Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4010
Lücke, Andreas; Moschen, Robert; Schleser, Gerhard Hans
Die Hochtemperaturzelle HTZ
24 Blatt S., 2003

Biogene Silikate und deren Sauerstoffisotopensignatur haben sowohl für die marine als auch für die terrestrische paläoklimatologische Forschung aufgrund ihres ubiquitären Vorkommens ein sehr großes Potenzial . Bedingt durch methodische Probleme bei ihrem Aufschluss, sind die Sauerstoffisotope biogener Silikate jedoch bisher nur wenig genutzt worden . Zielsetzung war daher die Entwicklung eines neuartigen, keine Fraktionierungseffekte verursachenden Aufschlussverfahrens zur Extraktion der Sauerstoffisotope.

Das neu entwickelte Hochtemperatur-Aufschlussverfahren (HTZ) verzichtet auf die bisher übliche Fluorinierung und erlaubt einen relativ hohen Probendurchsatz. Dies wird durch die Abtrennung sauerstoffhaltiger Verunreinigungen" der Probe und anschließendem Aufschluss in einem Schritt erreicht . Dabei wird ein Mittelfrequenzgenerator zur induktiven Aufheizung eines in eine doppelwandige Glasküvette eingebrachten Reaktionsstabes aus Glaskohlenstoff genutzt. Der Reaktionsstab ist oben mit einer Bohrung, die als Probenbehälter dient, versehen, welche ein Gemisch aus Probenmaterial und Graphitpulver aufnehmen kann . Dieser Stab ist selbst von einem dünnwandigen, oben geschlossenen Zylinder aus Glaskohlenstoff umgeben, um einen Austausch des bei der Reaktion freiwerdenden, im CO gebundenen Sauerstoffs mit dem Sauerstoff der Glasküvette zu verhindern. Nach Evakuierung der Küvette, kann das Probenmaterial aufgeschlossen werden . Der Reaktionsstab wird zur Freisetzung des Sauerstoffs aus biogenem Silikat bis auf eine Temperatur von ca. 1550°C erhitzt . Dabei reagiert Graphit mit Siliziumdioxid zu Siliziumcarbid und Kohlenstoffmonoxid (CO). Das entstandene Kohlenstoffmonoxid wird mit Hilfe flüssigen Stickstoffs unter Verwendung eines Molekularsiebes (5Ä) in ein Probenröhrchen einkondensiert und später in einem Isotopenverhältnismassenspektrometer (Doppeleinlasssystem) vermessen . Zur Freisetzung des Sauerstoffs aus anderen Silikaten kann die induktive Heizung bis auf Temperaturen von 2200°C erhöht werden . Die Temperatureichung erfolgte mit Hilfe eines von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt geeichten Quotientenpyrometers .

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuchsreihen zeigen, dass biogene Silikate mit dem neuen Verfahren vollständig und ohne Fraktionierung der Sauerstoffisotope in COMessgas umgesetzt werden . Für biogene Silikate unterschiedlicher Herkunft sowie einen internationalen anorganischen Standard konnten O-180-Werte mit einem maximalen Messfehler von ±0,3‰ (maximale Abweichung vom Mittelwert) reproduziert werden . Dies bedeutet im allgemeinen eine Standardabweichung von a≤5 ± 0,15‰. Die Eichung des neuen Verfahrens mit einem internationalen Standard lieferte für Materialien, deren O-180-Werte mit den bisherigen Verfahren publiziert vorliegen, eine sehr gute Übereinstimmung.

Damit steht ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffisotopenverhältnisse biogener Silikate zur Verfügung. Es erlaubt einen wesentlich einfacheren Zugang zu deren O-180-Werten und eröffnet damit eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten.

The oxygen isotopes from biogenic silicates are extremely useful with regard to research activities in marine and terrestrial palaeoclimatology. However, biogenic silicates have so far only marginally been used as climate proxies because the quantitative extraction of the stable oxygen isotopes is exceptionally difficult . The main problems arise from two aspects: firstly, a satisfactory method is missing for the quantitative liberation of the oxygen isotopes. Secondly, oxygen containing compounds or molecular groups attached to or absorbed by the silicates are difficult to separate without provoking isotope exchange reactions that alter the isotope ratio of a sample. The aim, therefore, was to develop a new method by which the oxygen isotopes can quantitatively be liberated from biogenic silicates . In addition any isotope shifts should be prevented due to isotope exchange reactions with attached molecules or molecular groups.

The newly developed technique is based an an extraction procedure using temperatures of up to 2200°C which supersedes the commonly practised fluorination with F2 or BrF5 in nickel tubes at 500 to 600°C. In addition it permits a relatively high throughput of samples. The disintegration of the silica material and the separation of oxygen containing molecules or molecular groups which are frequently attached to or absorbed by the silica material is reached in one step. Basically, samples of silica are introduced into a small borehole at the top of a rod made of glassy carbon . This rod is housed in a glassy carbon cylinder, closed at the top which itself is enclosed by a double-walled glass vessel made of quartz. After evacuation of the system, the glassy carbon rod is inductively heated to the temperature needed for disintegration of the particular material under investigation . If diatoms are to be analyzed which possess a non crystalline structure, a temperature of about 1550°C is adequate . At this temperature the Si02 will easily be decomposed, whereby the liberated oxygen is converted to CO. Presently this CO is trapped in small glass tubes which contain a molecular sieve (5Ä) kept at liquid nitrogen temperature . The carbon monoxide will afterwards be measured off-line in a dual inlet isotope ratio mass spectrometer. Temperatures are controlled by using a quotient pyrometer which was calibrated by the Physikalisch-Technische Bundesanstalt which is the authority of the Federal Republic of Germany for the field of metrology.

Test measurements demonstrated that the oxygen isotopes of biogenic silica can quantitatively be liberated and converted to carbon monoxide. For this purpose biogenic silica of different origins with different oxygen isotope ratios were measured, including an international standard. The reproducibility in terms of O-180-values is in the order of a≤5 ± 0,15‰ which is excellent in view of other methods currently in use.

This method introduces a new technique for the determination of the oxygen isotopes from biogenic silica. It, thus, greatly simplifies research for palaeoclimate investigations which necessitates oxygen isotopes as proxy signals .

Neuerscheinungen

Schriften des Forschungszentrums Jülich

Ihre Ansprechperson

Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de

Letzte Änderung: 07.06.2022