Ускорительная масс-спектрометрия ( AMS ) — это форма масс-спектрометрии , которая ускоряет ионы до чрезвычайно высоких кинетических энергий перед массовым анализом. Особым преимуществом AMS среди различных методов масс-спектрометрии является его способность отделять редкий изотоп от обильной соседней массы («чувствительность к содержанию», например, 14 C от 12 C ). [1] Этот метод полностью подавляет молекулярные изобары и во многих случаях позволяет также отделить атомные изобары (например, 14 N от 14 C). Это делает возможным обнаружение встречающихся в природе 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 конкурирующий метод подсчета распада для всех изотопов, период полураспада которых достаточно велик. [2] Другие преимущества AMS включают короткое время измерения, а также способность обнаруживать атомы в очень маленьких образцах. [3]
Как правило, в источнике ионов создаются отрицательные ионы (атомы ионизируются ) . В удачных случаях это уже позволяет подавить нежелательную изобару, которая не образует отрицательные ионы (как 14 N в случае измерений 14 C). 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 ступенями, работающими в тандеме для ускорения частиц. В точке соединения двух ступеней ионы меняют заряд с отрицательного на положительный, проходя через тонкий слой вещества («зачистка», либо газа, либо тонкой углеродной фольги). На этой стадии разделения молекулы распадаются. [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 уже положительно заряженный ион ускоряется от сильно положительного центра электростатического ускорителя, который ранее притягивал отрицательный ион. Когда ионы покидают ускоритель, они заряжаются 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 фона не остается, если только не существует стабильная (атомная) изобара, образующая отрицательные ионы (например, 36 S при измерении 36 Cl), 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. В конечном итоге отдельные ионы обнаруживаются путем подсчета одиночных ионов (с помощью кремниевых детекторов с поверхностным барьером, ионизационных камер и/или времяпролетных телескопов). Благодаря высокой энергии ионов эти детекторы могут обеспечить дополнительную идентификацию фоновых изобар путем определения заряда ядра.
Вышеупомянутое – лишь один пример. Есть и другие способы достижения СКАТ; однако все они работают на основе улучшения массовой селективности и специфичности за счет создания высоких кинетических энергий перед разрушением молекул путем отщепления с последующим подсчетом одиночных ионов.
Л. В. Альварес и Роберт Корног из США впервые использовали ускоритель в качестве масс-спектрометра в 1939 году, когда они использовали циклотрон, чтобы продемонстрировать стабильность 3 He ; Из этого наблюдения они сразу же и правильно пришли к выводу, что другой изотоп массы-3, тритий ( 3 H), был радиоактивным. В 1977 году, вдохновленный этой ранней работой, Ричард А. Мюллер из Лаборатории Лоуренса Беркли осознал, что современные ускорители могут ускорять радиоактивные частицы до энергии, при которой фоновые помехи можно отделить с помощью методов идентификации частиц. Он опубликовал в журнале Science основополагающую статью [7], показывающую, как ускорители (циклотроны и линейные) можно использовать для обнаружения трития, радиоуглерода ( 14 C ) и ряда других изотопов, представляющих научный интерес, включая 10 Be ; он также сообщил о первом успешном радиоизотопном датировании, экспериментально полученном с использованием трития. Его статья послужила прямым источником вдохновения для других групп, использующих циклотроны (Г. Райсбек и Ф. Ю, во Франции) и тандемные линейные ускорители (Д. Нельсон, Р. Кортелинг, В. Стотт из Макмастера). К. Персер и его коллеги также опубликовали информацию об успешном обнаружении радиоуглерода с помощью своего тандема в Рочестере. Вскоре после этого группы из Беркли и Франции сообщили об успешном обнаружении изотопа 10 Be, широко используемого в геологии. Вскоре ускорительная техника, будучи более чувствительной примерно в 1000 раз, практически вытеснила старые методы «подсчета распада» этих и других радиоизотопов. В 1982 году лаборатории AMS начали обработку археологических образцов для радиоуглеродного датирования [8].
Существует множество применений 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 выборки (около 50 мг), но дает при этом обширную хронологию. Технология MS расширила возможности радиоуглеродного датирования. Образцы возрастом от 50 000 до 100 лет можно успешно датировать с помощью AMS. [9] Ускорительный масс-спектрометр необходим по сравнению с другими формами масс-спектрометрии из-за недостаточного подавления молекулярных изобар для разделения 13 CH и 12 CH 2 из радиоуглерода. Из-за длительного периода полураспада 14 C для подсчета распада требуются образцы значительно большего размера. 10 Be, 26 Al и 36 Cl используются для датирования поверхности в геологии. [10] 3 H , 14 C, 36 Cl и 129 I используются в качестве гидрологических индикаторов.
Ускорительная масс-спектрометрия широко используется в биомедицинских исследованиях. [11] [12] [13] В частности, 41 Ca использовался для измерения резорбции костей у женщин в постменопаузе.