Техника изотопного анализа Юрий Александрович Костицын yuri.kostitsyn@gmail.com МГУ им. М. В. Ломоносова Геологический факультет Задачи (*.xlsx) и лекции. - презентация

1 Техника изотопного анализа Юрий Александрович Костицын МГУ им. М. В. Ломоносова Геологический факультет Задачи (*.xlsx) и лекции (*.pptx) – на сайте Геохимия_Изотопов_и_Геохронология

2 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

3 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)

4 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

5 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.

6 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)

7 Анализаторы Квадрупольные Квадрупольные Положительно заряженные частицы Электрическое поле

8 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:

9 Секторный магнит Секторный магнит

10 Система регистрации ионных токов Цилиндр (чашка) Фарадея Токи порядка 10 –14 ÷ 10 –10 А

11 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

12 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.

13 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

14 Delta Plus

15 Triton

16 Neptune

17 ICP-MS с высоким разрешением: Element-2/XR, Neptune, Nu Plasma 1700

18 Element-XR Высокое разрешение

19 Лазерная абляция (LA-ICP-MS)

20

21 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

22 SIMS Cameca-1280

23

24 SHRIMP или LA-ICP-MS ?

25 Подготовка вещества к изотопному анализу

26 Кислород в силикатах и окислах (классическая схема) Clayton, Mayeda, 1963

27 Кислород в силикатах и окислах (лазерное фторирование) Sharp, 1990

28 Камера для фторирования лазером Sharp, 1990

29 Разделение элементов для твердофазного изотопного анализа