Термическая ионизационная масс-спектрометрия - Thermal ionization mass spectrometry
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. Однозарядные ионы образца образуются за счет эффекта термической ионизации . 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. 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 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.
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.
Возможен также метод одиночной нити. После испарения образца ионы могут снова осесть на ту же нить накала и ионизироваться.
Использование тройной или многонитевой схемы повышает эффективность ионизации и обеспечивает раздельное управление скоростью испарения и ионизации.
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.
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.
Испускаемые ионы имеют малый пространственный и энергетический разброс, что делает пригодными однофокусный магнитный секторный масс-анализатор или квадруполи. Наиболее распространенные детекторы, используемые для TIMS, - это чашка Фарадея , детектор Дали и электронный умножитель . Источники ионов ТИ обычно собирают с помощью мультиколлекторных (МК) систем.
Механизм термической ионизации
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. Далее различают два типа термической ионизации. Один из них - положительная термическая ионизация (P-TI), а второй - отрицательная термическая ионизация (N-TI). Производство ионов параметризуется уравнением ионизации Саха или уравнением Саха-Ленгмюра.
Измерение изотопного отношения
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.
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 верхнем правом углу таблицы Менделеева, делает эти неметаллы отличными кандидатами. Этот метод широко используется в изотопной геохимии, геохронологии и космохимии.
Методы количественного определения соотношения изотопов включают масс-спектрометрию с термической ионизацией изотопного разбавления (ID-TIMS) и масс-спектрометрию с термической ионизацией химического истирания (CA-TIMS).
Метод изотопного разбавления используется потому, что интенсивность сигнала в TIMS не пропорциональна количеству, помещенному в TIMS.
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.