加速器質量分析

加速器質量分析

ローレンス・リバモア国立研究所の加速器質量分析計
頭字語	アムス
分類	質量分析
分析対象物	有機分子 生体分子
その他のテクニック
関連している	粒子加速器

加速器質量分析法（AMS）は、質量分析の前にイオンを非常に高い運動エネルギーまで加速する質量分析法の一種です。質量分析法のさまざまな方法の中でAMSが特に優れているのは、希少同位体を豊富な近傍の質量から分離できることです（「存在比感度」、たとえば¹⁴ Cと¹² C）。^[1]この方法は分子同位体を完全に抑制し、多くの場合、原子同位体も分離できます（たとえば¹⁴ Nと^{14 C）。これにより、 10} Be、³⁶ Cl、²⁶ Al、¹⁴ Cなどの自然発生的で長寿命の放射性同位体の検出が可能になります。（これらの典型的な同位体存在比は10 ⁻¹²から10 ⁻¹⁸の範囲です。）

AMSは、半減期が十分に長いすべての同位体に対して、競合する崩壊計数技術よりも優れた性能を発揮します。^[2] AMSのその他の利点としては、測定時間が短いことと、極めて小さなサンプル内の原子を検出できることが挙げられます。^[3]

一般的に、負イオンはイオン源で生成されます（原子はイオン化されます） 。幸運なケースでは、これによってすでに、負イオンを形成しない不要な同重体（¹⁴ C 測定の場合の¹⁴ N など）が抑制されています。事前に加速されたイオンは通常、セクター フィールド型の最初の質量分析計によって分離され、静電「タンデム加速器」に入ります。これは、 0.2 から数百万ボルトで動作するタンデム ファン デ グラフ加速器の原理に基づく大型の核粒子加速器で、2 つのステージが連動して粒子を加速します。2 つのステージの接続ポイントで、イオンは物質の薄い層（「ストリッピング」、ガスまたは薄いカーボン ホイルのいずれか）を通過することで、負から正に電荷が変化します。このストリッピング ステージで分子が分解されます。^{[4] [5]}分子同重体（¹⁴ C 測定の場合の¹³ CH ⁻など）が完全に抑制されることが、AMS の並外れた存在比感度の理由の 1 つです。さらに、衝突によりイオンの電子の一部が剥ぎ取られ、正に帯電したイオンに変換されます。加速器の後半では、正に帯電したイオンは、以前に負イオンを引き付けていた静電加速器の非常に正の電荷を持つ中心から加速されて離れます。イオンが加速器を離れるとき、それらは正に帯電し、光速の数パーセントで移動しています。質量分析計の第 2 段階では、分子のフラグメントが対象のイオンから分離されます。この分光計は、磁気セクターまたは電気セクター、および電場と磁場の両方を利用するいわゆる速度セレクターで構成されます。この段階の後、安定した(原子) 同位体を形成する負イオンが存在しない限り (たとえば、^{36 Cl を測定する場合は36} S )、バックグラウンドは残りません。これは、これまでに説明したセットアップではまったく抑制されません。イオンの高エネルギーのおかげで、これらは、分解フォイルやガス充填磁石など、核物理学から借りた方法で分離できます。個々のイオンは、最終的に単一イオン計数（シリコン表面障壁検出器、電離箱、飛行時間型望遠鏡を使用）によって検出されます。イオンの高エネルギーのおかげで、これらの検出器は核電荷測定によってバックグラウンド同重体をさらに特定することができます。^{[引用が必要]}

上記はほんの一例です。AMS を実現する方法は他にもありますが、いずれも、分子をストリッピングして破壊する前に高い運動エネルギーを作り出し、その後単一イオンをカウントすることで質量選択性と特異性を向上させるという仕組みになっています。^[要出典]

米国のLWアルバレスとロバート・コルノグは1939年にサイクロトロンを使用して³ Heが安定していることを実証し、初めて加速器を質量分析計として使用しました。この観察から、彼らは他の質量3の同位体であるトリチウム（³ H）が放射性であると即座に正しく結論付けました。1977年、この初期の研究に触発されて、ローレンス・バークレー研究所のリチャード・A・ミュラーは、現代の加速器が放射性粒子を粒子識別技術を使用して背景干渉を分離できるエネルギーまで加速できることを認識しました。彼は、加速器（サイクロトロンとリニア）を使用してトリチウム、放射性炭素（ 14 C）、および 10 Beなどの科学的に興味深い他のいくつかの同位体を検出する方法を示した^独創的な論文をサイエンス誌に発表しました。また、トリチウムを使用して実験的に得られた最初の成功した放射性同位体の年代測定も報告しました。彼の論文は、サイクロトロン（フランスの G. ライスベックと F. ユー）やタンデム線形加速器（マクマスター大学の D. ネルソン、R. コルテリング、W. ストット）を使用する他のグループに直接インスピレーションを与えました。K. パーサーと同僚は、ロチェスターのタンデム線形加速器を使用して放射性炭素の検出に成功したことも発表しました。その後すぐに、バークレーとフランスのチームが、地質学で広く使用されている同位体である¹⁰ Be の検出に成功したと報告しました。加速器技術は、約 1,000 倍感度が高かったため、これらの放射性同位体やその他の放射性同位体に対する従来の「崩壊計数」法に取って代わりました。1982 年、AMS 研究所は考古学サンプルを処理して放射性炭素年代測定を開始しました^[8]

AMS は、さまざまな分野で多くの用途があります。AMS は、考古学者による放射性炭素年代測定など、¹⁴ Cの濃度を決定するために最もよく使用されます。他の放射性炭素年代測定法と比較して、AMS はより小さなサンプルサイズ (約 50 mg) で、広範な年代測定を行うことができます。MS 技術は、放射性炭素年代測定の範囲を拡大しました。50,000 年から 100 年前のサンプルでも、AMS を使用すれば正しく年代測定できます。^[9]他の形式の質量分析法では、分子同位体の抑制が不十分で、¹³ CH と¹² CH _{2 を}¹⁴ C 原子から分離できないためです。 ¹⁴ Cの半減期は長いため、崩壊計数にはかなり大きなサンプルが必要です。¹⁰ Be、²⁶ Al、および³⁶ Cl は、地質学における表面露出年代測定に使用されます。 ^{[10] 3} H、¹⁴ C、³⁶ Cl、および¹²⁹ I は、水文学的トレーサーとして使用されます。

加速器質量分析法は生物医学研究で広く使用されている。^{[11] [12] [13]}特に、^41Caは閉経後女性の骨吸収を測定するために使用されている。^[要出典]

• 加速器質量分析施設一覧
• アリゾナ加速器質量分析研究所