LIBS für Museumssammlungen: Fragen und Antworten mit Russell Harmon

Es gibt einen Teil der ...

In dem aktuellen Artikel „Analysis of Garnet by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy – Two Practical Applications“ (Minerals 11, 705 (2021)) bewerteten Dr. Russell Harmon, Dr. Michael Wise, Dr. Richard Hark und Dr. Doktorand Peter Defnet zwei praktische Anwendungen von LIBS, die mit einem tragbaren LIBS-Analysator vor Ort in einem Museum oder bei geologischen Feldarbeiten umgesetzt werden könnten.

Um die Bedeutung der Studie zu vertiefen, informierte uns Dr. Harmon über die vergangene, gegenwärtige und zukünftige Arbeit mit Granaten und die Bedeutung der tragbaren LIBS von SciAps für die geochemische Fingerabdruckanalyse und Museumssammlungen im Allgemeinen. Harmon ist außerordentlicher Professor am Department of Marine, Earth & Atmospheric Sciences der North Carolina State University.

F: Können Sie uns kurz erklären, was geochemischer Fingerabdruck ist?

Russell Harmon: Jedes Material hat eine einzigartige chemische Zusammensetzung, die anhand seiner LIBS-Spektralsignatur entschlüsselt werden kann. Geochemisches Fingerprinting ist keine quantitative Analyse, die matrixangepasste Standards erfordert. Stattdessen ist geochemisches Fingerprinting eine qualitative Schnellanalysetechnik, die alle Informationen in LIBS-Breitbandspektren über die Elementzusammensetzung vergleicht, um zwischen Materialien zu unterscheiden.

Basierend auf dieser Idee wurde eine große Anzahl von LIBS-Spektren für die sechs verschiedenen Granatklassen – Almandin, Andradit, Grossular, Pyrop, Spessartin und Uvarovit – erfasst. Anschließend verwendeten wir eine ausgefeilte Signalanalyse zur statistischen Verarbeitung der Spektraldaten, um zu sehen, ob wir diese Klassen unterscheiden konnten. Dieser Ansatz war sehr erfolgreich. Der nächste Schritt besteht darin, eine Spektralbibliothek der verschiedenen Granattypen aufzubauen, sodass bei einem Granat unbekannten oder unsicheren Typs dessen LIBS-Spektrum mit der Bibliothek verglichen werden kann, um festzustellen, ob er zu einer der sechs Granatklassen in der Bibliothek gehört oder nicht.

Wir können diese Technik auch auf andere geologische Materialien anwenden.

Stammt ein Obsidianartefakt aus einer bestimmten Quelle? Stammt diese Columbit-Tantalitprobe aus der Demokratischen Republik Kongo, wo sie illegal abgebaut wurde, oder stammt sie aus einem dieser zehn anderen Orte auf der Welt, von denen wir wissen, dass die Mineralien dort legal abgebaut werden? Zu welcher Kalksteinformation in einer stratigraphischen Sequenz gehört dieser isolierte Aufschluss?

Mit diesen und vielen ähnlichen Fragen sind Feldgeologen häufig konfrontiert. LIBS kann ein hilfreiches Tool sein, um schnell Antworten darauf zu finden.

Es gibt einen Teil der ...F: Warum haben Sie für diese Studie Granate verwendet?

Russell Harmon: Granat ist ein mineralogisch unkompliziertes Mineral mit der allgemeinen Formel X3Y2Si3O12, wobei die zweiwertige X-Stelle typischerweise entweder Mg, Fe2+ oder Ca und die dreiwertige Y-Stelle entweder Al, Cr oder Fe3+ enthält. Daher dachten wir, dass es einfach wäre, mithilfe der chemometrischen Analyse von LIBS-Spektren zwischen den sechs gängigen Granatarten zu unterscheiden – FeAl-Granat (Almandin), MgAl-Granat, MnAl-Granat (Spessartin), CaAl-Granat (Grossular), CaFe-Granat (Andradit) und CaCr-Granat (Uvarovit). Wir schrieben 2010 die erste Abhandlung über Granate und verwendeten dabei ein LIBS-Laborsystem und meine persönliche Granatsammlung. Ich hatte einen Kadetten aus West Point, der ein Sommerforschungsprojekt brauchte. Dan interessierte sich für die mathematische Datenverarbeitungsseite des Ganzen, also betrachteten wir es damals als eine Art „Spielzeugproblem“, da, obwohl die sechs Granatarten in vielen verschiedenen Farben vorkommen, jedes Exemplar ein Typenschild hatte. Wir haben diese Erkenntnisse 2010 in Applied Optics veröffentlicht: „Auf der Laser-Induced Breakdown Spectroscopy basierendes geochemisches Fingerabdruckverfahren zur schnellen Analyse und Unterscheidung von Mineralen: Das Beispiel Granat“ (Daniel Alvey, Russell Harmon et al.) https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-49-13-C168)

