GFZ German research centre for geo sciences

Neptune Multicollector ICP Mass Spectrometer

The main application of the mass spectrometer is the analysis of stable isotope ratios in a wide range of materials.

What we measure
The main application of the mass spectrometer is the analysis of stable isotope ratios in a wide range of materials. We focus on stable metal(loid) isotope analysis of Li, Mg, Si, Fe, and Sr isotopes, but are – in principle – capable of measuring other systems. Alternatively to solution MC-ICP-MS, a femtosecond laser ablation system can be coupled to the MC-ICP-MS for in-situ micro scale isotope ratio analysis of solid samples.

Principles of MC-ICP-MS and sample preparation
Inductively Coupled Plasma Multicollector Mass Spectrometry (MC-ICP-MS) is a versatile method for high precision isotopic analyses. A sample aerosol is introduced into the inductively coupled plasma (ICP), were all elements are atomised and ionised. The plasma consisting of ions, electrons and neutral particles and is formed from Argon gas in a high energy radio frequency field. This “hot” ion source (> 6000 °C) of the mass spectrometer allows ionisation and subsequent analyses of almost all elements in the periodic table – except gases, as the plasma is operated in ambient atmosphere. A variety of sample introduction systems is available, e.g. solution aspiration into a spraychamber or direct analysis of solids by laser ablation.

The Thermo Neptune is a high-resolution multicollector inductively-coupled plasma mass spectrometer capable of resolving isobaric interferences. Our MC-ICP-MS has a NeptunePlus upgrade, consisting of a large interface pump (Pfeiffer OnToolBooster) and a Jet-cone interface for increased sensitivity. The instrument is equipped with nine Faraday cup detectors (eight are moveable), an axial discrete dynode secondary electron multiplier (SEM) with RPQ, and two miniaturised SEMs (CDD at H4 and L4) for high abundance-sensitivity measurements.

The multicollector array comprises nine Faraday, a central SEM, and two CDD detectors (CDD: Compact Discrete Dynode Multiplier). This multiple-ion counting system allow simultaneous detection of several isotopes to achieve high precision isotope ratio measurements. For liquid sample introduction into the mass spectrometer a double Scott/Cyclon spray chamber (made of quartz glass or PFA), and an ESI Apex + Spiro membrane desolvator is available. For solid sampling a UV femtosecond laser ablation system can be coupled with to the Neptune. Our MC-ICP-MS is currently used for isotope measurements of Li, Mg, Si, Fe, and Sr (stable and radiogenic).

A metal free clean lab with filtered air laminar flow workstations is available for preparation of liquid and solid samples (e.g., acid dissolution). Here, low concentration samples can be prepared for analysis avoiding contamination. Before isotope ratio analysis by MC-ICP-MS, the element of interest is separated from other matrix elements by ion chromatography columns.

Access to the lab
Nearly all work conducted in the GFZ HELGES lab falls into one of two categories:
1) approved collaborative projects that will lead to publications in international scientific journals, and
2) research projects within the GFZ Earth Surface Geochemistry group, including development and improvement of analytical methods.

All scientists wishing to use our facility or request sample analyses must submit an analysis application form. Because our laboratory space and staff capacities are limited, we need to evaluate your application in an internal review process, and therefore kindly ask you to fill the application form and provide us with further information about the project, samples and analyses. Please send the application form to the indicated lab contact person. We will evaluate your application and make a decision.
Please note that we are specialized in the above mentioned isotope systems and we are not a geochronology laboratory.

Application form and terms of conditions:
Application for Isotope Ratio
Application for Cosmogenic Nuclide
Terms of conditions

Grundlagen des MC-ICP-MS und Probenvorbereitung

Multikollektor-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (MC-ICP-MS) ist eine vielseitige analytische Methode für hochpräzise Isotopenverhältnis-Messungen. Eine Probe wird als Aerosol in das induktiv gekoppelte Plasma (ICP) eingebracht und die Elemente werden dort ionisiert. Das aus Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen bestehende Plasma wird durch Argon-Gas gespeist und in einem Hochenergie-Hochfrequenzfeld erzeugt. Diese „heiße“ Ionenquelle (> 6000 °C) des Massenspektrometers erlaubt die Ionisation und Analyse von fast allen Elementen im Periodensystem - mit Ausnahme von Gasen, da das Plasma in Umgebungsatmosphäre betrieben wird. Es gibt eine Vielzahl von Probeneinführungssystemen, welche die Analyse von Lösungen erlauben oder auch die direkte Analyse von Festkörpern mit Laserablation.

Das "Thermo Neptune" ist ein hochauflösendes ICP-Massenspektrometer zur Abtrennung von isobaren Interferenzen. Unser MC-ICP-MS hat ein NeptunePlus-Upgrade, bestehend aus einer großen Interfacepumpe (Pfeiffer OnToolBooster) und einem Jet-Cone-Interface für erhöhte Empfindlichkeit. Das Gerät ist mit neun Faraday-Detektoren (acht bewegbar), einem axialen diskreten Dynoden-Sekundärelektronenvervielfacher (SEM) mit RPQ und zwei miniaturisieren SEMs (CDD an H4 und L4) für hochempfindliche Messungen ausgestattet.

Das Multikollektorsystem besteht aus neun Faraday-, einem zentralen SEM und zwei CDD-Detektoren (Compact Discrete Dynode Multiplier). Dies erlaubt simultane Analyse von mehreren Isotopen für höchste Präzision der Isotopenverhältnis-Messungen. Für die flüssige Probeneinführung in das Massenspektrometer steht eine Scott/Cyclon-Sprühkammer aus Quarzglas oder PFA und ein ESI Apex + Spiro-Membran-Desolvator zur Verfügung. Für Festproben kann ein UV-Femtosekunden-Laserablationssystem mit dem Neptune gekoppelt werden. Unser MC-ICP-MS wird derzeit für Isotopenmessungen von Li, Mg, Si, Fe und Sr (stabil und radiogen) verwendet.

Für die Vorbereitung von Proben mit geringen Konzentrationen steht ein metallfreies Reinraumlabor zur Verfügung. Die Vorbereitung von flüssigen und festen Proben (z.B. durch Säureaufschluss) erfolgt in Arbeitsräumen mit gefilterter Luft (laminar flow workstations). Dort können kleinste Probenmengen kontaminationsfrei für die Messungen vorbereitet werden. Vor der Isotopenverhältnis-Analyse am MC-ICP-MS werden die verschiedenen Elemente der Probe durch Ionenchromatographiesäulen voneinander getrennt.

 

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