Akselerator massespektrometri

Akselerator massespektrometri
Akselerator massespektrometer ved Lawrence Livermore National Laboratory
Informasjon
Akronym		AMS
Klassifikasjon		Massespektrometri
Analytter		Organiske molekyler Biomolekyler
Andre teknikker
Relatert		Partikkelakselerator

Akselerator massespektrometri (AMS) er en form for massespektrometri som akselererer ioner til ekstraordinært høy kinetisk energi før masseanalyse. Den spesielle styrken til AMS blant massespektrometriske metoder er dens styrke til å skille en sjelden isotop fra en nærliggende masse ("overflodfølsomhet", f.eks. ¹⁴C fra ¹²C). Metoden undertrykker molekylære isobarer fullstendig og kan i mange tilfeller også skille atomisobarer (f.eks. ¹⁴N fra ¹⁴C). Dette muliggjør påvisning av naturlig forekommende, langlivede radio-isotoper som ¹⁰Be, ³⁶Cl, ²⁶Al og ¹⁴C. Deres typiske isotopiske overflod varierer fra 10⁻¹² til 10⁻¹⁸. AMS kan overgå konkurrerende teknikk for forfallstelling for alle isotoper der halveringstiden er lang nok.

Metoden

Generelt opprettes negative ioner (atomer som er ionisert) i en ionekilde. I enkelte tilfeller tillater dette allerede undertrykkelse av en uønsket isobarer, som ikke danner negative ioner (som ¹⁴N når¹⁴C-måles). De forhåndsakselererte ionene skilles vanligvis av et første sektormassespektrometer og går deretter inn i en elektrostatisk "tandemakselerator". Dette er en stor kjernepartikkelakselerator basert på prinsippet Tandem van de Graaff Accelerator som opererer på 0,2 til mange millioner volt med to trinn som fungerer sammen for å akselerere partiklene. Ved forbindelsespunktet mellom de to trinnene endrer ionene ladning fra negativ til positiv ved å passere gjennom et tynt lag av materie ("stripper", enten gassen eller en tynn karbonfolie). Molekyler vil bryte fra hverandre i dette strippetrinnet. Fullstendig undertrykkelse av molekylære isobarer (f.eks. ¹³CH^- i tilfelle av ¹⁴C-målinger) er en grunn til den eksepsjonelle overflodfølsomheten til AMS. I tillegg fjerner støtet flere av ionens elektroner og omdanner det til et positivt ladet ion. I andre halvdel av akseleratoren akselereres det nå positivt ladede ionet bort fra det meget positive sentrum av den elektrostatiske akseleratoren som tidligere tiltrakk det negative ionet. Når ionene forlater akseleratoren, er de positivt ladede og beveger seg med flere prosent av lysets hastighet. I et andre trinn av massespektrometer skilles fragmentene fra molekylene fra ionene av interesse. Dette spektrometeret kan bestå av magnetiske eller elektriske sektorer, og såkalte hastighetsvelgere, som bruker både elektriske felt og magnetiske felt. Etter dette stadiet er ingen bakgrunn igjen, med mindre det eksisterer en stabil (atomær) isobar som danner negative ioner (f.eks. ³⁶S hvis den måler ³⁶Cl), som ikke undertrykkes i det hele tatt av oppsettet som er beskrevet hittil. Takket være ionenes høye energi kan disse skilles fra hverandre ved hjelp av metoder som er lånt fra kjernefysikk, som nedbryterfolier og gassfylte magneter. Individuelle ioner blir til slutt oppdaget ved enkeltiontelling (med silisiumoverflatebarriere-detektorer, ioniseringskamre og/eller flyvetidsteleskoper). Takket være ionenes høye energi kan disse detektorene gi ytterligere identifikasjon av bakgrunnsisobarer ved bestemmelse av kjernelading.

Generalisering

Skjematisk diagram over et akseleratormassespektrometer

Ovennevnte er bare ett eksempel. Det er andre måter AMS oppnås på; imidlertid arbeider de alle basert på å forbedre masseselektivitet og spesifisitet ved å skape høy kinetisk energi før molekylet ødeleggelse ved stripping, etterfulgt av enkeltiontelling.

Historie

L.W. Alvarez og Robert Cornog fra USA brukte først en akselerator som massespektrometer i 1939 da de brukte en syklotron for å demonstrere at ³He var stabil; fra denne observasjonen konkluderte de umiddelbart og riktig at den andre masse-3-isotopen, tritium (³H), var radioaktiv. I 1977, inspirert av dette tidlige arbeidet, erkjente Richard A. Muller ved Lawrence Berkeley Laboratory at moderne akseleratorer kunne akselerere radioaktive partikler til en energi der bakgrunnsinterferensene kunne skilles fra ved hjelp av partikkelidentifikasjonsteknikker. Han publiserte den sentrale oppgaven i Science som viser hvordan akseleratorer (syklotroner og lineære) kan brukes til påvisning av tritium (¹⁴C) og flere andre isotoper av vitenskapelig interesse, inkludert ¹⁰Be; han rapporterte også den første vellykkede radioisotopdatoen eksperimentelt oppnådd ved bruk av tritium. Oppgaven hans var den direkte inspirasjonen for andre grupper som brukte syklotroner (G. Raisbeck og F. Yiou, i Frankrike) og tandem lineære akseleratorer (D. Nelson, R. Korteling, W. Stott hos McMaster). K. Purser og kollegaer publiserte også vellykket påvisning av radiokarbon ved hjelp av deres tandem i Rochester. Rett etterpå rapporterte Berkeley og franske team om vellykket påvisning av ¹⁰Be, en isotop som er mye brukt i geologi. Siden akseleratorteknikken var mer følsom med en faktor på rundt 1000, nærmest fortrengte de eldre "forfallsteller" -metodene for disse og andre radioisotoper.