie bei herkömmlicher SIMS)

Zukünftige Anwendungen

  • Für Ultraspurenelemente in Mineralen zur geochemische Erkundung tief liegender Erzvorkommen
  • Provenienzanalyse und Forensik

Probenanforderungen

  • Extrem gut polierte und flache Proben mit einem maximalen Durchmesser von 25.4 mm (1 inch)

Einschränkungen

  • Nur feste und im vakuumstabile Proben
  • Destruktiv
  • Standard-/Referenzmaterial notwendig
 
Super-SIMS Haus ©Oliver Killig

Super-SIMS Haus ©Oliver Killig


Nutzer Informationen

siehe hier

Projekte und Kollaborationen
 
  • Michael Wiedenbeck (Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam, Germany), Super-SIMS for specific geological applications
  • Axel D. Renno, Reference materials with HIF
  • Daniel Hiller (TU Dresden), C, N, O in float-zone silicon wafers
  • Pavol Noga (Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Materials Science and Technology in Trnava, Advanced Technologies Research Institute, Trnava, Slovakia) Simulations of Super-SIMS injection to the accelerator system
  • Dominik Koll and the ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics, "Super-SIMS to characterize ultra-low 40K concentrations in NaI crystals"
Literatur

Grundlagen

 
  • Matteson S. (2008) Issues and opportunities in accelerator mass spectrometry for stable isotopes. Mass Spectrom Rev. 27(5):470-84. https://doi.org/10.1002/mas.20174. PMID: 18553556.
  • von Wartburg E.J., Messung von Isotopenverhältnissen stabiler Spurenelemente mit Beschleuniger-Sekundärionen-Massenspektrometrie, Dissertation, ETH Zürich (2007).
  • Groopman, Evan E., Grabowski, Kenneth S., Fahey, Albert J., Kööp, Levkeet (2017) Rapid, molecule-free, in situ rare earth element abundances by SIMS-SSAMS, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 32 (2017) 2153-2163. https://doi.org/10.1039/C7JA00294G

Eigene Publikatinonen (siehe auch hier)

 
  • Rugel, G., Ziegenrücker, R., Lachner, J., Vivo Vilches, C., Renno, A., Wallner, A., Wiedenbeck, M. (2021) Super-SIMS @ DREAMS: status of a challenging initiative The 15th International Conference on Accelerator Mass Spectrometry (AMS-15), 15.-19.11.2021, Sydney, Australia
  • Renno, A.D., Akhmadaliev, S., Belokonov, G., Böttger, R., Borany, J., Kaever, P., Meyer, M., Noga, P., Rugel, G., Tiessen, C.J., Wagner, N., Wiedenbeck, M., Wu, H., Ziegenrücker, R. (2019) Halogen analysis at the ultratrace level – first applications of the Dresden Super-SIMS GOLDSCHMIDT 2019, 18.-23.08.2019, Barcelona, Spanien
  • Rugel, G., Renno, A.D., Akhmadaliev, S., Belokonov, G., Böttger, R., von Borany, J., Gutzmer, J., Kaever, P., Meyer, M., Noga, P., Tiessen, C.J., Voigtländer, J., Wagner, N., Wiedenbeck, M., Winter, A., Wu, H., Ziegenrücker, R. (2018) Super-SIMS at HZDR - first steps. Deutsche Tagung für Forschung mit Synchrotronstrahlung, Neutronen und Ionenstrahlen an Großgeräten (SNI2018), 17.-19.09.2018, München, Deutschland