stringtranslate.com

Ускорительная масс-спектрометрия

Ускорительная масс-спектрометрия ( AMS ) — это форма масс-спектрометрии , которая ускоряет ионы до необычайно высоких кинетических энергий перед массовым анализом. Особая сила AMS среди различных методов масс-спектрометрии заключается в его способности отделять редкий изотоп от обильной соседней массы («чувствительность к обилию», например, 14 C от 12 C ). [1] Метод полностью подавляет молекулярные изобары и во многих случаях может также разделять атомные изобары (например, 14 N от 14 C). Это делает возможным обнаружение природных долгоживущих радиоизотопов, таких как 10 Be , 36 Cl , 26 Al и 14 C. (Их типичное изотопное содержание колеблется от 10 −12 до 10 −18 .)

AMS может превзойти конкурирующую технику подсчета распада для всех изотопов, у которых период полураспада достаточно велик. [2] Другие преимущества AMS включают короткое время измерения, а также способность обнаруживать атомы в чрезвычайно малых образцах. [3]

Метод

Обычно отрицательные ионы создаются (атомы ионизируются ) в источнике ионов . В удачных случаях это уже позволяет подавить нежелательную изобару, которая не образует отрицательных ионов (как 14N в случае измерений 14C ). Предварительно ускоренные ионы обычно разделяются первым масс-спектрометром секторного типа и поступают в электростатический «тандемный ускоритель». Это большой ускоритель ядерных частиц, основанный на принципе тандемного ускорителя Ван де Граафа, работающего при напряжении от 0,2 до многих миллионов вольт с двумя каскадами, работающими в тандеме для ускорения частиц. В точке соединения между двумя каскадами ионы меняют заряд с отрицательного на положительный, проходя через тонкий слой вещества («раздевание», либо газ, либо тонкая углеродная фольга). Молекулы будут распадаться на этом этапе раздевания. [4] [5] Полное подавление молекулярных изобар (например, 13 CH − в случае измерений 14 C) является одной из причин исключительной чувствительности AMS к содержанию. Кроме того, удар отрывает несколько электронов иона, превращая его в положительно заряженный ион. Во второй половине ускорителя теперь положительно заряженный ион ускоряется от высокоположительного центра электростатического ускорителя, который ранее притягивал отрицательный ион. Когда ионы покидают ускоритель, они заряжены положительно и движутся со скоростью в несколько процентов от скорости света. На втором этапе масс-спектрометра фрагменты молекул отделяются от интересующих ионов. Этот спектрометр может состоять из магнитных или электрических секторов и так называемых селекторов скорости , которые используют как электрические , так и магнитные поля . После этой стадии фон не остается, если только не существует стабильной (атомной) изобары, образующей отрицательные ионы (например, 36S при измерении 36Cl ), которая вообще не подавляется описанной до сих пор установкой. Благодаря высокой энергии ионов их можно разделить методами, заимствованными из ядерной физики, такими как фольга-деградатор и газонаполненные магниты. Отдельные ионы в конечном итоге обнаруживаются путем подсчета отдельных ионов (с помощью кремниевых поверхностно-барьерных детекторов, ионизационных камер и/или телескопов времени пролета). Благодаря высокой энергии ионов эти детекторы могут обеспечить дополнительную идентификацию фоновых изобар путем определения ядерного заряда. [ необходима цитата ]

Обобщения

Схема ускорительного масс-спектрометра [6]

Вышеприведенное — всего лишь один пример. Существуют и другие способы достижения AMS; однако все они работают на основе улучшения массовой селективности и специфичности путем создания высоких кинетических энергий перед разрушением молекулы путем отрыва, за которым следует подсчет отдельных ионов. [ необходима цитата ]

История

LW Alvarez и Robert Cornog из США впервые использовали ускоритель в качестве масс-спектрометра в 1939 году, когда они использовали циклотрон, чтобы продемонстрировать, что 3He стабилен ; из этого наблюдения они немедленно и правильно заключили, что другой изотоп с массой 3, тритий ( ​​3H ), радиоактивен. В 1977 году, вдохновленный этой ранней работой, Ричард А. Мюллер из Лаборатории Лоуренса в Беркли признал, что современные ускорители могут ускорять радиоактивные частицы до энергии, при которой фоновые помехи можно отделить с помощью методов идентификации частиц. Он опубликовал основополагающую статью в Science [7], показывающую, как ускорители (циклотроны и линейные) могут использоваться для обнаружения трития, радиоуглерода ( 14C ) и нескольких других изотопов, представляющих научный интерес, включая 10Be ; он также сообщил о первой успешной дате радиоизотопа , полученной экспериментально с использованием трития . Его работа стала прямым источником вдохновения для других групп, использующих циклотроны (G. Raisbeck и F. Yiou во Франции) и тандемные линейные ускорители (D. Nelson, R. Korteling, W. Stott в McMaster). K. Purser и коллеги также опубликовали успешное обнаружение радиоуглерода с помощью своего тандема в Рочестере. Вскоре после этого команды из Беркли и Франции сообщили об успешном обнаружении 10Be , изотопа, широко используемого в геологии. Вскоре метод ускорителя, поскольку он был более чувствительным примерно в 1000 раз, фактически вытеснил старые методы «подсчета распада» для этих и других радиоизотопов. В 1982 году лаборатории AMS начали обрабатывать археологические образцы для радиоуглеродного датирования [8]

