Иондық үдеткіштер және массалық спектрометрия: Сирек изотоптарды талдау әдісі
Accelerator mass spectrometry
Үдеткіш массалық спектрометриясы (AMS): изотоптарды жоғары жылдамдықпен үдету арқылы талдау, сирек изотоптарды анықтау, радиоактивті изотоптарды зерттеу.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Иондарды талдау алдында жоғары жылдамдыққа дейін үдетіп жіберетін үдеткіш.
Accelerator that accelerates ions to high speeds before analysis
Үдеткіш массалық спектрометрия (AMS) – бұл массалық талдау алдында иондарды өте жоғары кинетикалық энергияға дейін үдететін массалық спектрометрияның бір түрі. AMS-тің басқа массалық спектрометрия әдістерінен ерекше артықшылығы – сирек изотопты көптеген жақын массадан ("молықтық сезімталдық", мысалы, 14C-ді 12C-ден) бөлу қабілеті. Бұл әдіс молекулалық изобарларды толығымен жояды және көп жағдайда атомдық изобарларды да (мысалы, 14N-ді 14C-ден) бөле алады. Осының арқасында 10Be, 36Cl, 26Al және 14C сияқты табиғатта кездесетін, ұзақ өмір сүретін радиоизотоптарды анықтау мүмкін болады. (Олардың әдеттегі изотоптық молықтығы 10−12 мен 10−18 аралығында шамаланады.) AMS, жартылай ыдырау мерзімі жеткілікті ұзақ болған барлық изотоптар үшін, ыдырауды санаудың бәсекелес әдісінен жоғары нәтиже береді. AMS-тің басқа да артықшылықтарына қысқа өлшеу уақыты, сондай-ақ өте кішкентай үлгілерде атомдарды анықтау мүмкіндігі жатады.
Accelerator mass spectrometry (AMS) is a form of mass spectrometry that accelerates ions to extraordinarily high kinetic energies before mass analysis. The special strength of AMS among the different methods of mass spectrometry is its ability to separate a rare isotope from an abundant neighboring mass ("abundance sensitivity", e. g. 14C from 12C). The method suppresses molecular isobars completely and in many cases can also separate atomic isobars (e. g. 14N from 14C). This makes possible the detection of naturally occurring, long lived radio isotopes such as 10Be, 36Cl, 26Al and 14C. (Their typical isotopic abundance ranges from 10−12 to 10−18.) AMS can outperform the competing technique of decay counting for all isotopes where the half life is long enough. Other advantages of AMS include its short measuring time as well as its ability to detect atoms in extremely small samples.
Әдіс
Жалпы алғанда, теріс иондар ион көзінде жасалады (атомдар иондалады). Қолдаушы жағдайларда, бұл жағымсыз изобарды жоюға мүмкіндік береді, ол теріс иондарды құрамайды (мысалы, 14C өлшеулерінде 14N сияқты). Алдын ала үдетілген иондар әдетте секторлық өрістік типтегі бірінші массалық спектрометрмен бөлінеді және электростатикалық "тандем үдеткішке" кіреді. Бұл тандемді ван де Грааф үдеткішінің принципіне негізделген үлкен ядролық бөлшектер үдеткіші, екі сатысы бірге жұмыс істейді, 0,2 миллион вольттан бірнеше миллион вольтқа дейін. Екі саты арасындағы қосылған жерде иондар зарядты терістен оңға өзгертеді, заттың жұқа қабатынан өтеді ("қабылдау", газ немесе жұқа көміртек фольгасы). Осы қабылдау кезінде молекулалар ыдырайды. Молекулалық изобарларды толық жою (мысалы, 13CH− 14C өлшеу кезінде) АМС-тің ерекше мөлшерлік сезімталдығының бір себебі болып табылады. Сонымен қатар, соққы ионнан бірнеше электронды алып тастап, оны оң зарядталған ионға айналдырады. Үдеткіштің екінші жартысында, енді оң зарядталған ион электростатикалық үдеткіштің күшті оң ортасынан, бұрын теріс ионды тартқаннан, үдетіледі. Иондар үдеткіштен шыққанда, олар оң зарядталған және жарық жылдамдығының бірнеше пайызымен қозғалады. Массалық спектрометрдің екінші сатысында молекулалардың фрагменттері қызығушылық тудыратын иондардан бөлінеді. Бұл спектрометр магниттік немесе электрлік секторлардан және электр және магниттік өрістерді пайдаланатын "жылдамдық таңдағыштардан" тұрады. Осы сатыдан кейін, тұрақты (атомдық) теріс иондарды құрайтын изобар болмаса (мысалы, 36S, егер 36Cl өлшенетін болса), онда бұған дейін сипатталған құрылым мүлдем жойылмайды. Иондардың жоғары энергиясының арқасында, оларды ядролық физикадан алынған әдістермен, мысалы, тосқауыл қабаттары және газға толы магниттер арқылы бөлуге болады. Жеке иондар ақырында бір ионды санау арқылы анықталады (силиций беттік тосқауылы детекторлары, иондау камералары және/немесе ұшу уақыты телескоптары). Иондардың жоғары энергиясының арқасында, бұл детекторлар ядролық зарядты анықтау арқылы фондық изобарларды қосымша анықтауды қамтамасыз ете алады.
