Кіріспе

Қалған изотоптарды өлшеу үшін массалық спектрометрияны қолдану. Изотоптық қатынас массалық спектрометриясы (IRMS) – массалық спектрометрияның мамандану саласы, онда массалық спектрометриялық әдістер берілген үлгідегі изотоптардың салыстырмалы мөлшерін анықтау үшін қолданылады. Бұл техника жер және қоршаған орта ғылымдарында екі түрлі қолданысқа ие. "Тұрақты изотоптарды" талдау көбінесе табиғи жүйелердегі массаға тәуелді изотоптық бөлшеуден туындаған изотоптық вариацияларды өлшеумен айналысады. Ал радиогендік изотоптарды талдау табиғи радиоактивтіліктің ыдырау өнімдерінің мөлшерін өлшеуді қамтиды және көптеген ұзақ өмір сүретін радиометриялық жас анықтау әдістерінде қолданылады.

Кіріспе

Изотоптық қатынас массалық спектрометрі (IRMS) табиғи түрде кездесетін изотоптардың қоспаларын нақты өлшеуге мүмкіндік береді. Изотоптық қатынастарды нақты анықтау үшін қолданылатын көптеген құралдар магниттік секторлы типке жатады. Бұл типтегі анализатор осы зерттеу саласында төртполярлы типке қарағанда екі себеппен артықшылыққа ие. Біріншіден, оны көп коллекторлы талдауға бейімдеуге болады, екіншіден, ол жоғары сапалы «пик пішіндерін» қамтамасыз етеді. Бұл екі фактор да изотоптық қатынастарды өте жоғары дәлдік және нақтылықпен талдау үшін маңызды.

Газ көзінің массалық спектрометриясы

Бір элементтің тұрақты изотоптарының табиғи өзгеруін өлшеу әдетте тұрақты изотоптар талдауы деп аталады. Бұл сала қызығушылық тудырады, себебі әртүрлі изотоптардың массаларындағы айырмашылық изотоптық фракциялануға алып келеді, бұл үлгілердің биологиялық немесе физикалық тарихына тән, олардың изотоптық құрамында өлшенетін әсерді қамтамасыз етеді. Мысал ретінде, сутегінің изотопы дейтерийдің (ауыр сутегінің) массасы, жалпы сутегінің изотопынан шамамен екі есе көп. Жалпы сутегі изотобын (және жалпы оттегі изотобын, массасы 16) қамтитын су молекуласының массасы 18-ге тең. Деутерий атомын қамтитын судың массасы 19, бұл 5%-тан астам ауыр. Ауыр су молекуласын буландыруға қажетті энергия, қалыпты суды буландыруға қажетті энергиядан жоғары, сондықтан булану процесінде изотоптық фракциялану орын алады. Осылайша, теңіз суының үлгісі, Антарктида қарымен салыстырғанда анықтамалы изотоптық қатынас айырмашылығын көрсетеді. Үлгілер массалық спектрометрге таза газдар түрінде енгізілуі керек, бұл жану, газ хроматографиясы немесе химиялық тұтқындау арқылы жүзеге асырылады. Анықталған изотоптық қатынастарды өлшенген стандартпен салыстыру арқылы үлгінің изотоптық құрамын дәл анықтауға болады. Мысалы, көміртегі изотоптарының қатынасы халықаралық стандартқа сәйкес өлшенеді. Көміртегі стандарты – Оңтүстік Каролина штатындағы (АҚШ) Крета кезеңінде пайда болған әктас қабатында табылған қазбаланған белемниттен алынған VPDB (Вена Пи-Ди Белемниті). Бұл қазбаның 13C:12C қатынасы 0,0112372-ге тең. Оттегі изотоптарының қатынасы V SMOW (Вена стандарты бойынша орташа мұхит суы) стандартына қатысты өлшенеді. Үлгіні массалық спектрометрге енгізу алдында өңдеу маңызды, себебі белгілі бір уақытта тек бір химиялық түр ғана кіруі керек. Әдетте, үлгілер жанып немесе пиролизделгеннен кейін, қажетті газ түрлері (әдетте, сутегі (H2), азот (N2), көмірқышқыл газы (CO2) немесе күкірт диоксиді (SO2)) тұзақтар, сүзгілер, катализаторлар және/немесе хроматография арқылы тазартылады. IRMS құралдарының ең көп таралған екі түрі – үздіксіз ағын және қос кіріс. Қос кіріс IRMS-де, үлгіден алынған тазартылған газ, белгілі изотоптық құрамы бар стандартты газбен клапандық жүйе арқылы жылдам ауыстырылады, осылайша екі газдың бірнеше салыстырмалы өлшемдері жасалады. Үздіксіз ағын IRMS-де, үлгіні дайындау IRMS-ке енгізу алдында жүргізіледі, ал үлгіден алынған тазартылған газ бір рет өлшенеді. Стандартты газ үлгіден бұрын және кейін немесе үлгі өлшемдерінің сериясынан кейін өлшенуі мүмкін. Үздіксіз ағын IRMS құралдары жоғары үлгі өнімділігін қамтамасыз етеді және қос кіріс құралдарына қарағанда пайдалануға ыңғайлы, бірақ алынған деректердің дәлдігі шамамен 10 есе төмен.

