分析测试技术同位素谱分析.ppt

第三章 同位素质谱分析 原子由原子核和核外电子组成，原子的重量主要集中在原子核中，核外电子的重量非常小。原子核包含大量的基本粒子，其中质子和中子被看作是原子核的主要构成，反映了原子核的质量和电荷。质子是一种带正电的离子，一个质子的电荷与一个电子的电荷大小相同，极性相反。中子的质量与质子的质量相近而略偏重，不带电荷。一个中性原子的核外电子数与质子数相等，因此，当原子处于电中性时，原子核的质子数决定了该原子所拥有的核外电子数，核外电子及其分布决定原子的化学性质。 同位素：指原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子。 同位素的表示：在元素符号的前面，下脚标为质子数，上脚标为质量数。如氧的同位素： 又如碳的同位素 等。由于某一元素的质子数是固定的，所以下脚标质子数可以忽略不写；如16O、17O、18O、12C、13C等。 每一个同位素又统称为核素，其总数目接近1700种，但只有约260种是稳定的。许多元素有两种或多种同位素。 同位素可分为稳定同位素和不稳定同位素两类。大部分放射性同位素并不自然存在，因为与太阳年龄相比，它们的衰变速率太快，但它们可以在实验室中用核反应的方法人工产生。 同位素含量用同位素丰度来表示，即一定元素的某一同位素在诸同位素总原子数中的相对百分含量。如1H为99.9852%，2H为0.0148%。 在地球科学中，研究最多的同位素包括： 稳定同位素包括：1H、2H、12C、13C、14N、15N、16O、18O、32S、34S等。 放射性同位素及放射成因同位素包括：87Rb→87Sr、147Sm→143Nd、238U→206Pb、235U→207Pb、232Th→208Pb等。 宇宙射线成因的放射性同位素10Be、14C等。 应用： 稳定同位素在地质过程中有分馏现象，从而对地质过程有示踪效果； 放射性同位素的衰变可以作为地质体的年龄测定； 放射性同位素与稳定同位素的比值往往对地质过程也有示踪效果。 第二节 质谱仪器的组成及结构 质谱仪器是用于测定物质的分子量、原子量及其丰度和同位素组成的仪器。按检测离子的方式，质谱仪器可分为两类：一类是用照像法同时检测多种离子，称为质谱仪（mass spectrograph），另一类是用电子学方法检测离子，称为质谱计（mass spectrometer），后者目前已被广泛用来精确测定元素的同位素组成。 质谱仪器是一类能使物质粒子（原子、分子）离子化并通过适当稳定的或者变化的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否来实现质荷比分离，并检测其强度后进行物理分析或同位素分析的仪器。 质荷比：是指每某带电粒子（原子和分子）的重量与其电荷的比值。 现代质谱计主要由3大系统组成：分析系统、电学系统和真空相同。其中分析系统由3个必需的部分组成：单能级离子源、质量分析器、离子接收器。 （1）离子源：在这部分，中性原子和分子被电离成离子，然后通过高压电场加速并通过一系列夹缝使之形成具有一定速度和形状的粒子束，以进入磁分析器进行质量偏转分析。 离子源的种类主要有：电子轰击、表面热电离、二次离子化等。 （2）磁分析器（质量加速器）：是质量分析器的一种，目的是把不同质量的离子分开。主要由精心设计的电磁铁和置于其间的飞行金属管道组成。 （3）离子接收器：由一个有限制狭缝板和金属杯（法拉第筒）组成。现代质谱计有多个接收器，可同时接收、记录被分开的几束离子及其强度 数据处理与ISODAT 软件 REAL32操作系统下的应用软件，但支持鼠标； 能控制上述多种配置，包括质谱和样品前处理设备（Duel inlet system，GC，EA etc.）； 多任务操作软件，如在样品采集的同时，可对已做过的样品进行数据处理。 有关质谱计性能的几个概念 1、质量数范围 说明质谱计能够处理的最轻和最重离子之间的质量范围，通常以质量数或质荷比(m/e)表示，它规定了分析物质的上、下限。 2、质量色散 质谱仪使质量为M和M＋ΔM的两离子束分离并聚焦成中心距为ΔX的两个缝，则质量色散(D)定义为 其物理意义为单位质量差所分开的距离。 3、质量分辨率 是指仪器在质量M附近能够分辩的最小相对质量差。表示为 4、灵敏度 绝对灵敏度是指仪器可检测的最小样品量。相对灵敏度是指仪器可同时检测的大组分与小组分含量之比。 在同位素比值测定中，常给出丰度灵敏度。若大丰度的M质量峰的离子流强度为IM，该峰的“拖尾”对于相邻的低小丰度的若离子质量峰强度的贡献为ΔIM，则 因此， ΔIM越小，丰度灵敏度越大。 5、精密度和准确度 精密度表示仪器所进行的重复测量的符合程度。以标准偏差S表示： 准确度表示测量结果与真实值的符合程度。 一、样品制备 1、H同位素制样 （1）还原法：将水样引入真空系统的冷