Резонанс ионизация

Резонансная ионизация - это процесс в оптической физике , используемой для возбуждения специфического атома (или молекулы), за пределами его потенциала ионизации с образованием иона, используя пучок фотонов, облученных из пульсированного лазерного света. [ 1 ] В резонансной ионизации свойства поглощения или излучения излученных фотонов не рассматриваются, скорее, только полученные возбужденные ионы выбираются, выбираются, обнаружены и измерены. [ 2 ] В зависимости от используемого источника лазерного света, один электрон может быть удален из каждого атома, так что резонансная ионизация производит эффективную селективность двумя способами: элементная селективность в ионизации и изотопной селективности в измерении. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
Во время резонансной ионизации ионный пистолет создает облако атомов и молекул с газофазной поверхности образца, а настраиваемый лазер используется для запуска луча фотонов в облаке частиц, исходящих из образца ( аналит ).
атома Первоначальный фотон от этого луча поглощается одним из атомов образца, захватывающий один из электронов до промежуточного возбужденного состояния . Второй фотон затем ионизирует один и тот же атом из промежуточного состояния, так что его высокий уровень энергии заставляет его выбросить из его орбитали ; Результатом является пакет положительно заряженных ионов , которые затем доставляются в массовый анализатор . [ 5 ] [ 6 ]
Резонансная ионизация контрастирует с резонансной многофотонной ионизацией (REMPI) с резонансом, поскольку последний не является ни селективным, ни эффективным, поскольку резонансы редко используются для предотвращения помех. Кроме того, резонансная ионизация используется для атомного (элементарного) аналита , тогда как Rempi используется для молекулярного аналита . [ 7 ]
Аналитический метод, на которой основан процесс резонанса ионизации, называется резонансной масс -спектрометрией ионизации (обода). Диски получены из исходного метода, резонансной спектроскопии ионизации (RIS), которая первоначально использовалась для обнаружения отдельных атомов с лучшим разрешением времени. [ 8 ] Диски оказались полезными при исследовании радиоактивных изотопов (например, для изучения редких мимолетных изотопов, полученных при высокой энергичной столкновениях), анализа следов (например, для обнаружения примесей в очень чистых материалах), атомная спектроскопия (например, для обнаружения низкого содержания. Материалы в биологических образцах) и для применений, в которых требуются высокие уровни чувствительности и элементарной селективности.
История
[ редактировать ]Резонансная ионизация впервые использовалась в эксперименте по спектроскопии в 1971 году в Институте спектроскопии Российской академии наук ; В этом эксперименте атомы рубидиума основного состояния были ионизированы с использованием рубиновых лазеров . [ 9 ] В 1974 году группа фотофизических исследователей в Национальной лаборатории Ок -Ридж во главе с Джорджем Сэмюэлем Херстом впервые разработала процесс резонанса ионизации на атомах гелия. [ 10 ] Они хотели использовать лазерный свет для измерения количества метастабильного гелия синглета, он (2 1 S), частицы, созданные из энергичных протонов. [ 11 ] [ 12 ] Группа достигла селективной ионизации возбужденного состояния атома при почти 100% эффективности, используя импульсный лазерный свет, чтобы пропустить луч протонов в клетку гелия. Эксперимент по атомам гелиевых атомов синглета был основополагающим в пути к использованию резонансной спектроскопии ионизации (RIS) для обширного атомного анализа в условиях исследований.

Впоследствии атомы цезиума использовались, чтобы показать, что отдельные атомы элемента могут быть подсчитаны, если его резонансная ионизация была выполнена на счетчике, в котором электрон может быть обнаружен для атома в его основном состоянии. [ 12 ] Впоследствии, передовые методы, классифицируемые по резонансной масс-спектрометрии ионизации (обода), использовались для генерации относительной численности различных типов ионов путем соединения лазеров RIS с масс-спектрометрами MAGNETIC , квадруполь или во времени полета (TOF) .