Generally, negative ions are created (atoms are ionized) in an ion source. In fortunate cases, this already allows the suppression of an unwanted isobar, which does not form negative ions (as 14N in the case of 14C measurements). The pre accelerated ions are usually separated by a first mass spectrometer of sector field type and enter an electrostatic "tandem accelerator". This is a large nuclear particle accelerator based on the principle of a tandem van de Graaff accelerator operating at 0.2 to many million volts with two stages operating in tandem to accelerate the particles. At the connecting point between the two stages, the ions change charge from negative to positive by passing through a thin layer of matter ("stripping", either gas or a thin carbon foil). Molecules will break apart in this stripping stage. The complete suppression of molecular isobars (e. g. 13CH− in the case of 14C measurements) is one reason for the exceptional abundance sensitivity of AMS. Additionally, the impact strips off several of the ion's electrons, converting it into a positively charged ion. In the second half of the accelerator, the now positively charged ion is accelerated away from the highly positive centre of the electrostatic accelerator which previously attracted the negative ion. When the ions leave the accelerator they are positively charged and are moving at several percent of the speed of light. In the second stage of mass spectrometer, the fragments from the molecules are separated from the ions of interest. This spectrometer may consist of magnetic or electric sectors, and so called velocity selectors, which utilizes both electric fields and magnetic fields. After this stage, no background is left, unless a stable (atomic) isobar forming negative ions exists (e. g. 36S if measuring 36Cl), which is not suppressed at all by the setup described so far. Thanks to the high energy of the ions, these can be separated by methods borrowed from nuclear physics, like degrader foils and gas filled magnets. Individual ions are finally detected by single ion counting (with silicon surface barrier detectors, ionization chambers, and/or time of flight telescopes). Thanks to the high energy of the ions, these detectors can provide additional identification of background isobars by nuclear charge determination.
Жалпылау
Жоғарыда келтірілген мысалдың бірі ғана. АМС-қа жетудің тағы да басқа жолдары бар; алайда, олардың бәрі де молекулалардың жойылмай тұрып жоғары кинетикалық энергияға ие болуын қамтамасыз ету арқылы массалық таңдаулылықты және нақтылықты арттыруға негізделген, содан кейін бір ионды санау жүргізіледі.
The above is just one example. There are other ways in which AMS is achieved; however, they all work based on improving mass selectivity and specificity by creating high kinetic energies before molecule destruction by stripping, followed by single ion counting.
Тарих
Америка Құрама Штаттарының Л. В. Альварес және Роберт Корног 1939 жылы алғаш рет үдеткішті массалық спектрометр ретінде қолданғанда, 3He тұрақты екенін көрсету үшін циклотрон пайдаланды; осы байқаудың нәтижесінде олар бірден және дұрыс түрде басқа 3 массалық изотоп, тритий (3H) радиоактивті деген қорытындыға келді. 1977 жылы осы ерте жұмыстан шабыттанған Ричард А. Мюллер Лоуренс Беркли зертханасында қазіргі заманғы үдеткіштердің радиоактивті бөлшектерді бөлшектерді анықтау техникаларын қолдану арқылы фондық кедергілерді жеңуге жететін энергияға дейін үдетуге болатынын анықтады. Ол Science журналында тритийді, радиокөміртекті (14C) және ғылыми қызығушылық тудыратын бірнеше басқа изотоптарды (соның ішінде 10Be) анықтау үшін үдеткіштерді (циклотрондар және сызықтық үдеткіштер) қалай қолдануға болатынын көрсететін маңызды мақала жариялады; сондай-ақ ол тритийді пайдаланып алғашқы сәтті радиоизотоптық жас анықтау нәтижесін ұсынды. Оның мақаласы циклотрондарды (Францияда Г. Рейсбек және Ф. Иу) және тандемді сызықтық үдеткіштерді (Макмастердегі Д. Нельсон, Р. Кортелинг, В. Стотт) пайдаланатын басқа топтарға тікелей түрткіс берді. К. Пурсер және оның әріптестері Рочестердегі тандемдік үдеткішін қолдана отырып, радиокөміртектің табысты анықталуын жариялады. Одан көп ұзамай Беркли және француз командалары геологияда кеңінен қолданылатын 10Be изотопын табысты анықтағанын хабарлады. Үдеткіш техника шамамен 1000 есе сезімтал болғандықтан, бұл және басқа радиоизотоптар үшін бұрынғы "тозуды есептеу" әдістерінің орнын толығымен басты. 1982 жылы AMS зертханалары радиокөміртектік жас анықтау үшін археологиялық үлгілерді өңдеуді бастады.
