Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Exploring the applications of a pulsating jet hydrodynamic modulated voltammetric (HMV) system - electrochemistry of nanostructured Pt electrodes and trace analysis

The electrochemistry of nanostructured electrodes is investigated using hydrodynamic modulated voltammetry (HMV). Here a liquid crystal templating process is used to produce a platinum modified electrode with a relatively high surface area (Roughness factor, Rf = 42.4). The electroreduction of molecular oxygen at a nanostructured platinum surface is used to demonstrate the ability of HMV to discriminate between Faradaic and non-Faradaic electrode reactions. The HMV approach shows that the reduction of molecular oxygen shows considerable hysteresis correlating with the formation and stripping of oxide species at the platinum surface. Without the HMV analysis it is difficult to discern the same detail under the conditions employed. In addition the detection limit of the apparatus is explored and shown, under ideal conditions, to be of the order of 45 nmol dm(-3) employing [Fe(CN)(6)](4-) as a test species. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Groundwater dating with Atom Trap Trace Analysis of 39Ar

We report on the realization of Atom Trap Trace Analysis for39Ar and its first application to dating of groundwater samples. The presented system achieves an atmospheric39Ar count rate as high as 3.58 ± 0.10 atoms/h allowing for the determination of the39Ar concentration in less than a day. We demonstrate that the measured count rates are proportional to the39Ar concentration by intercomparison with Low-Level Counting results and by measurements on prepared argon samples with defined concentration. For a geophysical application, we degas three different groundwater samples and gas chromatographically extract the argon. The39Ar ages inferred from the count rates extend over the accessible dating range and are in agreement with the Low-Level Counting results as well as with complementary isotope data.

Accuracy in trace analysis : sampling, sample handling, analysis : proceedings of the 7th Materials Research Symposium held at the National Bureau of Standards, Gaithersburg, Md., October 7-11, 1974 /

Includes bibliographical references.

Provenance of long-travelled dust determined with ultra-trace-element composition: A pilot study with samples from New Zealand glaciers

We report high-precision inductively coupled plasma mass spectrometric (ICP-MS) compositional data for 39 trace elements in a variety of dust deposits, trapped sediments and surface samples from New Zealand and Australia. Dusts collected from the surface of alpine glaciers in the Southern Alps, New Zealand, believed to have undergone long-distance atmospheric transport from Australia, are recognizable on account of their overabundances of Pb and Cu with respect to typical upper crustal values. Long-travelled dust from Australia therefore scavenges these and other metals (e.g. Zn, Sb and Cd) from the atmosphere during transport and deposition. Hence, due to anthropogenic pollution, long-travelled Australian dusts can be recognized by elevated metal contents. The relative abundance of 25 other elements that are not affected by atmospheric pollution, mineral sorting (Zr and Hf) and weathering/solubility (alkali and earth alkali elements) reflects the geochemistry of the dust source sediment. As a result, we are able to establish the provenance of dust using ultra-trace-element chemistry at regional scale. Comparison of long-travelled dust chemistry with potential Australian sources shows that fits of variable quality are obtained. We propose that the best fitting potential source chemistry most likely represents the major dust source area. A binary mixing model is used to demonstrate that admixture of small quantities of local dust provides an even better fitting dust chemistry for the long-travelled dusts. Copyright (c) 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Dual layer solid phase extraction based on molecular imprinting technology: Seeking a route to enhance selectivity for trace analysis of pesticide residues in olive oil.