Спектроскопия ионизации резонанса (RIS) в значительной степени была сформирована формальной и неформальной коммуникацией, предвещающей его открытие. [ 13 ] Исследовательские работы по RIS в значительной степени полагались на самостоятельность от начала, тенденция, которая три года спустя стала основой компании для коммерциализации этой техники. [ 14 ]
Метод
[ редактировать ]Модель резонансная масс-спектрометрия ионизации (ободки) состоит из лазерной системы (состоящей из нескольких лазеров), образца, из которой получены атомы, и подходящего масс-спектрометра, который массовый селективно обнаруживает фотоионов, созданные из резонанса . В резонансной ионизации атомы или молекулы из основного состояния возбуждаются с более высокими энергетическими состояниями путем резонансного поглощения фотонов для производства ионов. Эти ионы затем контролируются соответствующими детекторами. Чтобы обеспечить высокоэффективную чувствительность и насыщение процесса, атомный или молекулярный луч должен быть образован из основного состояния, атомы должны быть эффективно возбуждены и ионизированы, и каждый атом должен быть преобразован полем фотонов короткометражного Импульсный лазер для получения положительного иона и валентного электрона. [ 15 ]
В базовом процессе RIS пульсированный лазерный луч производит фотоны правильной энергии, чтобы изначально возбудить атом в его основном состоянии, A , до возбужденного уровня, b . Во время лазерного импульса ионная популяция государства B увеличивается за счет государства а . Через несколько минут скорость стимулированного излучения из возбужденного состояния будет равной скоростью производства, так что система находится в равновесии , пока интенсивность лазера сохраняется достаточно высокой во время импульса. Эта высокая интенсивность лазера превращается в фотонную флейенс (фотоны на единицу площади луча), достаточно большую, так что было выполнено необходимое условие для насыщения процесса RIS. Если, кроме того, скорость фотоионизации больше, чем скорость потребления промежуточных соединений, то каждое выбранное состояние преобразуется в один электрон плюс один положительный ион, так что процесс RIS насыщен. [ 16 ]
Обычно эффективным способом обработки свободных атомов элемента в основном состоянии является распыление элементов путем ионного распыления или теплового испарения элемента из лазерной матрицы в вакуумных условиях или в средах с давлением значительно меньше, чем нормальное атмосферное давление. Полученный шлейф вторичных атомов затем направляется по пути нескольких настроенных лазерных пучков, которые способны захватывать последовательные электронные переходы в указанном элементе. Свет от этих настроенных лазеров способствует желаемым атомам выше их ионизационных потенциалов, тогда как мешающие атомы из других элементов вряд ли ионизируются, поскольку они, как правило, прозрачны для лазерного луча. Этот процесс создает фотооседания, которые извлекаются и направлены на аналитическое учреждение, такое как подсчет магнитного сектора. Этот подход чрезвычайно чувствителен к атомам указанного элемента, так что эффективность ионизации почти на 100%, а также элементационно избирательна из -за крайне маловероятной вероятности того, что другие виды будут резонансными ионизированными. [ 16 ] [ 17 ]
Для достижения высокой эффективности ионизации используются монохроматические лазеры с высокой мгновенной спектральной мощностью. Типичные используемые лазеры включают лазеры непрерывной волны с чрезвычайно высокой спектральной чистотой и импульсными лазерами для анализа, включающих ограниченные атомы. [ 18 ] Лазеры с непрерывной волной, однако, часто предпочтительны импульсным лазерам из-за относительно низкого рабочего цикла последнего, поскольку они могут производить только фотоийона только во время коротких более поздних импульсов и трудности в воспроизведении результатов из-за пульсных дрожков, лазерного луча и вариации длины волны. [ 19 ]
Умеренные лазерные мощности, если достаточно высокие, чтобы повлиять на желаемые переходные состояния, могут использоваться, поскольку нерезонансная поперечная сечение фотоионизации является низким, что подразумевает незначительную эффективность ионизации нежелательных атомов. Влияние лазерной матрицы, которое будет использоваться для образца, также может быть уменьшено путем разделения процессов испарения и ионизации как во времени, так и в пространстве.