L. W. Alvarez and Robert Cornog of the United States first used an accelerator as a mass spectrometer in 1939 when they employed a cyclotron to demonstrate that 3He was stable; from this observation, they immediately and correctly concluded that the other mass 3 isotope, tritium (3H), was radioactive. In 1977, inspired by this early work, Richard A. Muller at the Lawrence Berkeley Laboratory recognised that modern accelerators could accelerate radioactive particles to an energy where the background interferences could be separated using particle identification techniques. He published the seminal paper in Science showing how accelerators (cyclotrons and linear) could be used for detection of tritium, radiocarbon (14C), and several other isotopes of scientific interest including 10Be; he also reported the first successful radioisotope date experimentally obtained using tritium. His paper was the direct inspiration for other groups using cyclotrons (G. Raisbeck and F. Yiou, in France) and tandem linear accelerators (D. Nelson, R. Korteling, W. Stott at McMaster). K. Purser and colleagues also published the successful detection of radiocarbon using their tandem at Rochester. Soon afterwards the Berkeley and French teams reported the successful detection of 10Be, an isotope widely used in geology. Soon the accelerator technique, since it was more sensitive by a factor of about 1,000, virtually supplanted the older "decay counting" methods for these and other radioisotopes. In 1982, AMS labs began processing archaeological samples for radiocarbon dating
Қолданбалар
AMS-тің түрлі салаларда көптеген қолданыс аймақтары бар. AMS көбінесе 14C концентрациясын анықтау үшін қолданылады, мысалы, археологтар радиокөміртек даталау үшін. Басқа радиокөміртек даталау әдістерімен салыстырғанда, AMS үшін үлгінің мөлшері кішідірек (шамамен 50 мг), бірақ кеңейтілген мерзімдік шкала алуға болады. Массалық спектрометрия технологиясы радиокөміртек даталау мүмкіндіктерін кеңейтті. AMS қолдану арқылы 50 000 жылдан 100 жылға дейінгі үлгілерді сәтті даталауға болады. 13CH және 12CH2-ні радиокөміртекten ажырату үшін молекулалық изобарларды тиімді жою қабілеті болмағандықтан, басқа массалық спектрометрия түрлеріне қарағанда үдеткіш массалық спектрометр қажет. 14C-тің ұзақ жартылай ыдырау периоды болғандықтан, оны санау үшін әлдеқайда үлкен үлгілер қажет. 10Be, 26Al және 36Cl геологияда беткі қабаттың әсер ету мерзімін анықтау үшін қолданылады. 3H, 14C, 36Cl және 129I гидрологиялық іздеушілер ретінде қолданылады. Үдеткіш массалық спектрометрия биомедициналық зерттеулерде кеңінен қолданылады. Атап айтқанда, 41Ca постменопаузалық әйелдерде сүйек сіңіруді өлшеу үшін қолданылған.
There are many applications for AMS throughout a variety of disciplines. AMS is most often employed to determine the concentration of 14C, e. g. by archaeologists for radiocarbon dating. Compared to other radiocarbon dating methods, AMS requires smaller sample sizes (about 50 mg), while yielding extensive chronologies. MS technology has expanded the scope of radiocarbon dating. Samples ranging from 50,000 years old to 100 years old can be successfully dated through utilizing AMS. An accelerator mass spectrometer is required over other forms of mass spectrometry due to their insufficient suppression of molecular isobars to resolve 13CH and 12CH2 from radiocarbon. Because of the long half life of 14C decay counting requires significantly larger samples. 10Be, 26Al, and 36Cl are used for surface exposure dating in geology. 3H, 14C, 36Cl, and 129I are used as hydrological tracers. Accelerator mass spectrometry is widely used in biomedical research. In particular, 41Ca has been used to measure bone resorption in postmenopausal women.