Статикалық газдық массалық спектрометрия

Статикалық газдық массалық спектрометр – талдау үшін газ үлгісі құралдың иодану камерасына жіберіліп, талдау кезінде қосымша беру немесе сорусыз сол камерада қалдырылатын құрал. Бұл әдіс жеңіл газдардың «тұрақты изотоптық» талдауына қолданылуы мүмкін (жоғарыда айтылғандай), бірақ ол ең бастысы радиометриялық жас анықтау немесе изотоптық геохимия үшін асыл газдардың (сирек немесе инертті газдардың) изотоптық талдауында қолданылады. Маңызды мысалдар – аргон-аргон жас анықтау және гелий изотоптарын талдау.

Термиялық иондау массалық спектрометриясы

Радиометриялық жас анықтауға қатысатын бірнеше изотоптық жүйелер, массалық спектрометрдің көзіне жүктелген қатты сынаманы термиялық иондау арқылы IRMS-ке тәуелді (содан бері термиялық иондау массалық спектрометриясы, TIMS). Бұл әдістерге рубидий-стронцийлік, уран-қорғасындық, қорғасын-қорғасындық және самарий-неодимдік жас анықтау кіреді. Изотоптық қатынастар TIMS арқылы өлшенгенде, массаға тәуелді фракциялау, қыздырылған жіптен бөлінетін түрлер ретінде пайда болады. Фракциялау сынаманың қозуынан туындайды, сондықтан изотоптық қатынастың дұрыс өлшенуі үшін түзету қажет. TIMS әдісінің бірнеше артықшылықтары бар. Оның құрылымы қарапайым, басқа массалық спектрометрлерге қарағанда арзан және тұрақты иондық эмиссияны қамтамасыз етеді. Оған тұрақты қуат көзі қажет, және стронций (Sr) және қорғасын (Pb) сияқты төмен иондану потенциалы бар түрлерге қолайлы. Бұл әдістің кемшіліктері термиялық иондау кезінде қол жеткізілетін максималды температурадан туындайды. Қыздырылған жіптің температурасы 2500 градустан төмен болады, бұл осмий (Os) және вольфрам (Hf W) сияқты жоғары иондану потенциалы бар түрлердің атомдық иондарын жасауға мүмкіндік бермейді. TIMS әдісі осы жағдайда молекулалық иондарды жасаса да, жоғары иондану потенциалы бар түрлерді MC ICP MS арқылы тиімдірек талдауға болады.