Другим фактором, который может повлиять на эффективность и селективность процесса ионизации, является наличие загрязняющих веществ, вызванных поверхностной или воздействием ионизации. Это может быть уменьшено до заметных порядков величины с использованием массового анализа, так что определяются изотопные композиции желаемого элемента. Большинство элементов периодической таблицы могут быть ионизированы одной из нескольких доступных схем возбуждения. [ 3 ]
Подходящая схема возбуждения зависит от определенных факторов, включая схему уровня атома элемента, его энергию ионизации , необходимую селективность и чувствительность, вероятное помехи, а также длины волн и уровни мощности доступных лазерных систем. [ 15 ] Большинство схем возбуждения варьируются на последнем этапе, этап ионизации. Это связано с низким поперечным сечением для нерезонансной фотоионизации, полученной лазером. Импульсная лазерная система облегчает эффективную связь масс-спектрометра во времени полета (TOF-MS) с резонансной ионизационной настройкой из-за чувствительности изобилия прибора. Это потому, что системы TOF могут создавать чувствительность численности до 10 4 тогда как магнитные масс -спектрометры могут достигать только 10 2 . [ 20 ]
Общая селективность в процессе RIS представляет собой комбинацию чувствительности в различных резонансных переходах для множественных пошаговых возбуждений. Вероятность вступления в контакт с резонансом другого атома составляет около 10 −5 Полем Добавление масс -спектрометра увеличивает этот рисунок в 10 -м 6 Таким образом, общая элементарная селективность превосходит или, по крайней мере, сравнивается с тандемной масс -спектрометрией (MS/MS), наиболее селективной техникой. [ 21 ]
Схемы оптического возбуждения и ионизации
[ редактировать ]Оптические схемы ионизации разработаны для производства элементных ионо-исходных источников для различных элементов. Большинство элементов периодической таблицы были резонансными ионизированы с использованием одного из пяти основных оптических маршрутов, основанных на принципе обода. [ 16 ] [ 22 ]
Маршруты были сформированы путем поглощения двух или трех фотонов для достижения возбуждения и ионизации и предоставляются на основе оптически возможных переходов между атомными уровнями в процессе, называемом связанным переходом . [ 23 ] Чтобы атом элемента был пропагандирован до связанного континуума, энергии, излучаемые из фотонов, должны находиться в пределах энергетического диапазона выбранных настраиваемых лазеров. Кроме того, энергия ионизации последнего испускаемого фотона должна превышать энергию атома. [ 24 ]
Схемы оптической ионизации обозначены количеством фотонов, необходимых для составления ионной пары. Для первых двух схем 1 и 2 участвуют два фотона (и процесса). Один фотон возбуждает атом от основного состояния в промежуточное состояние, в то время как второй фотон ионизирует атом. В схемах 3 и 4 участвуют три фотона (и процессы). Первые два различных фотона создают последовательные переходы в связанных переходах в выбранном атоме, в то время как третий фотон поглощается для ионизации. Схема 5 представляет собой трехфотонный процесс фотоионизации с двумя международными уровнями. После того, как первые два фотона были поглощены оптической энергией, третий фотон достигает ионизации. [ 8 ]
Процесс RIS может использоваться для ионизации всех элементов в периодической таблице, кроме гелия и неонового, используя доступные лазеры. [ 1 ] Фактически, можно ионизировать большинство элементов с помощью одной лазерной установки, что позволяет быстро переключаться с одного элемента на другой. В первые дни оптические схемы от дисков использовались для изучения более 70 элементов, и более 39 элементов могут быть ионизированы с помощью одной лазерной комбинации с использованием быстрой компьютерной модулированной структуры, которая переключает элементы в течение секунд. [ 25 ]
Приложения
[ редактировать ]
В качестве аналитического метода, RIS полезен на основе некоторых его рабочих операций - они включают чрезвычайно низкий предел обнаружения, чтобы масса образцов могла быть идентифицирована до порядка 10 −15 , чрезвычайно высокая чувствительность и элементарная селективность, полезные для анализа микро- и следов в сочетании с масс-спектрометрами, и способность импульсного лазерного ионного источника обрабатывать чистые изобарические ионные лучи. [ 6 ]
Основным преимуществом использования резонансной ионизации является то, что это режим очень селективной ионизации; Он способен нацелиться на один тип атома среди фона многих типов атомов, даже когда упомянутые фоновые атомы гораздо более распространены, чем целевые атомы. Кроме того, резонансная ионизация включает высокую селективность, которая требуется в методах спектроскопии с ультрачувствительностью, что делает резонансную ионизацию полезной при анализе сложных образцов с несколькими атомными компонентами. [ 26 ] [ 27 ]
Таким образом, резонансная ионизационная спектроскопия (RIS) имеет широкий спектр исследований и промышленных применений. К ним относятся характеристика диффузионной и химической реакции свободных атомов в газовой среде, анализ поверхности твердого состояния с использованием прямой выборки, изучая степень изменений концентрации в разбавленном парах, обнаруживая допустимые пределы количества частиц, необходимых в полупроводниковом устройстве, и и и и Оценка потока солнечных нейтрино на Земле. [ 16 ]
определение высоких значений для изотопов плутония и урана быстро Другие применения включают в себя Для альфа -частиц , бета -лучи и позитронов .
