Термическая ионизационная масс-спектрометрия
Масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS) также известна как поверхностная ионизация и представляет собой высокочувствительный метод определения характеристик изотопной масс-спектрометрии . Изотопные отношения радионуклидов используются для получения точных результатов элементного анализа пробы. [1] Однозарядные ионы образца образуются за счет эффекта термической ионизации . Химически очищенную пробу жидкости помещают на металлическую нить, которую затем нагревают для испарения растворителя. Удаление электрона из очищенного образца, следовательно, достигается путем нагревания нити, достаточного для высвобождения электрона, который затем ионизирует атомы образца. [2] TIMS использует масс-анализатор с магнитным сектором для разделения ионов на основе отношения их массы к заряду. Ионы набирают скорость за счет градиента электрического потенциала и фокусируются в луч электростатическими линзами. Затем ионный пучок проходит через магнитное поле электромагнита, где он разделяется на отдельные ионные пучки в зависимости от соотношения массы и заряда иона. Эти лучи с разрешением по массе направляются в детектор, где преобразуются в напряжение. Обнаруженное напряжение затем используется для расчета изотопного соотношения. [3]
Источник ионизации
[ редактировать ]Используемые нити изготавливаются из тантала (Ta), вольфрама (W), платины (Pt) или рения (Re). Обычно в TIMS используются две нити. Одна нить предназначена для образца и называется нитью образца. Жидкий образец помещается на нить образца, которая затем испаряется. Впоследствии эти испаренные аналиты попадают на другую нить, также известную как ионизационная нить, где они ионизируются. [4]
Также возможен метод одной нити. Как только образец испаряется, аналиты могут снова оседать на той же нити и ионизироваться. [4]
Использование тройной или нескольких нитей накаливания повышает эффективность ионизации и обеспечивает раздельное управление скоростью испарения и ионизации. [4]
Филаменты необходимо загрузить активаторами. Активатор подавляет испарение нужного элемента и может как увеличивать, так и уменьшать потенциал ионизации нити. Это приводит к высокой эффективности ионизации и более высокому общему выходу. Наиболее распространенным активатором Pb является силикагель/фосфорная кислота. [5]
Нити находятся в вакууме, температура которого может достигать 400–2300°C. Чтобы предотвратить любое повреждение нитей, они прочно закрепляются на карусельной турели для образцов, которая обычно имеет от 10 до 20 сборок нитей. Процесс испарения обычно проводится при относительно низких температурах в обмен на длительные сигналы и незначительное фракционирование изотопов. Ионизационная часть требует высоких температур для обеспечения хорошей эффективности ионизации. [6]
Испускаемые ионы имеют малый пространственный и энергетический разброс, что делает подходящим однофокусирующий магнитно-секторный масс-анализатор или квадруполь. [6] Наиболее распространенными детекторами, используемыми для TIMS, являются чашка Фарадея , детектор Дейли и электронный умножитель . [5] Обычно источники ионов ТИ комплектуются мультиколлекторными (МК) системами. [6]
Механизм термической ионизации
[ редактировать ]Когда горячая нить нагревает жидкий образец, уровни Ферми внутри образца достигают паритета с уровнем Ферми в металле. В свою очередь, это позволяет электрону туннелировать от образца к металлической нити. В результате из образца, потерявшего электрон, образуются положительные ионы. Этот перенос электронов также приводит к образованию отрицательных ионов. Следовательно, существуют два типа термической ионизации. Один из них — положительная термическая ионизация (P-TI), а второй — отрицательная термическая ионизация (N-TI). [5] Производство ионов параметризуется уравнением ионизации Саха или уравнением Саха-Лэнгмюра. [4]
Измерение соотношения изотопов
[ редактировать ]Относительное содержание различных изотопов затем используется для описания химического фракционирования различных изотопов, перемещения в разных резервуарах нерадиогенных изотопов, а также возраста или происхождения объектов Солнечной системы по наличию радиогенных дочерних изотопов. [7] [8]
Элементный анализ является преобладающим применением TIMS, поскольку он дает надежные изотопные соотношения. Следуя тенденции уменьшения энергии ионизации , для TIMS пригодны элементы, расположенные в левом нижнем углу таблицы Менделеева. Кроме того, высокое сродство к электрону, наблюдаемое в правом верхнем углу таблицы Менделеева, делает эти неметаллы отличными кандидатами. [4] Этот метод широко используется в изотопной геохимии, геохронологии и космохимии. [7] [8]
Методы количественного определения соотношения изотопов включают разбавлением изотопов (ID-TIMS). масс-спектрометрию с термоионизацией с [9] и химическая абразивная термоионизационная масс-спектрометрия (CA-TIMS). [10]
Метод изотопного разбавления используется потому, что интенсивность сигнала в TIMS не пропорциональна количеству, помещенному в TIMS. [5]
Для датирования возраста масс-спектрометры с магнитными секторами имеют более высокую точность, чем квадрупольный масс-спектрометр или квадрупольный масс-анализатор . Квадрупольно-масс-спектрометры с индуктивно связанной плазмой позволяют еще с большей точностью регистрировать изменение изотопных соотношений при радиоактивном распаде. Чем выше точность, тем выше разрешение определения возраста. [5]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Беккер, Йоханна Сабина (30 августа 2012 г.). «Глава 13. Неорганическая масс-спектрометрия радионуклидов». В L'Annunziata, Майкл Ф. (ред.). Справочник по анализу радиоактивности (3-е изд.). Эльзевир Наука. п. 833-870. ISBN 978-0-12-384873-4 .
- ^ Справочник по анализу силикатных пород . ISBN 978-94-015-3990-6 .
- ^ Константинос А. Георгиу; Георгиос П. Данезис. «Глава 3. Элементарная и изотопная масс-спектрометрия». В Пико, Иоланда (ред.). Расширенная масс-спектрометрия для обеспечения безопасности и качества пищевых продуктов (68-е изд.). п. 131-243. ISBN 978-0-444-63340-8 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Дасс, Чхабил (2007). Основы современной масс-спектрометрии . Уайли-Интерсайенс. стр. 264-265 . ISBN 978-0-471-68229-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Макисима, Акио (2016). Масс-спектрометрия с термоионизацией (TIMS): разложение силиката, разделение и измерение . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. ISBN 978-3527340248 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гросс, Юрген Х. (2011). Масс-спектрометрия : учебник (2-е изд.). Германия: Шпрингер. ISBN 978-3-642-10711-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Лехто Дж., К. Хоу, 2011. Химия и анализ радионуклидов. Вайли-ВЧ.
- ^ Перейти обратно: а б Дикин, А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов, 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 21-22
- ^ Дуань, Исян; Данен, Рэй Э.; Ян, Сяомэй; Штайнер, Роберт; Сквер, Джон; Уэйн, Дэвид; Маджиди, Вахид; Оливарес, Хосе А. (октябрь 1999 г.). «Характеристика улучшенного источника термической ионизации для масс-спектрометрии». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 10 (10): 1008–1015. дои : 10.1016/S1044-0305(99)00065-3 . S2CID 95797693 .
- ^ Маттинсон, Джеймс М. (июль 2005 г.). «Метод химической абразии U-Pb циркона («CA-TIMS»): комбинированный отжиг и многоэтапный анализ частичного растворения для повышения точности и достоверности определения возраста циркона». Химическая геология . 220 (1–2): 47–66. Бибкод : 2005ЧГео.220...47М . doi : 10.1016/j.chemgeo.2005.03.011 .
| Источник ионов | |
|---|---|
| Масс-анализатор | |
| Детектор | |
| Комбинация МС | |
| Фрагментация | |