Aiming to introduce a multiresidue analysis for the trace detection of pesticide residues belonging to organophosphorus and triazine classes from olive oil samples, a new sample preparation methodology comprising the use of a dual layer of “tailor-made” molecularly imprinted polymers (MIPs) SPE for the simultaneous extraction of both pesticides in a single procedure has been attempted. This work has focused on the implementation of a dual MIP-layer SPE procedure (DL-MISPE) encompassing the use of two MIP layers as specific sorbents. In order to achieve higher recovery rates, the amount of MIP layers has been optimized as well as the influence of MIP packaging order. The optimized DL-MISPE approach has been used in the preconcentration of spiked organic olive oil samples with concentrations of dimethoate and terbuthylazine similar to the maximum residue limits and further quantification by HPLC. High recovery rates for dimethoate (95%) and terbuthylazine (94%) have been achieved with good accuracy and precision. Overall, this work constitutes the first attempt on the development of a dual pesticide residue methodology for the trace analysis of pesticide residues based on molecular imprinting technology. Thus, DL-MISPE constitutes a reliable, robust, and sensitive sample preparation methodology that enables preconcentration of the target pesticides in complex olive oil samples, even at levels similar to the maximum residue limits enforced by the legislation.

Reliability of graphite furnace atomic absorption spectrometry as alternative method for trace analysis of arsenic in natural medicinal products

Purpose: To evaluate the comparative efficiency of graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS) and hydride generation atomic absorption spectrometry (HGAAS) for trace analysis of arsenic (As) in natural herbal products (NHPs). Method: Arsenic analysis in natural herbal products and standard reference material was conducted using atomic absorption spectrometry (AAS), namely, hydride generation AAS (HGAAS) and graphite furnace (GFAAS). The samples were digested with HNO3–H2O2 in a ratio of 4:1 using microwaveassisted acid digestion. The methods were validated with the aid of the standard reference material 1515 Apple Leaves (SRM) from NIST Results: Mean recovery of three different samples of NHPs, using HGAAS and GFAAS, ranged from 89.3 - 91.4 %, and 91.7 - 93.0 %, respectively. The difference between the two methods was insignificant. A (P= 0.5), B (P=0.4) and C (P=0.88) Relative standard deviation (RSD) RSD, i.e., precision was 2.5 - 6.5 % and 2.3 - 6.7 % using HGAAS and GFAAS techniques, respectively. Recovery of arsenic in SRM was 98 and 102 % by GFAAS and HGAAS, respectively. Conclusion: GFAAS demonstrates acceptable levels of precision and accuracy. Both techniques possess comparable accuracy and repeatability. Thus, the two methods are recommended as an alternative approach for trace analysis of arsenic in natural herbal products.

Raman spectroscopy techniques for detection of energetic materials at high and low concentration

This thesis presents the development of a rapid, sensitive and reproducible spectroscopic method for the detection of TNT in forensic and environmental applications. Simple nano sensors prepared by cost effective methods were utilized as sensitive platforms for the detection of TNT by surface enhanced Raman spectroscopy. The optimization of the substrate and the careful selection of a suitable recognition molecule contributed to the significant improvements of sensitive and selective targeting over current detection methods. The work presented in this thesis paves the way for effective detection and monitoring of explosives residues in law enforcement and environmental health applications.