RIS в настоящее время очень распространено в исследовательских учреждениях, где важно быстрое и количественное определение элементного состава материалов. [ 2 ]
Источники лазерных лазерных светов обеспечивают более высокие потоки фотонов, чем лазеры с непрерывной волной, [ 25 ] Однако использование импульсных лазеров в настоящее время ограничивает обширные применения дисков двумя способами. Во-первых, фото-ионы создаются только во время коротких лазерных импульсов, что значительно снижает рабочий цикл масс-спектрометров ионизации импульсных резонансов относительно их аналогов с непрерывным лучом. Во -вторых, непрекращающиеся дрейфы в лазерном направлении и синхронизации пульса наряду с дрожами между импульсами сильно затрудняют шансы на воспроизводимость . [ 19 ]
Эти проблемы влияют на степень, в которой резонансная ионизация может быть использована для решения некоторых проблем, с которыми сталкиваются практические аналитики сегодня; Несмотря на это, применение дисков изобилует в различных традиционных и возникающих дисциплинах, таких как космохимия , медицинские исследования , химия окружающей среды , геофизические науки , ядерная физика , секвенирование генома и полупроводники . [ 19 ] [ 28 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Резонансная многофотонная ионизация
- Ридбергская ионизационная спектроскопия
- Фотоионизация
- Атмосферная давление лазерной ионизация
- Радиометрическое датирование
- Электронное возбуждение
- Настраиваемые лазеры
- Космохимия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный Сэмюэл Херст, Г.; Letokhov, Vladilen S. (1994). «Резонансная спектроскопия ионизации». Физика сегодня . 47 (10): 38–45. Bibcode : 1994pht .... 47J..38s . doi : 10.1063/1,881420 . ISSN 0031-9228 .
- ^ Jump up to: а беременный в Фассетт, JD; Трэвис, JC (1988). «Аналитические применения резонансной масс -спектрометрии ионизации (диски)». Spectrochimica Acta Часть B: атомная спектроскопия . 43 (12): 1409–1422. doi : 10.1016/0584-8547 (88) 80180-0 . ISSN 0584-8547 .
- ^ Jump up to: а беременный Фассетт, JD; Трэвис, JC; Мур, LJ; Lytle, Fe (1983-04-01). «Образование и измерение атомного ионов с резонансной масс -спектрометрией ионизации». Аналитическая химия . 55 (4): 765–770. doi : 10.1021/ac00255a040 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Köster, U. (2002). «Резонансные лазерные ионные источники ионизации» . Ядерная физика а . 701 (1–4): 441–451. Bibcode : 2002nupha.701..441K . doi : 10.1016/s0375-9474 (01) 01625-6 .
- ^ Херст, GS; Kutschera, W.; Easchger, H.; Korschinck, G.; Донахью, DS; Litherland, AE; Леджингем, К.; Хеннинг, В. (1987). «Обнаружение отдельных атомов с помощью резонансной спектроскопии ионизации [и обсуждения]» (PDF) . Философские транзакции Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 323 (1569): 155–170. doi : 10.1098/rsta.1987.0079 . ISSN 1364-503X .
