超高灵敏加速器质谱技术进展（四）_质谱专题_学习导航

超高灵敏加速器质谱技术进展（四）

２．２　核心部件技术

２．２．１　离子源技术　
ＡＭＳ实验中使用最普遍的是Ｃｓ溅射负离子源，对于测量同位素丰度比相差较大的未知样品与标准样品来说，需要较大的离子束流和较小的离子源记忆效应。

１）固体离子源由于固体Ｃｓ溅射负离子源可以降低同量异位素干扰，且对ＡＭＳ经常测量的核素有较适用的负离子产率［１，１３］，所以至今仍应用于大多数ＡＭＳ系统。通常，待测样品需要转换成固体单质（如ＣＯ２转换成石墨）或化合物，与Ａｇ或Ｎｂ粉混合压入靶锥，以增强样品的导电、导热性。近年来，将ＰｂＦ２粉末与待测样品混合作为靶材料取得了可喜的实验结果［１４］。固体Ｃｓ溅射负离子源推动了ＡＭＳ技

术的迅速发展，其性能和可靠性仍在不断探索改进中。

２）气体离子源

１９８４年，Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ［１５］对气体离子源进行调查研究。对于１４Ｃ测量，该方式不但可以简化样品制备流程，且对于样品量极少的情况，可以有效避免制备过程中的样品损失。由于一系列实验结果并不尽如人意，直到２００４年才由Ｓｋｉｐｐｅｒ等［１６］成功完成，其测量的样品量可低至５０ｎｇ。一般情况下，这种离子源是把气体吸附能力较强的Ｔｉ粉压入靶锥，通过特殊的流气装置将气体传输到靶锥表面，然后通过Ｃｓ溅射产生实验需要的离子束流。但是，由于气体离子源产生的束流较固体源低，源内的交叉污染较强，所以目前仍在不断发展与完善。

３）其他离子源

一些其他类型的正、负离子源被用于测量１４Ｃ等核素。例如，Ｒｏｂｅｒｔｓ等［１７］研制的紧凑型微波离子源可以产生大约５００μＡ的Ｃ＋，然后通过Ｍｇ蒸汽转变成Ｃ－，从而进行常规的ＡＭＳ测量；Ｈｏｔｃｈｋｉｓ等［１８］研制的电子回旋共振离子源，通过产生Ｃ＋离子束排除ＣＨ、ＣＨ２的分子离子，然后经过Ｒｂ蒸汽室转变为负离子的方法进一步排除Ｎ干扰，最后把１４Ｃ－引出进行ＡＭＳ分析。

２．２．２　在线化学　近年来，发展的射频四级透镜（ＲＦＱ）技术为减少ＡＭＳ测量中同量异位素干扰提供了一种新手段。其原理是在低能端装有一个气体反应室，通过ＲＦＱ控制反应条件，当离子穿过气体反应室时，根据不同核素气相反应阈值的差异，一些负离子会转化为中性粒

子被排除，从而达到对同量异位素分离的目的。如，对于放热反应ＳＦ５－＋ＳｉＦ４→ＳＦ４＋ＳｉＦ５－，ＳｉＦ４气体很容易形成超卤素阴离子［１４］，因此可以达到排除ＳＦ５－的目的。此技术已成功应用于３６Ｃｌ的低能ＡＭＳ测量，３６Ｃｌ／Ｃｌ的检测限可达１０－１４［１９－２０］。Ｋｉｅｓｅｒ等［２１］基于小型ＡＭＳ装置测量１３５Ｃｓ、１３７Ｃｓ和９０Ｓｒ，将ＰｂＦ２粉末与样品混合均匀，采用离子源引出ＣｓＦ２－与ＳｒＦ３－的方法，成功地减小了同量异位素本底１３５Ｂａ、１３７Ｂａ和９０Ｚｒ的干扰，对于ＣｓＦ２－可减小ＢａＦ２－干扰约１０４倍，使得１３５Ｃｓ、１３７Ｃｓ的测量灵敏度分别达７×１０－１５和１×１０－１４。对于ＳｒＦ３－可减小ＺｒＦ３

－干扰约１０３倍，测量灵敏度可达１０－１６。

２．３　测量技术

２．３．１　样品引出形式
Ａｎｂａｒ等［２２］采用普通质谱技术从离子源引出ＣＮ－进行放射性Ｃ定年实验时，首次实现了在负离子源模式减弱原子的同量异位素干扰。多年来，该现象在理论上没有得到合理的解释，但在一些核素的ＡＭＳ测量中却得到了验证，如：４１Ｃａ测量中引出ＣａＨ３－可以有效降低４１　Ｋ的干扰［２３］；１８２　Ｈｆ测量中引出ＨｆＦ５－可以把１８２　Ｗ的干扰减小几个数量级［２４］；赵晓雷等［１４］对离子源引出超卤素阴离子进行了系统研究。

２．３．２　样品制备与离子源进样技术　
ＡＭＳ测量中，一般需要在样品中加入载体提取待测核素，这样不仅影响样品的测量灵敏度，而且会引

入干扰。近几年发展起来的无载体样品分析技术，不仅简化了样品制备流程，而且在很大程度上避免了载体加入过程中对样品的污染，有效提高了测量灵敏度。Ｍａｄｅｎ等［２５］将少量无载体Ｂｅ（１００ｎｇ）沉积在洁净的基体上，然后被一个聚焦较好的Ｃｓ束（ＳＩＭＳ离子源）溅射，样品中原始的１０Ｂｅ／９Ｂｅ值能够被直接测量，其优点是这种方法测量的１０Ｂｅ／９Ｂｅ值比加载体低３～５个数量级。另外，对于１２９Ｉ、２３６　Ｕ等核素测量，无载体的样品制备方法也发展起来［２６－２７］。美国ＮＥＣ公司针对１４Ｃ－ＡＭＳ测量发展了一种液体样品ＡＭＳ测量技术，即通过激光灼烧液体，产生ＣＯ２气体直接进入气体离子源进行ＡＭＳ测量［２８］，该方法在很大程度上简化了１４Ｃ测量中的样品制备流程。同时，美国阿贡国家实验室针对锕系元素的分析研制出一种电子回旋共振（ＥＣＲ）离子源用于ＡＭＳ测量的新型装置［２９］，该装置通过激光灼烧技术将锕系材料输送到离子源，然后通过加速器加速、ｍ／ｑ选择感兴趣的核素进行测量。无独有偶，ＥＴＨ公司推出一种激光消融耦合系统［３０］：石笋、珊瑚等碳酸盐固体样品被放在密封的消融室内，使用激光脉冲束聚焦在固体表面对样品进行持续分解，固体消融产生的ＣＯ２与Ｈｅ气一起进入ＡＭＳ气体离子源，ＣＯ２产率可以通过调节激光频率进行控制，该方法可用来分析直径小于１５０μｍ的固体颗粒。

２．３．３　探测技术
经过３０多年发展，已有多种探测方法成功应用于ＡＭＳ测量与核素分析，如：ΔＥ－Ｅ气体电离室、Ｂｒａｇｇ探测器［３１］、飞行时间探测器（ＴＯＦ）［３２－３３］、充气飞行时间探测器（ＧＦ－ＴＯＦ）［５，３４－３５］、ＰＸ－ＡＭＳ［３６－３７］等。目前，ＣＩＡＥ的ＡＭＳ实验室已经采用上述探测技术对３２Ｓｉ、３６Ｃｌ、５３　Ｍｎ等多种核素实现了高灵敏测量［３８－４１］。目前，国际上测量的主要长寿命核素列于表１。

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