熱イオン化質量分析

熱イオン化質量分析法（TIMS）は表面イオン化法とも呼ばれ、高感度の同位体質量分析法の特性評価技術です。放射性核種の同位体比は、サンプルの元素分析の正確な測定値を得るために使用されます。^{[1]サンプルの単一電荷イオンは、}熱イオン化効果によって形成されます。化学的に精製された液体サンプルを金属フィラメント上に配置し、加熱して溶媒を蒸発させます。その結果、精製されたサンプルからの電子の除去は、フィラメントを十分に加熱して電子を放出することで達成され、これによりサンプルの原子がイオン化されます。^[2] TIMSは、磁気セクター質量分析装置を使用して、質量電荷比に基づいてイオンを分離します。イオンは電位勾配によって速度を増し、静電レンズによってビームに収束されます。次に、イオンビームは電磁石の磁場を通過し、イオンの質量/電荷比に基づいて個別のイオンビームに分割されます。質量分解されたビームは検出器に導かれ、そこで電圧に変換されます。検出された電圧は同位体比を計算するために使用されます。^[3]

イオン化源

使用されるフィラメントは、タンタル(Ta)、タングステン(W)、プラチナ(Pt)、またはレニウム(Re) で作られています。通常、TIMS では 2 つのフィラメントが使用されます。1 つのフィラメントはサンプル用で、サンプルフィラメントと呼ばれます。液体サンプルはサンプルフィラメント上に置かれ、蒸発します。その後、蒸発した分析対象物は、イオン化フィラメントとも呼ばれるもう 1 つのフィラメント上に着地し、そこでイオン化されます。^[4]

単一フィラメント法も可能です。サンプルが蒸発すると、分析対象物は再び同じフィラメント上に沈み、イオン化されます。^[4]

トリプルフィラメントまたはマルチフィラメントセットアップを使用すると、イオン化効率が向上し、蒸発とイオン化の速度を個別に制御できるようになります。^[4]

フィラメントには活性剤を充填する必要があります。活性剤は目的元素の蒸発を抑制し、フィラメントのイオン化ポテンシャルを増減させることができます。これにより、イオン化効率が向上し、総収量が増加します。最も一般的な活性剤は、Pb用のシリカゲル/リン酸です。^[5]

フィラメントは真空状態にあり、その温度は400～2300℃に達する。フィラメントの損傷を防ぐため、フィラメントは通常10～20本のフィラメントアセンブリを備えたカルーセル状のサンプルタレットにしっかりと固定されている。蒸発プロセスは通常、比較的低温で行われるため、信号は長く持続し、同位体分別は少ない。イオン化部では、良好なイオン化効率を確保するために高温が必要である。^[6]

放出されるイオンは空間的およびエネルギー的な広がりが低いため、単焦点磁気セクター質量分析器または四重極が適しています。^[6] TIMSに使用される最も一般的な検出器は、ファラデーカップ、デイリー検出器、および電子増倍管です。^[5]通常、TIイオン源はマルチコレクター（MC）システムを使用して組み立てられます。^[6]

熱イオン化メカニズム

高温フィラメントが液体サンプルを加熱すると、サンプル内のフェルミ準位は金属のフェルミ準位と同等になります。その結果、サンプルから金属フィラメントへの電子のトンネルが可能になります。その結果、電子を失ったサンプルから正イオンが形成されます。この電子の移動により、負イオンも形成されます。その結果、2 種類の熱イオン化が発生します。1 つは正熱イオン化 (P-TI)、もう 1 つは負熱イオン化 (N-TI) です。^{[5]イオンの生成は}、サハイオン化方程式またはサハ-ラングミュア方程式によってパラメータ化されます。 ^[4]

同位体比測定

異なる同位体の相対的な存在比は、異なる同位体の化学的分別、非放射性同位体の異なる貯蔵庫での移動、および放射性娘同位体の存在による太陽系天体の年齢や起源を説明するために使用されます。^[7]^[8]

TIMSの主な用途は元素分析であり、信頼性の高い同位体比が得られる。イオン化エネルギーの減少傾向に従い、周期表の左下に位置する元素はTIMSの分析対象となり得る。さらに、周期表の右上に見られる高い電子親和力により、これらの非金属は優れた候補となる。 ^[4]この技術は同位体地球化学、地質年代学、宇宙化学で広く使用されている。^[7]^[8]

