Масс-спектрометрия

Август 6, 2022

Главная
Физика
Масс-спектрометрия

Содержание

2. Геохимия изотопов и абсолютная геохронология, методы анализа абсолютного возраста пород и минералов Основой исследования в геологии
3. Способы осмысления геологического времени: литологические, биостратиграфические, радиологические. Литологическая концепция – Н.Стенсен (1669 г.): слоистая структура пород
4. Геохимия изотопов и абсолютная геохронология Элемент - вид атомов с определенным зарядом ядра. Разновидности атомов с
7. Масс-спектрометрия в данном случае является методикой анализа абсолютного возраста пород и минералов! Масс-спектральный анализ – это
8. Масс-спектральные методы анализа
9. Основные области применения 1. Анализ химического (изотопного) состава газов жидких и твёрдых веществ. Является практически единственным
10. ПРИМЕНЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
11. 6 5 1 2 3 4 Основные блоки масс-спектрометра 1 - Устройство ввода пробы 2 -
12. Устройство ввода пробы зависит от агрегатного состояния анализируемого объекта. Пробоподготовка к масс-спекрометрическим исследованиям проба Анализ Поступление
13. Способы ионизации атомов и молекул зависят от конкретной цели анализа
14. Образование масс спектров Ex˃φ(M) Образование ионов обусловлено процессами которые разделяются на первичные и вторичные. Первичные –
15. ИОНЫ Осколочные Молекулярные Перегруппировочные Метастабильные Отрицательные Многозарядные Кластеры Способы получения ионов (источники)
16. Ионизация электронным ударом Плазменная-десорбционная ионизация (PD) Химическая ионизация (CI) MH + C2H5+ MH2+ + C2H4 MH
17. Линзы Окно Конус скиммера Конус самплера Вакуум Горелка Ионизация в индукционно связанной плазме
18. Термоионизация проба Нагреваемая фольга Pt или Re Искровая ионизация и ионизация в тлеющем разряде
19. Для анализа изотопного состава легких элементов (углерод, водород, кислород. сера, азот и т.д.) используется ионизация электронным
20. Масс-анализаторы 1. Отделение ионного луча с массой ионов m от других ионов с массой m+Δm (разрешение
21. Finnigan ELEMENT2: double focusing magnetic sector field ICP-MS. r = 1 H e 2mV m –
22. Радиочастотный Омегатронный
23. Схема времяпролетного масс-спектрометра JEOL AccuTOF tm=L/U=L m 2eV L – длина пути U - скорость
24. времяпролетный хромато-масс-спектрометр CORSAR времяпролетный хромато-масс-спектрометр TEMPUS
25. Схема квадрупольного масс-спектрометра Квадрупольный фильтр масс Детектор
26. Схема квадрупольного масс-спектрометра ELAN9000
27. LCQ DECA POLARIS Q Ионная ловушка
28. Детекторы ионов Фотографические Фотоэлектрические Электрометр (Цилиндр Фарадея) Электронные Умножители Вакуумные ЭУ Канальные ЭУ Фотоумножитель (детектор Дэли)
29. Фотоумножитель (детектор Дэли) Фосфоресцирующий экран или сцинтиляторный счетчик фотоумножитель Преобразующий динод Коллектор (кубок) Фарадея Ионно- индуцированный
30. Электронно-множительные трубки Непрерывные электронно-множительные трубки (Ченнелтроны) Преобразующий динод
31. Микроканальные пластины
34. Первые сообщения и публикации 1983-1985 гг. Первые коммерческие LA системы для ИСП-МС появились в 1986-87гг (стоимость
35. Длина волны лазерного излучения (от 1064 до 148 нм) Энергия импульса (типично от единиц мДж до
37. Shrimp II (Sensitive High Resolution Ion Micro Probe II) Вторично-ионная масс-спектрометрия
38. НИИ Атомных Реакторов
40. Переходные линзы Ввод образца образец Вводная щель МС Окно энергий Электростатический сектор апертуры Линза спектрометра Магнитный
41. Изображения показывают зерно пирита (FeS2) из образца золотой руды с золотом, расположенным по краю зерна пирита.
42. Порода/Хондрит Распределение редкоземельных элементов в океанических и континентальных толеитовых базальтах. 1 – срединно-океанические хребты, 2 –
43. NanoSIMS 50
44. Геология, космохимия: межзвездные силикаты показали в группе Межзвездные Частицы Пыли (IDP). Размер зерна 0.1-0.2µm показано различие
45. Картирование зерна циркона по торию Изотопы кислорода в цирконе Изотопы бора в турмалине CAMECA IMS 1280
47. Physical Electronics TRIFT III ToF SIMS System
48. Physical Electronics ADEPT-1010
49. МС изучает окаменевшие останки
50. МС поможет изучить наноалмазы
52. Скачать презентацию

