Техника изотопного анализа Юрий Александрович Костицын МГУ им. М. В. Ломоносова Геологический факультет Задачи (*.xlsx) и лекции (*.pptx) – на сайте Геохимия_Изотопов_и_Геохронология
Назначение масс-спектрометра Масс-спектрометр – прибор, позволяющий разделять движущиеся заряженные частицы по массам в магнитных и электрических полях и измерять их количества, т.е. получать масс- спектр Полученный сигнал далее используют для определения концентрации элемента или для измерения относительной распространённости изотопов
Основные системы масс-спектрометров и их назначение Получение ионов (источник) Получение ионов (источник) НагревНагрев Бомбардировка частицами (электронами, протонами, нейтронами, ионами)Бомбардировка частицами (электронами, протонами, нейтронами, ионами) Химические реакцииХимические реакции Тлеющий разряд …Тлеющий разряд … Разделение ионов по массам (анализатор) Разделение ионов по массам (анализатор) В магнитном полеВ магнитном поле В электрическом полеВ электрическом поле Во времениВо времени Измерение сигналов (система регистрации) Измерение сигналов (система регистрации) ОдноколлекторныеОдноколлекторные МногоколлекторныеМногоколлекторные Измерение токов (чашки Фарадея)Измерение токов (чашки Фарадея) Счёт частиц (ВЭУ)Счёт частиц (ВЭУ)
Источники ионов Термо-ионизационный (твердофазный). Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb, Lu-Hf, Re-Os, Hf-W Термо-ионизационный (твердофазный). Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb, Lu-Hf, Re-Os, Hf-W Одно-, двух- и трёхленточныеОдно-, двух- и трёхленточные Позволяет получать положительные и отрицательные ионыПозволяет получать положительные и отрицательные ионы Позволяет получать ионы отдельных атомов и соединений (напр., окислы)Позволяет получать ионы отдельных атомов и соединений (напр., окислы) Возможность получения ионов сильно зависит от чистоты препарата и других условийВозможность получения ионов сильно зависит от чистоты препарата и других условий Препарат Испаритель Ионизатор
Источники с ударной ионизацией Электронный удар. O, C, S, N, He, Ne, Ar, Kr, Xe. Электронный удар. O, C, S, N, He, Ne, Ar, Kr, Xe. Ионный (O 2 -, Ar +, Cs + ) удар. U-Pb в цирконах. Ионный (O 2 -, Ar +, Cs + ) удар. U-Pb в цирконах.
Источник с индуктивно- связанной плазмой (ИСП) или ICP – inductively coupled plasma. Широкий круг элементов. Анализ растворов, аэрозолей (лазерная абляция) Источник с индуктивно- связанной плазмой (ИСП) или ICP – inductively coupled plasma. Широкий круг элементов. Анализ растворов, аэрозолей (лазерная абляция)
Анализаторы Квадрупольные Квадрупольные Положительно заряженные частицы Электрическое поле
Времяпролётные, TOF – time of flight Времяпролётные, TOF – time of flight V – скорость иона Заряженная частица массой m и зарядом e в электрическом поле напряжённостью U приобретает энергию E: Ионы разной массы приобретают разную скорость и попадают на коллектор в разное время:
Секторный магнит Секторный магнит
Система регистрации ионных токов Цилиндр (чашка) Фарадея Токи порядка 10 –14 ÷ 10 –10 А
Система регистрации частиц (счёта ионов) Непрерывный динодный умножитель или (одно)канальный электронный умножитель или (single)channel electronic multiplier (CEM) или Channeltron Channeltron Вторично-электронный умножитель (ВЭУ) 10 –13 А Токи
Микроканальная пластина или Micro-channel plate (MCP) Набор тонких (~6-10 мкм) микроканалов, расположенных с интервалом ~15 мкм. Используются также двуслойные (chevron MCP) и трёхслойные (Z-stack MCP) с общим усилением более 10 7.
Коммерческие масс-спектрометры ИсточникАнализатор Система регистрации Примеры Ионный удар Секторный магнит Мульти- коллекторная Ионные зонды: SHRIMP, Cameca-1280 Твердофазный, термо- ионизационный TIMS: Triton, MAT-262, Sector-54 Газовый с электронным ударом Газовые: MAT-253, ARGUS, Noblesse ICP-MS MC-ICP-MS: Neptune, Nu Plasma, Isoprobe, Axiom квадрупольный, времяпролётный или секторный магнит Одно-коллекторнаяICP-MS: Element, Agilent, Plasmaquad, Elan, LECO Renaissance, GBC OptiMass
Delta Plus
Triton
Neptune
ICP-MS с высоким разрешением: Element-2/XR, Neptune, Nu Plasma 1700
Element-XR Высокое разрешение
Лазерная абляция (LA-ICP-MS)
Ионно-ионные масс-спектрометры (SIMS, SHRIMP, ion microprobe) SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Micro- Probe ) SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Micro- Probe ) Cameca-1270 / 1280 Cameca-1270 / 1280
SIMS Cameca-1280
SHRIMP или LA-ICP-MS ?
Подготовка вещества к изотопному анализу
Кислород в силикатах и окислах (классическая схема) Clayton, Mayeda, 1963
Кислород в силикатах и окислах (лазерное фторирование) Sharp, 1990
Камера для фторирования лазером Sharp, 1990
Разделение элементов для твердофазного изотопного анализа