Im Rahmen des Avogadro-Projekts hat die PTB auf neuartigem Weg die molare Masse von Silicium mit einer relativen Messunsicherheit von 1 · 10–8 gemessen. Die dafür entwickelte massenspektrometrische Methode ist auch für die Bestimmung anderer Isotopenverteilungen in der analytischen Chemie und in der Halbleitertechnologie interessant.
Um die genaue Isotopenzusammensetzung und damit die molare Masse des hochangereicherten 28Si-Kristalls zu bestimmen, wurde auf theoretischer und experimenteller Basis ein neues Messverfahren entwickelt. Dabei werden Proben des 28Si-Materials nasschemisch in einem einzigen Schritt quantitativ in alkalische Silikatlösungen umgewandelt. Darin wird dann das Verhältnis der Isotope 30Si und 29Si bestimmt, die in dem "Avogadro-Kristall" in extrem geringen Mengen vorhanden sind. Auf diese Weise lässt sich die sehr schwierige direkte Bestimmung des 28Si-Anteils umgehen.
Das Verfahren beruht auf der modifizierten Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie (IDMS). Die Siliciumprobe des "Avogadro-Kristalls" wurde mit einer zweiten Siliciumprobe – hochangereichert in 30Si – so gemischt, dass die Isotope 30Si und 29Si etwa im Verhältnis 1:1 vorlagen.
Die erzielte relative Messunsicherheit von weniger als 1 · 10–8 konnte nur durch die Verwendung eines Multicollector- Inductively-Coupled-Plasma Mass Spectrometer (MC-ICP-MS) mit simultaner Ionenstrombestimmung erreicht werden.
Sowohl das ICP-MS als auch die modifi zierte IDMS sind damit erstmals zur Bestimmung einer molaren Masse erfolgreich angewandt worden. Das Verfahren ist generell geeignet für die Bestimmung der molaren Masse von Elementen mit mehreren Isotopen, bei denen ein Isotop in starkem Über- oder Unterschuss vorliegt, wie es etwa auch bei Calcium oder Strontium der Fall ist.
Die neuartige exakte Korrekturfaktorbestimmung für das ICP-MS ist interessant für die analytische Chemie. Industrielle Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise Reinheitsbestimmungen für die Halbleiter-, insbesondere die Siliciumtechnologie.
Rienitz, O.; Pramann, A.; Schiel, D.: Novel concept for the mass spectrometric determination of absolute isotopic abundances with improved measurement uncertainty: Part 1 – theoretical derivation and feasibility study. Int. J. Mass Spectrom. 289 (2010) 47-53
Mana, G.; Rienitz, O.; Pramann, A.: Measurement equations for the determination of the Si molar mass by isotope dilution mass spectrometry. Metrologia 47 (2010) 460-463
Pramann, A.; Rienitz, O.; Schiel, D.; Güttler, B.: Novel concept for the mass spectrometric determination of absolute isotopic abundances with improved measurement uncertainty: Part 2 – development of an experimental procedure for the determination of the molar mass of silicon using MC-ICP-MS. Int. J. Mass Spectrom. 299 (2011), 78–86