- ^ Jump up to: а беременный Вендт, К.; Blaum, K.; Бушоу, ба; Grüning, C.; Рог, Р.; Huber, G.; Крац, СП; Кунц, П.; Мюллер, П. (1999-07-01). «Недавние разработки и применения резонансной масс -спектрометрии ионизации». Журнал аналитической химии Фресениуса . 364 (5): 471–477. doi : 10.1007/s002160051370 . ISSN 0937-0633 .
- ^ Dass, Chhabil (2007). «Глава 7: неорганическая масс -спектрометрия». В Desiderio, Dominic M.; Nibbering, Нико М. (ред.). Основы современной масс -спектрометрии (1 -е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 273–275. ISBN 978-0471682295 .
- ^ Jump up to: а беременный Янг, JP; Шоу, RW; Смит, DH (2008). «Резонансная масс -спектрометрия ионизации». Аналитическая химия . 61 (22): 1271a - 1279a. doi : 10.1021/ac00197a002 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Dass, Chhabil (2007). «Глава 7: неорганическая масс -спектрометрия». В Desiderio, Dominic M.; Nibbering, Нико М. (ред.). Основы современной масс -спектрометрии (1 -е изд.). John Wiley & Sons, Inc. с. 273–275. ISBN 978-0471682295 . [ Проверка необходима ]
- ^ Херст, Г.С. (1981-11-01). «Резонансная спектроскопия ионизации». Аналитическая химия . 53 (13): 1448a - 1456a. doi : 10.1021/ac00236a001 . ISSN 0003-2700 .
- ^ Херст, Г.С. (1975). «Насыщенная двухфотонная резонансная ионизация». Письма о физическом обзоре . 35 (2): 82–85. doi : 10.1103/physrevlett.35.82 .
- ^ Jump up to: а беременный Херст, Г.С. (1984). «Историческое обследование резонансной спектроскопии ионизации» (PDF) . Второй международный симпозиум по спектроскопии ионизации резонанса и его применения . 71 (71): 7. Bibcode : 1984ris..conf .... 7h .
- ^ Лион, WS (1982-03-01). «Резонансная ионизационная спектроскопия: как расширяется новое поле». Журнал радиоаналитической химии . 75 (1–2): 229–235. doi : 10.1007/bf02519991 . ISSN 0022-4081 .
- ^ Marsh, B (2013). «Резонансные лазерные ионные источники ионизации» (PDF) . Европейская организация по ядерным исследованиям : 203–263.
- ^ Jump up to: а беременный Римке, Хубертус; Херрманн, Гюнтер; Ман, Марита; Мюлек, Кристоф; Ригель, Иоахим; Саттельбергер, Питер; Траутманн, Норберт; Эймс, Фридхельм; Kluge, Hans-Jürgen (1989-05-01). «Принцип и аналитические применения резонансной масс -спектрометрии». Microchimica Acta . 99 (3–6): 223–230. Doi : 10.1007/bf01244676 . ISSN 0026-3672 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Херст, Г.С. (1979). «Спектроскопия ионизации резонанса и обнаружение одного атома». Обзоры современной физики . 51 (4): 767–819. Bibcode : 1979rvmp ... 51..767H . doi : 10.1103/revmodphys.51.767 .
- ^ Херст, Г.С. (1977). «Обнаружение одного атома с использованием резонансной спектроскопии ионизации». Физический обзор а . 15 (6): 2283–2292. Bibcode : 1977 Phrva..15.2283h . doi : 10.1103/physreva.15.2283 .
- ^ Вендт, Клаус; Траутманн, Норберт (2005). «Недавние разработки в измерениях отношения изотопа с помощью резонансной масс -спектрометрии ионизации». Международный журнал масс -спектрометрии . 242 (2–3): 161–168. Bibcode : 2005ijmsp.242..161W . doi : 10.1016/j.ijms.2004.11.008 .
- ^ Jump up to: а беременный в Левин, Джонатан; Савина, Майкл Р.; Стефан, Томас; Доуфхас, Николас; Дэвис, Эндрю М.; Рыцарь, Ким Б.; Пеллин, Майкл Дж. (2009). «Резонансная масс -спектрометрия ионизации для точных измерений изотопных соотношений». Международный журнал масс -спектрометрии . 288 (1–3): 36–43. BIBCODE : 2009IJMSP.288 ... 36L . doi : 10.1016/j.ijms.2009.07.013 .