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Spektroskopie und Ultraspurenanalyse von Plutonium mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) ist sowohl für spektroskopische Untersuchungen seltener Isotope als auch für den Ultraspurennachweis langlebiger radioaktiver Elemente einsetzbar. Durch die mehrstufige resonante Anregung atomarer Energieniveaus mit anschließender Ionisation mit Laserlicht wird eine sehr hohe Elementselektivität und Ionisationseffizienz erreicht. Der nachfolgende massenselektive Ionennachweis liefert eine gute Isotopenselektivität zusammen mit einer effektiven Untergrundunterdrückung. Ein wichtiger Bestandteil der RIMS-Apparatur ist ein zuverlässig arbeitendes, leistungsstarkes Lasersystem für die Resonanzionisation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein von einem hochrepetierenden Nd:YAG-Laser gepumptes, aus drei Titan-Saphir-Lasern bestehendes System fertig aufgebaut und in den Routinebetrieb überführt. Die Titan-Saphir-Laser liefern im Durchstimmbereich von 730 - 880 nm eine mittlere Leistung von bis zu 3 W pro Laser bei einer Linienbreite von 2 - 3 GHz. Sie lassen sich computergesteuert in ihren Wellenlängen durchstimmen. Die mittels Resonanzionisation erzeugten Ionen werden dann in einem Flugzeit-Massenspektrometer entsprechend ihrer Masse aufgetrennt und mit einem Kanalplattendetektor nachgewiesen.Als Voraussetzung für die isotopenselektive Ultraspurenanalyse von Plutonium wurden mit diesem Lasersystem die Isotopieverschiebungen eines effizienten, dreistufigen Anregungsschema für Plutonium bestimmt. Die Laserleistungen reichen zur vielfachen Sättigung der ersten beiden Anregungsschritte und zur zweifachen Sättigung des dritten Anregungsschritts aus.Außerdem wurden die Ionisationsenergien von Pu-239 und Pu-244 zur Untersuchung ihrer Isotopenabhängigkeit bestimmt. Die beiden Ionisationsenergien sind im Rahmen der erreichten Genauigkeit bei einem Meßwert von IP239-IP244 = 0,24(82) cm^-1 gleich.Die Nachweiseffizienz der RIMS-Apparatur für Plutonium wurde in Effizienzmessungen zu 10^-5 bestimmt. Durch die gute Untergrundunterdrückung ergab sich daraus eine Nachweisgrenze von 10^6 Atomen bei der Messung eines Plutoniumisotops. Die Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Proben mit einer zertifizierten Isotopenzusammensetzung lieferte eine gute Übereinstimmung der Meßwerte mit den angegebenen Zusammensetzungen.Die RIMS-Apparatur wurde zur Bestimmung des Gehalts und der Isotopenzusammensetzung von Plutonium in Meerwasser- und Staubproben eingesetzt.Auf Grund der Isotopenzusammensetzung konnte gezeigt werden, daß das Plutonium bei den meisten Proben aus dem Fallout von oberirdischen Kernwaffentests stammte. Des weiteren wurde Plutonium in Urinproben bestimmt. Die Nachweisgrenzen lagen bei diesen Umweltproben bei 10^6 bis 10^7 Atomen Plutonium und damit um zwei Größenordnungen niedriger als die Nachweisgrenze für Pu-239 bei der alpha-Spektroskopie, der Standardmethode für den Plutoniumnachweis.

Resonanzionisation zum Nachweis und zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen

Die resonante Laserionisation hat sich als ein universales Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen etabliert, die eine selektive Ionisation bei hoher Effizienz erfordern. Hierzu wurden zwei Lasersysteme mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Schwerpunkten entwickelt und in dieser Arbeit angewendet. Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung der hochauflösenden Resonanzionisations-Massenspektrometrie zum Ultraspurennachweis von 41Ca vorgestellt. Hierzu wurden drei kontinuierliche Diodenlaser mit einem Quadrupolmassenspektrometer kombiniert. Bei einer Nachweiseffizienz von 1 × 10^−5 konnte eine Nachweisgrenze von 2 × 10^-13 41Ca/totCa erreicht werden. Das in den Routinebetrieb überführte Meßverfahren ermöglichte die Teilnahme an einem interdisziplinären Netzwerk zur Osteoporose-Forschung. In Vergleichsmessungen der Resonanzionisations-Massenspektrometrie mit allen derzeit existierenden Meßverfahren zum 41Ca-Ultraspurennachweis konnte eine sehr gute Übereinstimmung erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Adaption eines durchstimmbaren, hochrepetierenden Titan:Saphir-Lasersystem für den Einsatz an Laserionenquellen zur selektiven Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen. Das entwickelte Lasersystem ermöglicht eine effiziente, resonante Anregung des Großteils der Elemente im Periodensystem. Hierzu wurde eine kombinierte Frequenzverdopplungs- und Frequenzverdreifachungseinheit zur Erzeugung höherer Harmonischer aufgebaut. Die Anwendbarkeit eines solchen reinen Festkörper-Lasersystems wurde in zahlreichen off-line Testmessungen sowohl in Mainz als auch an den ISOL Einrichtungen am TRIUMF und ORNL gezeigt und führte zum ersten on-line Einsatz am TRIUMF.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.