Слайд 2

Геохимия изотопов и абсолютная геохронология, методы анализа абсолютного возраста пород и

минералов
Основой исследования в геологии является восстановление последовательности событий во времени. Решить эту задачу позволяет анализ состава горных пород и времени их отложения. Существует две системы летосчисления - абсолютная и относительная.
Под абсолютным возрастом горных пород, минералов и событий понимают количество лет, прошедшее с момента образования горной породы или геологического события по отношению к настоящему времени.
Под относительным возрастом горных пород и событий понимается отношение возраста одних горных пород к другим или отношение возраста одного геологического события к другому (одни породы старше или моложе других).
Каждая горная порода несет двойную смысловую нагрузку, как результат геологических процессов и вещественное выражение времени. Геологические процессы прямому наблюдению не доступны, но результаты их деятельности остаются в породах, слагающих земную кору. Аналогично недоступно для наблюдения течение геологического времени. Оно познается только по смене геологических тел. Восстановление последовательности геологических событий прошлого Земли - главная задача геохронологии.

Слайд 3

Способы осмысления геологического времени: литологические, биостратиграфические, радиологические.
Литологическая концепция – Н.Стенсен (1669

г.): слоистая структура пород поверхности Земли есть пространственное отображение геологического времени (в серии нормально залегающих пластов вышележащий пласт моложе нижележащего). Время определяется по накоплениям осадков в морях, океанах, реках. Литология - наука об осадочных горных породах. Генетическое значение пласта песчаника выясняется в результате анализа состава, размеров, формы и расположения в пространстве слагающих его зерен; эти физические свойства совместно с другими, особенно с окраской и структурой, определяют литологическую характеристику пласта. Системы летосчисления - относительная.
Биостратиграфическая концепция – У.Смит (1813-1815 гг.): в основе выделения временых последовательностей пород останки древних организмов фауны и флоры. В основе статистическая оценка относительной распространенности различных видов окаменелой фауны и флоры. Системы летосчисления - относительная.
Радиологическая концепция – П.Кюри, Э.Резерфорд (начало 20 века): возраст геологических образований определяется исходя из отношения в них материнского и дочернего изотопов радиоактивного элемента. Система летосчисления – абсолютная.

Слайд 4

Геохимия изотопов и абсолютная геохронология
Элемент - вид атомов с определенным зарядом

ядра.
Разновидности атомов с разным числом нейтронов – изотопы (204Pb, 206Pb,207Pb,208Pb), а с разным числом протонов - изобары (14С и 14N).
Многие элементы - совокупности изотопов.
На Земле зафиксировано 1700 изотопов,
264 – стабильные, 1436 - радиоактивные.
Закон распада материнского изотопа Р(t)=Р(0)exp(- t/ λ)
Закон роста дочернего изотопа D(t)=Р(0)(1- exp(- λ*t)).
D(t)/Р(t)=(exp λ*t-1), где λ - период полураспада, время, за которое количество материнского изотопа уменьшается в 2 раза.
Цепи α-распада
238U→206Pb+84He (λ =4.568 млд. лет)
235U→207Pb+74He (λ =0.7138 млд. лет)
232Th→208Pb+64He (λ =13.89 млд. лет).
2. К-захват е- - 40К->40Ar (вероятность процесса 11%)
(λ =1.3 млд. лет),
β-распад - 40К-> 40 Са (вероятность процесса 89%),
(λ =0.15 млд. лет).
3. К-захват е- - 87Rb->87Sr (λ =47 млд. лет)
3. Космогенные изотопы - 14С->14N (λ =5730 лет)

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Масс-спектрометрия в данном случае является методикой анализа абсолютного возраста пород и

минералов!