- ^ Kluge, HJ (1994). «Резонансная ионизационная спектроскопия и ее применение» . Acta Physica Polonica a . 86 (1–2): 159–171. doi : 10.12693/Aphyspola.86.159 .
- ^ Пейн, М.Г. (1994). «Применение резонансной масс -спектрометрии ионизации». Обзор научных инструментов . 65 (8): 2433–2459. Bibcode : 1994rsci ... 65.2433p . doi : 10.1063/1.1144702 .
- ^ Thonnard, N.; Паркс, Je; Уиллис, Rd; Мур, LJ; Arlinghaus, HF (1989-11-01). «Резонансная ионизация нейтральных атомов с применением к науке о поверхности, обнаружении благородного газа и биомедицинским анализу». Поверхностный и анализ интерфейса . 14 (11): 751–759. doi : 10.1002/sia.740141112 . ISSN 1096-9918 .
- ^ Херст, Г.С. (1988). Принципы и применение резонансной ионизационной спектроскопии . Payne, MG (Marvin Gay), 1936-. Бристоль: А. Хилгер. ISBN 9780852744604 Полем OCLC 17300239 .
- ^ Летохов, против; Мишин, VI (1987). Лазерная спектроскопия VIII . Серия Springer в оптических науках. Спрингер, Берлин, Гейдельберг. С. 167–175. doi : 10.1007/978-3-540-47973-4_44 . ISBN 9783662151662 .
- ^ Jump up to: а беременный Биллен, Т.,; Schneider, K.; Кирстен, Т.; Мангини, А.; Eisenhauer, A. (1993-08-01). «Резонансная ионизационная спектроскопия тория». Прикладная физика б . 57 (2): 109–112. Bibcode : 1993Apphb..57..109b . doi : 10.1007/bf00425993 . ISSN 0946-2171 .
- ^ Вендт, KDA; Blaum, K.; Geppert, Ch.; Рог, Р.; Passler, G.; Trautmann, N.; Бушоу, Б.А. (2003). «Лазерная резонансная ионизация для эффективной и селективной ионизации редких видов». Ядерные инструменты и методы в области физики исследования B: BEAM Взаимодействие с материалами и атомами . 204 : 325–330. Bibcode : 2003nimpb.204..325W . doi : 10.1016/s0168-583x (02) 01936-5 .
- ^ Бикман, DW; Callcott, TA (июнь 1980 г.). «Резонансный источник ионизации для масс -спектроскопии». Международный журнал масс -спектрометрии и физики ионов . 34 (1–2): 89–97. Bibcode : 1980ijmsi..34 ... 89b . doi : 10.1016/0020-7381 (80) 85017-0 .
- ^ Морган, Колин Грей; Telle, Helmut (1992). «Резонансная спектроскопия ионизации». Мир физики . 5 (12): 28. doi : 10.1088/2058-7058/5/12/26 . ISSN 2058-7058 .
Патенты
[ редактировать ]- Патент США 3987302 , Джордж С. Херст, Марвин Г. Пейн, Эдвард Б. Вагнер, «Резонансная ионизация для аналитической спектроскопии», выпущенная 19 октября 1976 года
- Патент США 4,442 354 , Херст, Дж. Сэмюэль, Джеймс Э. Паркс, Джеймс Э. и Шмитт, Гарольд В., «Метод анализа для компонента в образце», выпущен 10 апреля 1984 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Пейн М.Г., Херст Г.С. (1985) Теория резонансной спектроскопии ионизации . В: Martellucci S., Chester An (Eds) аналитическая лазерная спектроскопия. Серия НАТО ASI (серия B: Physics), том 119. Springer, Boston, MA.
- Parks JE, Young JP (2000) Резонансная ионизационная спектроскопия 2000: лазерная ионизация и применения, включающие RIS ; 10th International Symposium, Ноксвилл, Теннесси (AIP Conference Thenings).