Termal iyonizasyon kütle spektrometresi - Thermal ionization mass spectrometry

Termal iyonizasyon kütle spektrometresi

Termal iyonizasyon kütle spektrometresi (TIMS) yüzey iyonizasyonu olarak da bilinir ve oldukça hassastır izotop kütle spektrometrisi karakterizasyon tekniği. Radyonüklitlerin izotopik oranları, bir numunenin temel analizi için doğru bir ölçüm elde etmek için kullanılır.[1] Numunenin tek yüklü iyonları, termal iyonlaşma etki. Kimyasal olarak saflaştırılmış bir sıvı numune, daha sonra çözücüyü buharlaştırmak için ısıtılan bir metal filaman üzerine yerleştirilir. Saflaştırılmış numuneden bir elektronun uzaklaştırılması, sonuç olarak, filamenti bir elektronu serbest bırakmaya yetecek kadar ısıtarak elde edilir, bu daha sonra numunenin atomlarını iyonize eder.[2] TIMS, bir manyetik sektör iyonları kütle-yük oranlarına göre ayırmak için kütle analizörü. İyonlar bir elektriksel potansiyel gradyan ile hız kazanır ve elektrostatik lensler tarafından bir ışına odaklanır. İyon ışını daha sonra iyonun kütle / yük oranına bağlı olarak ayrı iyon ışınlarına bölündüğü elektromıknatısın manyetik alanından geçer. Bu kütle çözümlemeli ışınlar, voltaja dönüştürüldüğü bir detektöre yönlendirilir. Tespit edilen voltaj daha sonra izotopik oranı hesaplamak için kullanılır.[3]

İyonlaşma kaynağı

Kullanılan filamentler tantal (Ta), tungsten (W), platin (Pt) veya renyumdan (Re) yapılır. Geleneksel olarak, TIMS'de kullanılan iki filament vardır. Bir filaman numune içindir ve numune filaman olarak adlandırılır. Sıvı numune, daha sonra iyonları oluşturmak için buharlaştırılan numune filamanına yerleştirilir. Daha sonra bu iyonlar, iyonlaşma filamanı olarak da bilinen diğer filaman üzerine konur. Burada iyon, iyonlaşma ile bir elektron kaybeder.[4]

Termal iyonizasyon kütle spektrometresinde iki filament

Tek filament yöntemi de mümkündür. Numune buharlaştıktan sonra, iyonlar iyonize olmak için aynı filaman üzerine geri çökebilir.[4]

Üçlü bir filaman veya çok filamanlı düzeneğin kullanılması, iyonizasyon verimini artırır ve buharlaşma ve iyonizasyon oranlarının ayrı ayrı kontrol edilmesini sağlar.[4]

Filamentlerin aktivatörlerle yüklenmesi gerekir. Bir aktivatör, istenen elementin buharlaşmasını engeller ve filamanın iyonlaşma potansiyelini artırabilir veya azaltabilir. Bu, yüksek iyonizasyon verimliliği ve daha yüksek bir toplam verim ile sonuçlanır. En yaygın aktivatör, Pb için silika jel / fosforik asittir. [5]

Filamentler, 400-2300 ° C arasındaki her yerde sıcaklıklara ulaşabilen bir vakum içindedir. Filamanlara herhangi bir zarar gelmesini önlemek için, normalde 10 ila 20 filaman tertibatına sahip olan atlıkarınca benzeri bir numune taretine sıkıca sabitlenirler. Buharlaştırma işlemi genellikle uzun süreli sinyaller ve küçük izotopik fraksiyonlama karşılığında nispeten düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilir. İyonizasyon parçası, iyi iyonizasyon verimliliği sağlamak için yüksek sıcaklıklar gerektirir. [6]

Yayılan iyonlar, düşük uzamsal ve enerjik yayılmaya sahiptir, bu da tek odaklı bir manyetik sektör kütle analiz cihazını veya dört kutupları uygun hale getirir. [6] TIMS için kullanılan en yaygın dedektörler Faraday kupası, Daly dedektörü, ve elektron çarpanı. [5] Geleneksel olarak, TI iyon kaynakları çoklu kolektörlü (MC) sistemlerle birleştirilir. [6]

Termal iyonizasyon mekanizması

Sıcak filaman sıvı numuneyi ısıttığında, numune içindeki fermi seviyeleri metalinkiyle pariteye ulaşır. Bu da bir elektronun numuneden metal filamente tünel açmasına izin verir. Sonuç olarak, bir elektron kaybeden numuneden pozitif iyonlar oluşur. Elektronların bu transferi aynı zamanda negatif iyonların oluşmasına da neden olur. Daha sonra iki tür termal iyonizasyon vardır. Biri pozitif termal iyonizasyondur (P-TI) ve ikincisi negatif termal iyonizasyondur (N-TI). [5] İyonların üretimi, Saha iyonlaşma denklemi veya Saha-Langmuir denklemi.[4]