Масс-спектральный анализ – это физический метод, основанный на разделении ионов в соответствии с соотношением M(масса)/Z(заряд) под действием электрических и магнитных полей и последующей регистрацией ионных токов.
Этот метод, сегодня рутинно используемый в тысячах лабораторий и предприятий мира, имеет в своей основе фундаментальные знания природы вещества и использует основополагающие физические принципы явлений.

Слайд 8

Масс-спектральные методы анализа

Слайд 9

Основные области применения
1. Анализ химического (изотопного) состава газов жидких и

твёрдых веществ.
Является практически единственным прецизионным методом для измерения
масс атомов и молекул, для определения дефектов масс в ядерной физике.
2. Решение основных задач геологии: примесный состав горных пород и мине-
ралов, определение возраста горных пород и источника вещества (по K, Ar, C,
O, S, Rb, Sr, Sm, Nd, U, Pb и др.).
3. Определение примесного состава при анализе высокочистых веществ в
технике, медицине, экологии и т.д.
4. Анализ молекулярного состава сложных органических смесей в нефтяной и
газоперерабатывающей промышленности.
5. Изучение обмена веществ в живых организмах (биохимия).
6. Исследование атмосферы планет и космического пространства.
7. Исследование газофазных реакций в высокотемпературной химии и др.

Слайд 10

ПРИМЕНЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

Слайд 11

6
5
1
2
3
4
Основные блоки масс-спектрометра
1 - Устройство ввода пробы
2 - Источник ионов
3 -

Масс-анализатор
4 - Детектор
5 - Блоки питания
6 - Вакуумная система

Слайд 12

Устройство ввода пробы зависит от агрегатного состояния анализируемого объекта.
Пробоподготовка к

масс-спекрометрическим исследованиям

проба

Анализ

Поступление газовых
эманаций из прибора
термического анализа

Растворение
Микроволновая печь, автоклав

Сплавление с флюсом LiBO2

Полировка

Лазерный
пробоотборник

Горелка

Ионообменные колонки

Слайд 13

Способы ионизации атомов и молекул зависят от конкретной цели анализа

Слайд 14

Образование масс спектров
Ex˃φ(M)
Образование ионов обусловлено процессами которые разделяются на первичные и

вторичные.
Первичные – изменение в электронной структуре частицы М под влиянием ионизирующего фактора Х.
Вторичные – дальнейшие изменения происходят с электронной структурой частицы М.

Слайд 15

ИОНЫ
Осколочные
Молекулярные
Перегруппировочные
Метастабильные
Отрицательные
Многозарядные
Кластеры
Способы получения ионов (источники)

Слайд 16

Ионизация электронным ударом
Плазменная-десорбционная ионизация (PD)
Химическая ионизация (CI)
MH + C2H5+ MH2+ +

C2H4
MH + C2H5+ M+ + C2H6

CH4+ + CH4 CH5+ + CH3
CH3+ + CH4 C2H5+ + H2

Ионизация в электроспрее (ESI)
от1 мл/мин до1мкл/30мин

Ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI)

Проба в смеси с
никотиновой кислотой

Датчик

252Cf

Бомбардировка быстрыми атомами (FAB)

Слайд 17

Линзы
Окно
Конус скиммера
Конус самплера
Вакуум
Горелка
Ионизация в индукционно связанной плазме

Слайд 18

Термоионизация
проба
Нагреваемая фольга Pt или Re
Искровая ионизация и
ионизация в тлеющем

разряде

Слайд 19

Для анализа изотопного состава легких элементов (углерод, водород, кислород. сера, азот

и т.д.) используется ионизация электронным ударом. В этом случае годятся все методы ввода газовой фазы, как и в органических масс-спектрометрах ( DELTAPlus XL, МАТ253 и др. ).
Для анализа изотопов более тяжелых элементов используется термоионизация ( TRITON TI) или
ионизация в индуктивно-связанной плазме (ELAN, NEPTUNE, ELEMENT2).

