质谱仪讲座(1)

1、同位素质谱仪讲座(1),地质过程与矿产资源国家重点实验室 刘文贵 研究员,地大特聘教授,质谱概念,质谱概念是在实践中不断完善的,一般地讲,能给出质量谱图的分析仪器统称为质谱(mass spectrometer),信号强度,质量数,在扫描速度等相同的情况下,相邻峰距离越大,分辩率(Resolution)越高,质谱概念,减慢扫描速度或缩小质量数范围后,信号强度,质量数,质谱概念,在较窄的质量数范围内扫描,通常能得到平顶峰.同位素质谱仪的数据采集绝大多数是在峰平顶上进行的.,信号强度,质量数,质谱的分类,有机质谱:低分辨(low resolution1000)organic MS 无机质谱:通常是磁

2、式质谱,即以磁场实现质量分离的MS. 按所分析的样品形态可分为: 固体质谱 气体质谱 按电离子方式可分为: 热电离质谱(TIMS) 电子轰击型质谱(EI,在GIRMS中广泛应用) 电感藕合等离子体质谱(ICP) 辉光放电质谱(GD) 二次离子质谱(SIMS) 各种类质谱技术交叉应用,很难统一分类.,质谱的用途,在核工、地质、农业、冶金、材料、环境、体育、贸易、医疗等领域有广泛应用. 如:核材料的浓缩需要TIMS或GIMS来测定主要同位素所占比例.235U(固),UF6(气). Dioxin 、兴奋剂、农药残余、高分子材料的结构要借助有机质谱检测. 同位素定年或示踪需要用TIMS 、 GIRMS

3、 、 SIMS等来测定同位素比值. 在一定程度上可用来判定产品来源与真伪. 医学上可无痛苦测定某些疾病.,质谱的发展,质谱的发展有60多年(较大规模生产算起）的历史,从最初的手工计算到今天的自动测量,经历了几次质的飞跃过程. 70年代末,分子泵的应用,大大缩短了高真空的获得时间.提高了工作效率. 80年代集成电路的广泛使用、计算机与质谱连用,提高了数据精度与准确度. 90年代多接收技术的使用进一步提高了工作效率. 2000年到现在,离子计数、高效FARADAY接收器、旋转放大器、超大规模IC 、离子束缩放 、激光 、光缆通信、网络通信、内部加热、各种新型材料等的大量使用,使仪器整体感大大增强,

4、自动化程度大大提高,用鼠标可完成绝大部分操作.同位素质谱仪可在ng或更低检测限下检测,分析精度和准确度达到以前无法想象的百万分之五.,同位素质谱,概念:能测定同位素比值的质谱.通常,同位素质谱采用磁场实现质量分离,即是磁式质谱. 工作原理:样品分子或原子在离子源中被电离成离子,离子经过电场区域后获得动能向前运动,进入磁场区域后按质荷比大小分离,最后进入接收器检测.,同位素质谱,Magnet,C,U,P,R,U,B,磁式质谱公式推导: qU = mv .(1) Bqv =mv/R (2) R =(2Um/q) / B 国际单位制,R偏转半径 m离子质量 q离子电荷 m/q .质荷比 U离子源高压

5、 B磁场强度 v.离子速度,Ion Source Housing,同位素质谱,从质谱公式得出的结论: 1,偏转半径R与磁场B成反比 2,偏转半径R与高压U的平方根成正比 3,偏转半径R质荷比m/q的平方根成正比 问题:如果固定某接收器的位置和高压的大小,磁场从小到大变化(磁场扫描),那么,该接收器内接收到的离子质量将如何变化(假定接收单电荷离子)?,同位素质谱,几个名词 1)离子源:使样品粒子电离的机构.常用的有热表面电离源(Thermal Surface Ionization Source) ,EI源 (Electron Impact), 此外还有ICP源,FAB源,GD源等. 2)离子源室

6、:容纳离子源等的腔体,分析时处于高真空状态. 3)磁铁:永久磁铁,电磁铁.产生的磁场单位是特斯拉(T). Field (IMS) 1T 4)接收器:法拉第桶(FARADAY),电子倍增器(SEM,即Secondary electron multiplier),微通道电子倍增器(micro-channel SEM).数字式SEM或微通道SEM可与计数电路配合组成离子计数器IC (Ion counting)或MIC (Micro Ion Counting).,同位素质谱,几个名词 5)放大器:将接收到的离子流信号放大的机构.FARADAY放大器的放大倍数在108-1012.TIMS的放大倍数通常为

7、1011,有时也使用1010和1012 6)真空:空气分子很少时的状态.单位有Pa ,mbar ,Torr等. 离子源室的真空通常应保持在10-7mbar到10-8 mbar之间. 7)泵:建立真空的机构,主要有机械泵也叫旋转泵(Rotary pump)、分子泵(Turbo molecular pump)、离子泵(Ion getter pump). 机械泵利用偏心轴与旋转片间的配合, 极限:10-4 mbar. 分子泵利用动片与定片间的配合, 极限:10-9 mbar.分子泵需 要机械泵作为前级泵,不能单独工作. 离子泵利用高压电离并吸附气体分子工作.极限: 10-10 mbar.,同位素质谱,几个名词 8)分析管道:离子源室到接收器之间的管道.要求真空: 10-8-10-9 . 9) 多接收(multi collector):多于2个接收器(F)的系统.可在外部调节接收器间距离的多接收系统叫可调多接收.,固体质谱 TRITON,用于Rb-Sr U-Pb Sm-Nd B Re-Os La-Ce等的比值测定,定年,气体质谱 MAT253,用于C N O S H Si 等同位素比值测定,定年,气体质谱Delta XP 及各种连续流进样装置,用于CNOSH等同位素比值测定,定年,示踪等,多接收ICP NEPTUNE,用于Rb-Sr U-Pb Sm-Nd B Re-