Приложения

Существует множество приложений для AMS в различных дисциплинах. AMS чаще всего используется для определения концентрации 14 C , например, археологами для радиоуглеродного датирования . По сравнению с другими методами радиоуглеродного датирования, AMS требует меньших размеров образцов (около 50 мг), при этом обеспечивая обширные хронологии. Технология MS расширила сферу радиоуглеродного датирования. Образцы возрастом от 50 000 до 100 лет могут быть успешно датированы с помощью AMS, [9] поскольку другие формы масс-спектрометрии обеспечивают недостаточное подавление молекулярных изобар для разделения 13 CH и 12 CH 2 из атомов 14 C. Из-за длительного периода полураспада 14 C для подсчета распада требуются значительно более крупные образцы. 10 Be, 26 Al и 36 Cl используются для датирования поверхностного воздействия в геологии. [10] 3 H , 14 C, 36 Cl и 129 I используются в качестве гидрологических трассеров.

Масс-спектрометрия с ускорителем широко используется в биомедицинских исследованиях. [11] [12] [13] В частности, 41 Ca использовался для измерения резорбции костей у женщин в постменопаузе. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Макнот, А.Д.; Уилкинсон, А., ред. (1997). "Чувствительность к содержанию (в масс-спектрометрии)". Компендиум химической терминологии (2-е изд.). IUPAC . doi :10.1351/goldbook.A00048. ISBN 978-0-86542-684-9.
  2. ^ Будзикевич, Х.; Григсби, Р.Д. (2006). «Масс-спектрометрия и изотопы: столетие исследований и дискуссий». Обзоры масс-спектрометрии . 25 (1): 146–157. Bibcode : 2006MSRv...25..146B. doi : 10.1002/mas.20061. PMID  16134128.
  3. ^ Hellborg, Ragnar; Skog, Göran (сентябрь 2008 г.). "Accelerator mass spectrometry". Mass Spectrometry Reviews . 27 (5): 398–427. Bibcode : 2008MSRv...27..398H. doi : 10.1002/mas.20172 . ISSN  0277-7037. PMID  18470926.
  4. ^ Литерленд, AE (1980). «Сверхчувствительная масс-спектрометрия с ускорителями». Annual Review of Nuclear and Particle Science . 30 : 437–473. Bibcode :1980ARNPS..30..437L. doi : 10.1146/annurev.ns.30.120180.002253 .
  5. ^ de Laeter, JR (1998). "Масс-спектрометрия и геохронология". Mass Spectrometry Reviews . 17 (2): 97–125. Bibcode :1998MSRv...17...97D. doi :10.1002/(SICI)1098-2787(1998)17:2<97::AID-MAS2>3.0.CO;2-J.
  6. ^ Ха, Санг (2009). «Последние достижения в области биомедицинских приложений ускорительной масс-спектрометрии». Журнал биомедицинской науки . 16 (1): 54. doi : 10.1186/1423-0127-16-54 . ISSN  1423-0127. PMC 2712465. PMID 19534792  . 
  7. ^ Muller, RA (1977). «Радиоизотопное датирование с помощью циклотрона». Science . 196 (4289): 489–494. Bibcode :1977Sci...196..489M. doi :10.1126/science.196.4289.489. PMID  17837065. S2CID  21813292.
  8. ^ Харрис, DR (25 августа 1987 г.). «Влияние радиоуглеродного датирования с помощью ускорительной масс-спектрометрии на археологию». Королевское общество . 323 (1569): 23–43. Bibcode : 1987RSPTA.323...23H. doi : 10.1098/rsta.1987.0070. S2CID  91488734. Получено 12 июля 2022 г.
  9. ^ Морлан, Ричард. «Принципы датирования по радиоуглероду». Канадская археология . Канадская база данных археологических радиоуглеродных данных . Получено 12 июля 2022 г.
  10. ^ Шефер, Йорг М.; Кодилян, Александру Т.; Уилленбринг, Джейн К.; Лу, Чжэн-Тянь; Кейслинг, Бенджамин; Фюлеп, Река-Х.; Вал, Педро (10 марта 2022 г.). «Космогенные нуклидные методы». Учебники по методам Nature Reviews . 2 (1): 1–22. дои : 10.1038/s43586-022-00096-9. ISSN  2662-8449. S2CID  247396585.
  11. ^ Браун, К.; Дингли, К. Х.; Тертелтауб, К. В. (2005). «Ускорительная масс-спектрометрия для биомедицинских исследований». Биологическая масс-спектрометрия. Методы в энзимологии. Т. 402. С. 423–443. doi :10.1016/S0076-6879(05)02014-8. ISBN 9780121828073. PMID  16401518.
  12. ^ Vogel, JS (2005). «Ускоренная масс-спектрометрия для количественного отслеживания in vivo». BioTechniques . 38 (S6): S25–S29. doi : 10.2144/05386SU04 . PMID  16528913.
  13. ^ Palmblad, M.; Buchholz, BA; Hillegonds, DJ; Vogel, JS (2005). «Нейронаука и ускорительная масс-спектрометрия». Журнал масс-спектрометрии . 40 (2): 154–159. Bibcode : 2005JMSp...40..154P. doi : 10.1002/jms.734 . PMID  15706618.

Библиография