Полевая ионизация

Лазерная ионизация (LIMS)

Резонансно-ионизационная масс-спектрометрия (RIMS)

Вторичная ионизация (SIMS)

Слайд 20

Масс-анализаторы
1. Отделение ионного луча с массой ионов m от других ионов

с массой m+Δm
(разрешение или диспергирование масс-спектра)
2. Повысить интенсивность разрешенных ионных пучков (фокусировка)

задача

Статические
(постоянное поле)

Динамические
(поле меняется)

МА с циклоидальной фокусировкой
(двойная фокусировка в магнитном и
электрическом поле)

Радиочастотные
Омегатронные
Времяпролетные
Квадрупольные

Слайд 21

Finnigan ELEMENT2:
double focusing magnetic
sector field ICP-MS.
r =
1
H
e
2mV
m – масса иона
е

– заряд иона
Н – индукция магнитного
поля
V – ускоряющий потенциал
электрического поля

Слайд 22

Радиочастотный
Омегатронный

Слайд 23

Схема времяпролетного масс-спектрометра
JEOL AccuTOF
tm=L/U=L
m
2eV
L – длина пути
U

- скорость

Слайд 24

времяпролетный
хромато-масс-спектрометр
CORSAR
времяпролетный
хромато-масс-спектрометр TEMPUS

Слайд 25

Схема квадрупольного масс-спектрометра
Квадрупольный фильтр масс
Детектор

Слайд 26

Схема квадрупольного масс-спектрометра ELAN9000

Слайд 27

LCQ DECA
POLARIS Q
Ионная ловушка

Слайд 28

Детекторы
ионов
Фотографические
Фотоэлектрические
Электрометр
(Цилиндр Фарадея)
Электронные
Умножители
Вакуумные
ЭУ
Канальные
ЭУ
Фотоумножитель
(детектор Дэли)
Режимы
Детектирование
ионов
Аналоговый
(сила ионного тока)
Счетный
(счет импульсов)
Ченнелтроны
Электронно-
множительные
трубки
Микроканальные
пластины

Слайд 29

Фотоумножитель
(детектор Дэли)
Фосфоресцирующий экран
или сцинтиляторный счетчик
фотоумножитель
Преобразующий динод
Коллектор
(кубок) Фарадея
Ионно-
индуцированный
ток

Слайд 30

Электронно-множительные трубки
Непрерывные электронно-множительные
трубки
(Ченнелтроны)
Преобразующий
динод

Слайд 31

Микроканальные
пластины

Слайд 32

Слайд 33

Слайд 34

Первые сообщения и публикации 1983-1985 гг.
Первые коммерческие LA системы для ИСП-МС

появились в 1986-87гг (стоимость ~ 200т$)
Сейчас на рынке множество вариантов систем
4-6 поколений

Общая тенденция развития LA-ICP-MS
Длина волны излучения
1064 nm > 532 nm > 266 nm > 213 nm >196 nm
(248 nm) (174 nm)
Диаметр абляционного пятна
30-1000мкм > 6-300 мкм > 3-300 мкм
Типичный (макс.) размер аэрозольных частиц
до 1-5 (10) мкм > 0.1-2 (5) мкм > 0.1-1 (5) мкм
Сейчас на рынке присутствуют все системы
40-80т$ 60-120т$ 100-200т$

Laser Ablation ICP-MS

Газовые
Kr-F, Xe-F

Твердотельные
Nd/YAG

Слайд 35

Длина волны лазерного излучения (от 1064 до 148 нм)
Энергия импульса (типично

от единиц мДж до 0.1*n Дж)
Частота повторения импульсов (единичные, 1-50 Гц)
Диаметр пятна абляции (5-1000 мкм)
Длительность импульса (Q-switched) (< 10 ns)
Невоспроизводимость энергии импульсов (обычно менее 1%)
Однородность распределения мощности излучения по пятну абляции
Точность позиционирования образца и фокусировки излучения
Возможность перемещения образца во время анализа
Надежность излучателя и системы позиционирования
Простота в работе
Простота обслуживания
Управление через компьютер с программным обеспечением
Примечание 1: любой из параметров может быть решающим
Примечание 2: параметры 1-5 сильно взаимозависимы

