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Isotope analysis is a tool for material research. For example, it may provide information about the provenance of a sample or changes in dynamic systems. Here is presented optical spectroscopy as an analytical alternative to mass spectrometry for isotope quantification based on the isotopic shift of atoms and diatomic molecules.
Calcium isotope analysis can be an important tool for paleoclimate studies of the carbon cycle, as well in carbon capture technology, but its utility is limited by challenges using conventional mass spectrometry. We propose a new fast, precise, and high-throughput technology based on multiple complementary high-resolution spectroscopies analyzed by machine-learning.
Wie lässt sich die Herkunft von Rohstoffen, Lebensmitteln oder Umweltschadstoffen einfacher, schneller und kostengünstiger als mit bisherigen Methoden bestimmen?
Die Dissertation zeigt auf, dass man das grundlegende physikalische Prinzip einer Isotopverschiebung mit in Adlershof entwickelten Optik-Instrumenten für die Herkunftsbestimmung nutzen kann. Die entwickelte Methode ermöglicht es in Zukunft den Ursprung von Rohstoffen, Lebensmitteln oder Umweltschadstoffen kostengünstiger und wesentlich schneller bestimmen, als dies mit bisherigen Methoden möglich ist.
Kann man das grundlegende physikalische Prinzip einer Isotopieverschiebung mit einem Optik-Instrument für die Herkunftsbestimmung nutzen? Carlos Abad hat eine wegweisende Methode entwickelt, die es in Zukunft ermöglicht den Ursprung von Rohstoffen, Lebensmitteln oder Umweltschadstoffen kostengünstiger und wesentlich schneller bestimmen, als dies mit bisherigen Techniken möglich ist.
Currently, two main high speed processes can be investigated: electromagnetic absorption and electromagnetic scattering. At the summer university of the School of Analytical Sciences Adlershof (SALSA-HU), a series of 5 articles were presented to ilustrate the potential of ultrafast spectroscopy, from IR band assignment to monitoring time resolved structural changes. First, by studying light absorption is possible to do assignment and interpretation of IR bands in small molecules and to study the influence of ligands or labeled molecules in protein structures. Second, by studying light scattering is possible to monitoring photoinduced structural changes in solid materials.
This presentation contains a study of photoinduced structural changes monitored by light scattering in condensed matter.
Advances and Applications of Molecular Absorption Spectrometry: from Non-Metals to Isotope Analysis
(2020)
The present work covers two main aspects of high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS), an analytical technique for elemental trace analysis.
First, a comprehensive mechanistic study of molecule formation in graphite furnaces is presented, which is a key step into the recovery of analytical signals. For this, the molecule formation of CaF was studied, which is used for the indirect analytical determination of fluorine in HR-CS-GFMAS. A zirconium coating catalyzes the CaF formation, and its structure was investigated. The kinetics of this reaction was established by monitoring its molecular spectrum at different atomisation temperatures. An Arrhenius plot showed a pseudo-first order reaction with respect to fluorine (n = 1). An intermediate state was isolated, and its structure was elucidated by spectroscopic methods: scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS), and Raman microspectroscopy. Here a mechanism is proposed, where ZrO2 works as a heterogeneous catalyst: after a pyrolytic step, an intermediate state of ZrO(OCaF) is activated, and at higher temperatures, CaF(g) is released from the zirconium-coated graphite surface.
Second, analytical methods were developed by using HR-CS-MAS as detector for non-metals and isotope analysis. Therefore, the determination of organic absorbable chlorine in water, the quantification of fluorine in consume care products with declared perfluorinated ingredients, and the determination of sulfur content in crude oils were investigated. Finally, the high resolution of the instrumentation allows to measure isotopic shifts with high precision in some observed molecular spectra. Consequently, the molecular spectra of enriched isotopes of boron and magnesium were investigated, establishing so the potential of HR-CS-MAS for the accurate and precise determination of isotopic amount ratios.
High-Resolution Continuum Source Molecular Absorption Spectrometry (HR-CS-MAS) with graphite furnace atomizers has been successfully used for the analytical determination of non-metals. The use of permanent modifiers (or coatings) for molecule formation is necessary, but their mechanisms of action remain unclear. In order to understand and improve the current analytical methods, we present a comprehensive mechanistic study of molecule formation in graphite furnaces: a key step into the recovery of analytical signals. Therefore, a well-known system for fluorine determination was studied: the molecule formation of CaF, with Zr as permanent modifier. Through a kinetic approach, an Arrhenius plot showed a pseudo first order reaction respect to F-. By spectroscopic methods (XPS, XAS, EDX) it was possible to elucidate an intermediate state. Here a mechanism is proposed, where ZrO2 works as heterogeneous catalyst: after a pyrolytic step, it is activated to the intermediate state of ZrO(OCaF) and at higher temperatures, CaF(g) is released from the zirconium-coated graphite surface. With this analytical information, improved surface modifications and coatings for graphite furnaces can be designed and some of them, for example with Zr nanoparticle and Zr xerogels are here presented.
Der Bunsen-Kirchhoff-Preis 2022 wurde am 23.06.2022 anlässlich der analytica conference in München an Dr. Carlos Abad verliehen - in Anerkennung seiner exzellenten Entwicklungen im Bereich der continuum source atomic absorption spectrometry (CS-AAS).
Dr. Carlos Abad ist ein herausragender Experte auf dem Gebiet der Atom- und molekularen Absorptionsspektrometrie. insbesondere trug er maßgeblich zur substanziellen Weiterentwicklung von Echelle-Spektrometern für die CS-AAS bei. So gelang es, einen quantitativen Zugang zu Elementen wie Bor, Chlor, Fluor und Schwefel, mittels AAS zu erreichen. Erstmals demonstriert Dr. Carlos Abad am Beispiel eines Zr-Modifier, dass durch die Zeitauflösung der eingesetzten Echelle-Systeme mechanistische Untersuchungen zur Wirkung des Modifiers im Graphitrohrofen möglich sind.
Besonders hervorzuheben sind seine Arbeiten zum Einsatz der CS-AAS für die Analyse von Isotopen, die eine Genauigkeit aufweist, welche an die der Multikollektor-induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (MC-ICP-MS) heranreicht. Damit ergeben sich völlig neue Einsatzmöglichkeiten für technologisch hochrelevante Applikationen, wie z.B. die Untersuchung der Alterung von Lithium-Batterien oder die Lithium-Analyse in Blutserum.
Is it a parmesan cheese from Italy? Who painted the Mona Lisa? The determination of the place of origin is essential for consumer protection, detection of falsifications, and also to bring justice.
All the tangible possess an isotopic fingerprint. However, current technologies are too expensive. We work on the development of fast and low-cost optical instruments and methods for isotope analysis.
Isotope analysis can be used to determine the age and provenance of geological samples. Modern techniques in optical spectrometry allow us a stand-off isotope analysis. This seminar will discuss how planetary science with the next Moon and Mars missions drive optical spectrometry into precise and accurate isotope analysis and how BAM will contribute.