Екінші иондық массалық спектрометрия

Қатты бетпен жұмыс істегенде радиогендік изотоптардың салыстырмалы мөлшерін өлшеуге қолданылатын баламалы тәсіл – екінші иондық массалық спектрометрия (SIMS). Бұл типтегі иондық микрозондты талдау, әдетте, олардың масса/заряд қатынасына сәйкес фокусқа түсіріліп, өлшенетін екінші оң иондардың тізбегін жасау үшін үлгіге бастапқы (оттегі) иондық сәулесін бағыттап жұмыс істейді. SIMS U-Pb талдауында кеңінен қолданылады, себебі бастапқы иондық сәуле бір циркон түйіршігінің бетін Pb иондарының екіншілік сәулесін алу үшін бомбалайды. Pb иондары электростатикалық және магниттік анализатордан тұратын қос фокустық массалық спектрометрмен талданады. Бұл құрылым екіншілік иондарды олардың кинетикалық энергиясы мен масса/заряд қатынасына сәйкес фокусқа түсіруге және оларды Фарадей тостағандарының тізбегін пайдалану арқылы дәл жинауға мүмкіндік береді. SIMS талдауында туындайтын маңызды мәселе – шашыратылған молекулалық иондар мен қызығушылық тудыратын иондар арасындағы изобарикалық кедергі. Бұл мәселе U-Pb жасының анықталуы кезінде туындайды, себебі Pb иондарының массасы HfO2+ массасына өте жақын. Бұл мәселені шешу үшін жоғары ажыратымдылықтағы иондық микрозонд (SHRIMP) қолданылуы мүмкін. SHRIMP – бұл қос фокустық массалық спектрометр, ол салыстырмалы түрде үлкен көлеміне байланысты әртүрлі иондық массаларды кеңістікте бөлуге мүмкіндік береді. U-Pb талдауы үшін SHRIMP, Pb-ді HfO2+ сияқты басқа кедергі келтіретін молекулалық иондардан бөлуге мүмкіндік береді.

Индуктивті біріктірілген плазмалық көп коллекторлық массалық спектрометрия

MC ICP MS құралы – плазма көзі бар көп коллекторлы массалық спектрометр. MC ICP MS изотоптық қатынастарды өлшеу кезінде ICP MS арқылы қол жетімді дәлдікті арттыру үшін жасалған. Дәстүрлі ICP MS талдауында тек бір коллекторлы талдауға мүмкіндік беретін төртполюсті анализатор қолданылады. Плазманың тұрақсыздығына байланысты төртполюсті анализатормен ICP MS-тің дәлдігі шамамен 1%-ға дейін шектеледі, бұл көптеген радиогенді изотоптық жүйелер үшін жеткіліксіз. Радиометриялық жас анықтау үшін изотоптық қатынастарды талдау әдетте TIMS арқылы жүзеге асырылады. Дегенмен, кейбір жүйелерді (мысалы, Hf-W және Lu-Hf) TIMS арқылы талдау қиын немесе мүмкін емес, себебі олардағы элементтердің иондану потенциалы жоғары. Сондықтан, бұл әдістерді енді MC ICP MS қолдану арқылы талдауға болады. Ar ICP иондық сәуле шығарады, ол үлкен кинетикалық энергияның кең таралуына ие, бұл массалық спектрометрдің құрылымын дәстүрлі TIMS құралдарына қарағанда күрделі етеді. Біріншіден, төртполюсті ICP MS жүйелерінен өзгеше, магниттік секторлы құралдар иондық сәуле энергиясының таралуын азайту үшін жоғары үдеу потенциалымен (бірнеше 1000 В) жұмыс істеуі керек. Қазіргі заманғы құралдар 6-10 кВ-та жұмыс істейді. Магниттік өріс ішіндегі ионның бұрылу радиусы кинетикалық энергияға және ионның масса/заряд қатынасына байланысты (турасы, магнит тек массалық емес, импульс анализаторы болып табылады). Үлкен энергия таралуының салдарынан, ұқсас масса/заряд қатынасына ие иондар әртүрлі кинетикалық энергияға ие болуы мүмкін, демек бірдей магниттік өріс үшін әртүрлі бұрылысқа ұшырайды. Іс жүзінде, бірдей масса/заряд қатынасына ие иондар кеңістіктегі әртүрлі нүктелерде шоғырланғанын көруге болады. Алайда, массалық спектрометрде бірдей масса/заряд қатынасына ие иондардың бірдей нүктеде шоғырлануын қажет етеді, мысалы, детектор орналасқан жерде. Бұл шектеулерді жою үшін коммерциялық MC ICP MS екі бағытты құралдар болып табылады. Екі бағытты массалық спектрометрде иондар электростатикалық анализатор (ESA) және магниттік өріс арқылы кинетикалық энергиясы және масса/заряд (импульс) әсерінен шоғырланады. Магнит және ESA бір-біріне энергияны шоғырландыру қасиеттерін сәйкес келтіру үшін мұқият таңдалады және энергияны шоғырландыру бағыты қарама-қарсы болуы үшін орналастырылады. Түйіндемелеп айтқанда, екі компонент энергияны шоғырландыру терминіне ие, дұрыс орналастырылғанда энергия термині жойылады және бірдей масса/заряд қатынасына ие иондар кеңістіктегі бір нүктеде шоғырланады. Маңыздысы, екі бағытты шоғырландыру кинетикалық энергия таралуын азайта алмайды және әртүрлі кинетикалық энергиялар сүзгіленбейді немесе біркелкіленбейді. Екі бағытты шоғырландыру бір және көп коллекторлы құралдар үшін де жұмыс істейді. Бір коллекторлы құралдарда ESA және магнит алдыңғы геометрияда (бірінші ESA, содан кейін магнит) немесе кері геометрияда (бірінші магнит, содан кейін ESA) орналасуы мүмкін, себебі тек нүктеден нүктеге шоғырландыру қажет. Көп коллекторлы құралдарда, детекторлар массиві және фокустық жазықтықтың талаптарына байланысты тек алдыңғы геометрия (ESA, содан кейін магнит) мүмкін.

