Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Масс-спектрометр с термической ионизацией

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 в результате эффекта термической ионизации . Химически очищенный жидкий образец помещается на металлическую нить накала, которую затем нагревают для испарения растворителя. Следовательно, удаление электрона из очищенного образца достигается путем нагревания нити накала, достаточного для высвобождения электрона, который затем ионизирует атомы образца. [2] TIMS использует магнитный сектор масс-анализатор для разделения ионов на основе отношения их массы к заряду. Ионы набирают скорость за счет градиента электрического потенциала и фокусируются в пучок 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 пучки с массовым разрешением направляются в детектор, где они преобразуются в напряжение. Обнаруженное напряжение затем используется для расчета изотопного отношения. [3]

Источник ионизации [ править ]

Используемые нити изготовлены из тантала (Ta), вольфрама (W), платины (Pt) или рения (Re). Обычно в TIMS используются две нити. Одна нить накала предназначена для образца и называется нитью для образца. Жидкий образец помещается на нить накала образца, которая затем испаряется для образования ионов. Впоследствии эти ионы приземляются на другую нить накала, также известную как ионизационная нить. Здесь ион теряет электрон за счет ионизации. [4]

Две нити в термоионизационной масс-спектрометрии

Также возможен однонитевой метод. Как только образец испарится, ионы могут снова осесть на ту же нить, чтобы ионизироваться. [4]

Использование тройной или многонитевой схемы повышает эффективность ионизации и обеспечивает раздельное управление скоростью испарения и ионизации. [4]

Нити нужно загружать активаторами. Активатор подавляет испарение желаемого элемента и может увеличивать или уменьшать ионизационный потенциал нити. Это приводит к высокой эффективности ионизации и более высокому общему выходу. Наиболее распространенным активатором для Pb является силикагель / фосфорная кислота. [5]

Нити находятся в вакууме, который может достигать температуры от 400 до 2300 ° C. Чтобы предотвратить любое повреждение нитей, они прочно закреплены на карусельной турели для образцов, которая обычно имеет от 10 до 20 нитей в сборе. 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 пригодными однофокусный магнитный секторный масс-анализатор или квадруполи. [6] Наиболее распространенными детекторами, используемыми для TIMS, являются чаша Фарадея , детектор Дали и электронный умножитель . [5] Обычно источники ионов TI собираются с помощью мультиколлекторных (MC) систем. [6]

Механизм термической ионизации [ править ]

Когда горячая нить накала нагревает жидкий образец, уровни ферми внутри образца достигают паритета с уровнем металла. 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. Впоследствии различают два типа термической ионизации. Один - это положительная термическая ионизация (P-TI), а второй - отрицательная термическая ионизация (N-TI). [5] Производство ионов параметризуется уравнением ионизации Саха или уравнением Саха-Ленгмюра. [4]

Измерение изотопного отношения [ править ]

Затем относительные содержания различных изотопов используются для описания химического фракционирования различных изотопов, перемещения в различных резервуарах нерадиогенных изотопов, а также возраста или происхождения объектов Солнечной системы по присутствию радиогенных дочерних изотопов. [7] [8]

Элементный анализ является преобладающим применением TIMS, поскольку он дает надежные изотопные отношения. Следуя тенденции уменьшения энергии ионизации , элементы, расположенные в нижнем левом углу периодической таблицы, являются жизнеспособными для TIMS. 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 масс-спектрометрию с термической ионизацией изотопного разбавления (ID-TIMS) [9] и масс-спектрометрию с термической ионизацией с химическим истиранием (CA-TIMS). [10]

Метод изотопного разбавления используется потому, что интенсивность сигнала в TIMS не пропорциональна количеству, помещенному в TIMS. [5]

Для определения возраста масс-спектрометры с магнитными секторами имеют лучшую точность, чем квадрупольный масс-спектрометр или квадрупольный масс-анализатор . Квадрупольные масс-спектрометры с индуктивно связанной плазмой позволяют с еще большей точностью определять изменение изотопных соотношений при радиоактивном распаде. Чем выше точность, тем выше разрешение при датировании возраста. [5]

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Беккер, Джоанна Сабина (30 августа 2012 г.). «Глава 13 Неорганическая масс-спектрометрия радионуклидов». В L'Annunziata, Майкл Ф. (ред.). Справочник по радиоактивному анализу (3-е изд.). Elsevier Science. п. 833-870. ISBN 978-0-12-384873-4.
  2. ^ Справочник по анализу силикатных пород . ISBN 978-94-015-3990-6.
  3. ^ Константинос А. Георгиу; Георгиос П. Данезис. «Глава 3 - Элементная и изотопная масс-спектрометрия». В Пико, Иоланда (ред.). Расширенная масс-спектрометрия для безопасности и качества пищевых продуктов (68 изд.). п. 131-243. ISBN 978-0-444-63340-8.
  4. ^ a b c d e Dass, Chhabil (2007). Основы современной масс-спектрометрии . Wiley-Interscience. стр.  264 -265. ISBN 978-0-471-68229-5.
  5. ^ а б в г д Макисима, Акио (2016). Масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS): разложение, разделение и измерение силикатов . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. ISBN 978-3527340248.
  6. ^ a b c Гросс, Юрген Х. (2011). Масс-спектрометрия: учебник (2-е изд.). Германия: Springer. ISBN 978-3-642-10711-5.
  7. ^ a b Lehto, J., X. Hou, 2011. Химия и анализ радионуклидов. Wiley-VCH.
  8. ^ a b Дикин, А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов, 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 21-22
  9. ^ Дуань, Исян; Данен, Рэй Э .; Ян, Сяомэй; Штайнер, Роберт; Куадрадо, Хуан; Уэйн, Дэвид; Маджиди, Вахид; Оливарес, Хосе А. (октябрь 1999 г.). «Характеристика улучшенного источника термической ионизации с резонатором для масс-спектрометрии». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 10 (10): 1008–1015. DOI : 10.1016 / S1044-0305 (99) 00065-3 . S2CID 95797693 . 
  10. ^ Маттинсон, Джеймс М. (июль 2005 г.). «Метод химической абразии циркония U – Pb (« CA-TIMS »): комбинированный отжиг и многоступенчатый анализ частичного растворения для повышения точности и точности определения возраста циркона». Химическая геология . 220 (1–2): 47–66. Bibcode : 2005ChGeo.220 ... 47M . DOI : 10.1016 / j.chemgeo.2005.03.011 .