Важные для ICP-MS анализа параметры LA систем

Слайд 36

Слайд 37

Shrimp II
(Sensitive High Resolution Ion Micro Probe II)
Вторично-ионная масс-спектрометрия

Слайд 38

НИИ Атомных Реакторов

Слайд 39

Слайд 40

Переходные
линзы
Ввод образца
образец
Вводная
щель МС
Окно энергий
Электростатический
сектор
апертуры
Линза
спектрометра
Магнитный сектор
Выходная
щель
Проекционные
линзы
Электро-
статический
сектор
Детектор
изображений
Управление
лучом
Electron
Multiplier
tube
Цилиндр
Фарадея

Слайд 41

Изображения показывают зерно пирита (FeS2) из образца золотой руды с золотом,

расположенным по краю зерна пирита.
Изображение справа – 34S, и слева - 197Au. Числовые масштабы и связанные цвета представляют различные диапазоны интенсивности вторичного иона в пикселях.

Слайд 42

Порода/Хондрит
Распределение редкоземельных элементов в океанических и континентальных толеитовых базальтах.
1 –

срединно-океанические хребты, 2 – платобазальты Колумбии и Декана, 3 – мантия

Слайд 43

NanoSIMS 50

Слайд 44

Геология, космохимия: межзвездные силикаты показали в группе Межзвездные Частицы Пыли (IDP).

Размер зерна 0.1-0.2µm показано различие его отношения изотопов кислорода. Изотопический состав такого зерна помогает моделированию условия формирования звезды. Данные Скотта Мессенджера, Вашингтонского Унив, C. Луи, США. Изотопическое измерение, зарегистрированное на SIMS ионом микрозонде NanoSIMS 50

Слайд 45

Картирование зерна
циркона по торию
Изотопы кислорода
в цирконе
Изотопы бора в турмалине
CAMECA
IMS 1280
CAMECA
NanoSIMS 50

Слайд 46

Слайд 47

Physical Electronics TRIFT III ToF SIMS System

Слайд 48

Physical Electronics ADEPT-1010

Слайд 49

МС изучает окаменевшие останки

Слайд 50

Масс-спектрометрия

Содержание

Геохимия изотопов и абсолютная геохронология, методы анализа абсолютного возраста пород и

Способы осмысления геологического времени: литологические, биостратиграфические, радиологические.Литологическая концепция – Н.Стенсен (1669

Геохимия изотопов и абсолютная геохронологияЭлемент - вид атомов с определенным зарядом

Масс-спектрометрия в данном случае является методикой анализа абсолютного возраста пород и

Масс-спектральные методы анализа

Основные области применения 1. Анализ химического (изотопного) состава газов жидких и

ПРИМЕНЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

651234Основные блоки масс-спектрометра1 - Устройство ввода пробы2 - Источник ионов3 -

Устройство ввода пробы зависит от агрегатного состояния анализируемого объекта. Пробоподготовка к

Способы ионизации атомов и молекул зависят от конкретной цели анализа

Образование масс спектров Ex˃φ(M)Образование ионов обусловлено процессами которые разделяются на первичные и

ИОНЫОсколочныеМолекулярныеПерегруппировочныеМетастабильныеОтрицательныеМногозарядныеКластерыСпособы получения ионов (источники)

Ионизация электронным ударомПлазменная-десорбционная ионизация (PD)Химическая ионизация (CI)MH + C2H5+ MH2+ +

ЛинзыОкно Конус скиммераКонус самплераВакуумГорелкаИонизация в индукционно связанной плазме

ТермоионизацияпробаНагреваемая фольга Pt или Re Искровая ионизация и ионизация в тлеющем

Для анализа изотопного состава легких элементов (углерод, водород, кислород. сера, азот

Масс-анализаторы1. Отделение ионного луча с массой ионов m от других ионов

Finnigan ELEMENT2:double focusing magneticsector field ICP-MS. r =1He2mVm – масса ионае

РадиочастотныйОмегатронный

Схема времяпролетного масс-спектрометраJEOL AccuTOF tm=L/U=L m 2eVL – длина пути U

времяпролетныйхромато-масс-спектрометрCORSARвремяпролетныйхромато-масс-спектрометр TEMPUS

Схема квадрупольного масс-спектрометраКвадрупольный фильтр массДетектор