Жүктегіштің массалық спектрометриясы

Өте төмен деңгейде кездесетін изотоптар үшін үдеткіш массалық спектрометрия (AMS) қолданылуы мүмкін. Мысалы, 14C радиоизотопының ыдырау жылдамдығы органикалық материалдардың жасын анықтау үшін кеңінен пайдаланылады, бірақ бұл әдіс бұрын салыстырмалы түрде үлкен, бірнеше мың жылдан аспайтын үлгілермен ғана шектелген болатын. AMS 14C жасын анықтау мүмкіндігін шамамен 60 000 жылға дейін ұзартты және дәстүрлі IRMS-ге қарағанда 106 есе жоғары сезімталдыққа ие. AMS теріс иондарды үлкен (мегавольт) потенциал арқылы үдету, одан кейін заряд алмасу және жерге қайта үдету принципі бойынша жұмыс істейді. Заряд алмасу кезінде, араласушы түрлер тиімді түрде жойылады. Сонымен қатар, сәуленің жоғары энергиясы бірдей масса/заряд қатынасына ие түрлерді ажырата алатын энергия жоғалту детекторын пайдалануға мүмкіндік береді. Осы процестердің нәтижесінде 1012-ден жоғары экстремалды изотоптық қатынастарды талдауға болады.

Жылжымалы сым IRMS

Жылжымалы сым IRMS ерітіндідегі қосылыстардың көміртек-13 қатынастарын талдауға көмектеседі, мысалы, сұйық хроматография арқылы тазартылғаннан кейін. Ерітінді (немесе хроматографиядан шығатын ағын) никель немесе тот баспайтын болат сымға кептіріледі. Қалдық сымға жиналғаннан кейін, ол пешке енгізіліп, жану арқылы CO2 және суға айналдырылады. Газ ағыны соңында капиллярға түсіп, кептіріліп, иондалып, талданады. Бұл процесс қосылыстардың қоспасын үнемі тазартуға және талдауға мүмкіндік береді, бұл талдау уақытын төрт есеге дейін қысқартуға болады.