Das ist also die Grundlage dessen, was Richard (Hark) und ich ein paar Jahre später taten, als wir SciAps ersten tragbaren Analysator, den Z-500, verwendeten, um zu sehen, ob wir ähnliche Ergebnisse erzielen könnten, was uns gelang. (Geochemischer Fingerabdruck mittels tragbarer laserinduzierter Plasmaspektroskopie, 2017). Diese beiden Studien führten dann zur aktuellen Granatstudie, die in Mineralien (2021), das initiiert wurde, als Richard und ich begannen, mit Michael Weise in der Abteilung Mineralogie an der Smithsonian Museum für Naturgeschichte und erzählte ihm von den Granatstudien. Also beschlossen wir, ihre Granatsammlung durchzugehen. Michael verwendete Elektronenmikrosondenanalyse für quantitative Granatanalyse und hatte einige Fehlklassifizierungen festgestellt. So wurden etwa 200 Granate sowohl mit EMP als auch mit LIBS untersucht. Zu unserer großen Überraschung stellten wir fest, dass etwa 30 Prozent der Granate falsch klassifiziert waren, die Etiketten auf den Proben waren falsch.

Es gibt einen Teil der ...F: Das ist eine Schnellanalyse. Und eine Menge falscher Bezeichnungen!

Russell Harmon: Nun, in der Vergangenheit haben sich Museumssammlungen auf Papierspuren verlassen und Mineralienspenden mit dem den Proben beiliegenden Etikett angenommen. Das macht die Studie einzigartig.

Mit tragbaren LIBS kann direkt vor Ort in Echtzeit festgestellt werden, was tatsächlich vorhanden ist. Dies ist ein völlig neuer Ansatz zur Authentifizierung.

Als nächstes planen wir, den Z-300 zum Peabody Museum in Yale Die Sammlung umfasst 800 Granate, von denen nur etwa ein Viertel tatsächlich beschriftet ist. Aufgrund unserer Arbeit im Smithsonian möchte der Kurator der Mineraliensammlung die Echtheit dieser Beschriftungen überprüfen und die anderen identifizieren.

Es gibt einen Teil der ...F: Warum LIBS anstelle anderer Methoden verwenden?

Russell Harmon: Es ist sehr zeitaufwändig, Mineralproben für die Analyse mit herkömmlichen Labormethoden wie der EMP-Analyse vorzubereiten.

Sie können in einer Woche vielleicht nur 20 bis 30 Analysen durchführen. LIBS kann jedoch Hunderte von Analysen pro Tag durchführen.

Das LIBS ist ein Analysewerkzeug ohne die Strahlungsgefahr, die mit tragbaren XRF-Geräten verbunden ist, und kann eine Mineraliensammlung sehr schnell durchgehen, indem man einfach eine Schrankschublade öffnet und ihren Inhalt schnell analysiert, um zu sehen, wie gut die Proben beschriftet sind, vorausgesetzt, wir haben eine gute Spektralbibliothek als Grundlage für den Vergleich. Und was noch interessanter ist: Dies kann mit vielen anderen Mineralien in Museumssammlungen gemacht werden, die eine komplexe Chemie aufweisen. Ich denke, man würde feststellen, dass viele der Mineralien einfach nicht richtig identifiziert sind.

Museen könnten LIBS auch verwenden, um viele verschiedene Arten von Artefakten in ihren archäologischen Sammlungen zu analysieren, etwa Holz, Keramik, Tonscherben, Obsidian, Knochen, antike Münzen, eigentlich jede Art von Artefakt.

Es gibt einen Teil der ...SciAps, Inc. ist ein führender Hersteller tragbarer XRF- und LIBS-Analysatoren, die praktisch jedes Element in fast jedem Material messen können. Diese bahnbrechenden Instrumente erweitern die Anwendungsmöglichkeiten für tragbare Messungen von Elementen, Mineralien und Verbindungen vor Ort in allen wichtigen Industriezweigen weltweit. Tragen Sie sich in unsere E-Mail-Liste ein um als Erster von dieser wachsenden Welt der Handheld-Analyse zu erfahren, oder Kontaktieren Sie uns um mit einem unserer Branchenspezialisten zu sprechen.