İzotop oranı ölçümü

Farklı izotopların göreceli bollukları daha sonra farklı izotopların kimyasal fraksiyonlarını, radyojenik olmayan izotopların farklı rezervuarlarında seyahat etmeyi ve radyojenik yavru izotopların varlığıyla güneş sistemi nesnelerinin yaşını veya kökenlerini tanımlamak için kullanılır.[7][8]

Element analizi güvenilir izotopik oranlar sağladığı için baskın bir TIMS uygulamasıdır. Düşme eğilimini takip etmek iyonlaşma enerjisi Periyodik tablonun sol alt köşesine yerleştirilen elemanlar TIMS için uygundur. Ek olarak, yüksek Elektron ilgisi Periyodik tablonun sağ üst köşesine doğru bakıldığında bu ametaller mükemmel birer adaydır.[4] Teknik, izotop jeokimyasında yaygın olarak kullanılmaktadır, jeokronoloji ve kozmokimyada.[7][8]

Kantitatif izotop oranı teknikleri şunları içerir: izotop seyreltme termal iyonizasyon kütle spektrometresi (ID-TIMS) [9] ve kimyasal aşınma termal iyonizasyon kütle spektrometresi (CA-TIMS).[10]

İzotop seyreltme yöntemi kullanılır çünkü TIMS'deki sinyal yoğunluğu TIMS'e yerleştirilen miktarla orantılı değildir. [5]

Yaş tarihlendirmesi için, manyetik sektörlere sahip kütle spektrometreleri, dört kutuplu bir kütle spektrometresinden daha iyi hassasiyete sahiptir veya dört kutuplu kütle analizörü. Endüktif olarak birleştirilmiş plazma-dört kutuplu kütle spektrometreleri, radyoaktif bozunma ile izotopik oranların değişimini tespit etmek için daha da yüksek bir hassasiyete izin verir. Daha fazla hassasiyet, yaş tarihlemesinde daha yüksek çözünürlük anlamına gelir.[5]

Referanslar

  1. ^ Becker, Johanna Sabine (30 Ağustos 2012). "Bölüm 13 Radyonüklidlerin İnorganik Kütle Spektrometresi". L'Annunziata'da, Micheal F. (ed.). Radyoaktivite analizi el kitabı (3. baskı). Elsevier Science. s. 833-870. ISBN  978-0-12-384873-4.
  2. ^ Silikat Kayaç Analizi El Kitabı. ISBN  978-94-015-3990-6.
  3. ^ Constantinos A. Georgiou; Georgios P. Danezis. "Bölüm 3- Elemental ve İzotopik Kütle Spektrometresi". Pico, Yolanda (ed.). Gıda güvenliği ve kalitesi için gelişmiş kütle spektrometresi (68 ed.). s. 131-243. ISBN  978-0-444-63340-8.
  4. ^ a b c d e Dass, Chhabil (2007). Çağdaş kütle spektrometrisinin temelleri. Wiley-Interscience. pp.264 -265. ISBN  978-0-471-68229-5.
  5. ^ a b c d e Makishima, Akio (2016). Termal iyonizasyon kütle spektrometresi (TIMS): silikat sindirimi, ayırma ve ölçüm. Weinheim, Almanya: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. ISBN  978-3527340248.
  6. ^ a b c Brüt, Jürgen H. (2011). Kütle spektrometrisi: bir ders kitabı (2. baskı). Almanya: Springer. ISBN  978-3-642-10711-5.
  7. ^ a b Lehto, J., X. Hou, 2011. Radyonüklidlerin Kimyası ve Analizi. Wiley-VCH.
  8. ^ a b Dickin, A.P., 2005. Radyojenik İzotop Jeolojisi 2. baskı. Cambridge: Cambridge University Press. s. 21-22
  9. ^ Duan, Yixiang; Danen, Ray E .; Yan, Xiaomei; Steiner, Robert; Cuadrado, Juan; Wayne, David; Majidi, Vahid; Olivares José A. (Ekim 1999). "Kütle spektrometrisi için geliştirilmiş bir termal iyonizasyon boşluğu kaynağının karakterizasyonu". Amerikan Kütle Spektrometresi Derneği Dergisi. 10 (10): 1008–1015. doi:10.1016 / S1044-0305 (99) 00065-3. S2CID  95797693.
  10. ^ Mattinson, James M. (Temmuz 2005). "Zirkon U – Pb kimyasal aşındırma (" CA-TIMS ") yöntemi: Zirkon yaşlarının iyileştirilmiş hassasiyeti ve doğruluğu için kombine tavlama ve çok adımlı kısmi çözünme analizi". Kimyasal Jeoloji. 220 (1–2): 47–66. Bibcode:2005ChGeo.220 ... 47M. doi:10.1016 / j.chemgeo.2005.03.011.