定量的同位体比測定法としては、同位体希釈熱イオン化質量分析法（ID-TIMS）^[9]や化学摩耗熱イオン化質量分析法（CA-TIMS）^{[10]などがある。}

TIMSの信号強度はTIMSに入れる量に比例しないため、同位体希釈法が使用されます。^[5]

年代測定では、磁場付き質量分析計は四重極質量分析計や四重極質量分析装置よりも精度が優れています。誘導結合プラズマ四重極質量分析計は、放射性崩壊による同位体比の変化をさらに高い精度で検出できます。精度が高いほど、年代測定の解像度が高くなります。^[5]

参照

同位体比質量分析

参考文献

^ Becker, Johanna Sabine (2012 年 8 月 30 日)。「第 13 章放射性核種の無機質量分析」。L'Annunziata、Micheal F. (編)。放射能分析ハンドブック(第 3 版)。Elsevier Science。p. 833-870。ISBN 978-0-12-384873-4。
^珪酸 塩岩石分析ハンドブック。ISBN 978-94-015-3990-6。
^ Constantinos A. Georgiou、Georgios P. Danezis。「第 3 章 - 元素および同位体質量分析法」。Pico、Yolanda (編)。食品の安全性と品質のための高度な質量分析法(68 版)。p. 131-243。ISBN 978-0-444-63340-8。
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^ ドゥアン、イーシャン;ダネン、レイ E.ヤン、シャオメイ。ロバート・シュタイナー。クアドラード、フアン。ウェイン、デイビッド。マジディ、バヒド;オリバレス、ホセ A. (1999 年 10 月)。「質量分析用の改良された熱イオン化空洞源の特性評価」。米国質量分析学会のジャーナル。10 (10): 1008 ～ 1015 年。土井：10.1016/S1044-0305(99)00065-3。S2CID 95797693。
^ Mattinson, James M. (2005 年 7 月). 「ジルコン U–Pb 化学研磨 (CA-TIMS) 法: ジルコン年代の精度と正確さを向上させるアニーリングと多段階部分溶解分析の組み合わせ」.化学地質学. 220 (1–2): 47–66. Bibcode :2005ChGeo.220...47M. doi :10.1016/j.chemgeo.2005.03.011.

[1] Becker, Johanna Sabine (2012 年 8 月 30 日)。「第 13 章放射性核種の無機質量分析」。L'Annunziata、Micheal F. (編)。放射能分析ハンドブック(第 3 版)。Elsevier Science。p. 833-870。ISBN 978-0-12-384873-4。

[2] ^珪酸 塩岩石分析ハンドブック。ISBN 978-94-015-3990-6。

[3] Constantinos A. Georgiou、Georgios P. Danezis。「第 3 章 - 元素および同位体質量分析法」。Pico、Yolanda (編)。食品の安全性と品質のための高度な質量分析法(68 版)。p. 131-243。ISBN 978-0-444-63340-8。

[Dass2007-4] Dass, Chhabil (2007).現代質量分析の基礎. Wiley-Interscience. pp. 264-265. ISBN 978-0-471-68229-5。

[Makishima2016-5] 牧島明夫 (2016).熱イオン化質量分析法 (TIMS): ケイ酸塩の分解、分離、測定. ヴァインハイム、ドイツ: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA、Boschstr. ISBN 978-3527340248。

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[LehtoHou-7] Lehto, J., X. Hou、2011年。放射性核種の化学と分析。Wiley-VCH。

[Dickin-8] Dickin, AP, 2005. 放射性同位体地質学第2版。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。pp. 21-22

[9] ドゥアン、イーシャン;ダネン、レイ E.ヤン、シャオメイ。ロバート・シュタイナー。クアドラード、フアン。ウェイン、デイビッド。マジディ、バヒド;オリバレス、ホセ A. (1999 年 10 月)。「質量分析用の改良された熱イオン化空洞源の特性評価」。米国質量分析学会のジャーナル。10 (10): 1008 ～ 1015 年。土井：10.1016/S1044-0305(99)00065-3。S2CID 95797693。

[10] Mattinson, James M. (2005 年 7 月). 「ジルコン U–Pb 化学研磨 (CA-TIMS) 法: ジルコン年代の精度と正確さを向上させるアニーリングと多段階部分溶解分析の組み合わせ」.化学地質学. 220 (1–2): 47–66. Bibcode :2005ChGeo.220...47M. doi :10.1016/j.chemgeo.2005.03.011.