Термическая ионизационная масс-спектрометрия - Thermal ionization mass spectrometry

Масс-спектрометр с термической ионизацией

Термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS) также известен как поверхностная ионизация и является очень чувствительным изотоп масс-спектрометрии техника характеризации. Изотопные отношения радионуклидов используются для получения точных измерений при элементном анализе образца.[1] Однозарядные ионы образца образуются термическая ионизация эффект. Химически очищенный жидкий образец помещается на металлическую нить накала, которая затем нагревается 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

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 попадают на другую нить накала, также известную как ионизационная нить. Здесь ион теряет электрон за счет ионизации.[4]

Две нити в термоионизационной масс-спектрометрии

Возможен также метод одиночной нити. Как только образец испаряется, 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 потенциал ионизации 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 узлов 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 низкий пространственный и энергетический разброс, что делает пригодными однофокусный магнитный секторный масс-анализатор или квадруполи. [6] Наиболее распространенные детекторы, используемые для TIMS: Кубок фарадея, Детектор Дэли, и электронный умножитель. [5] Источники ионов ТИ обычно собирают с помощью мультиколлекторных (МК) систем. [6]

Механизм термической ионизации

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

Измерение изотопного отношения

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

Элементный анализ является преобладающим применением TIMS, поскольку он дает надежные изотопные отношения. Следуя тенденции уменьшения энергия ионизации, элементы, расположенные в нижнем левом углу периодической таблицы, являются жизнеспособными для TIMS. Кроме того, высокий электронное сродство Если смотреть в правом верхнем углу таблицы Менделеева, эти неметаллы являются отличными кандидатами.[4] Этот метод широко используется в изотопной геохимии, геохронология, и в космохимии.[7][8]

Методы количественного изотопного отношения включают: изотопное разбавление термоионизационная масс-спектрометрия (ID-TIMS) [9] и масс-спектрометрия с термической ионизацией химической абразии (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 более высокой точностью определять изменение изотопных соотношений при радиоактивном распаде. Чем выше точность, тем выше разрешение при датировании возраста.[5]

Рекомендации

  1. ^ Беккер, Йоханна Сабина (30 августа 2012 г.). «Глава 13 Неорганическая масс-спектрометрия радионуклидов». В L'Annunziata, Micheal F. (ed.). 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.). Передовая масс-спектрометрия для обеспечения безопасности и качества пищевых продуктов (68-е изд.). п. 131-243. ISBN  978-0-444-63340-8.
  4. ^ а б c d е Дасс, Чхабил (2007). Основы современной масс-спектрометрии. Wiley-Interscience. стр.264 -265. ISBN  978-0-471-68229-5.
  5. ^ а б c d е 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. ^ а б c Гросс, Юрген Х. (2011). Масс-спектрометрия: учебник (2-е изд.). Германия: Springer. ISBN  978-3-642-10711-5.
  7. ^ а б Лехто, Дж., Х. Хоу, 2011. Химия и анализ радионуклидов. Wiley-VCH.
  8. ^ а б Дикин, А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов, 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 21-22
  9. ^ Дуань, Исян; Danen, Ray E .; 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. Дои: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:2005ЧГео.220 ... 47М. Дои:10.1016 / j.chemgeo.2005.03.011.