ICP-mass光谱法:让同位素说话!

弗兰克Vanhaecke和吕克·摩恩

根特大学分析化学学系Krijgslaan 281 - s12 - 9000根特,比利时。电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

介绍了电感耦合等离子体质谱法(icp)于1983年作为一个非常敏感的商业分析技术部署(超)微量元素分析。之前相比现有技术的原子吸收光谱法(AAS)和ICP-optical发射光谱法(ICP-OES), icp /这些技术提供的主要优势是其明显的多元化的能力和更高的检测能力,分别。质谱装置,icp,然而,还提供了分析物的元素和同位素信息这一特性可以利用icp的进一步扩展应用范围和解决现实问题的基本信息不提供足够的信息。而“标准”icp equipment-equipped与四极滤或部门现场质量分析质谱计和一个离子探测器夺去部署研究诱导物和相对较大的自然变化在目标元素的同位素组成,影音收藏家(MC) MC-ICP-MS-equipped部门字段质谱仪和数组的离子探测器,允许同时检测的离子光束的强度对应于目标的所有同位素元素是一个专用工具高度精确同位素分析,也允许一个向下追溯到极其微小的自然变化。进行实际的应用程序的根特大学的分析化学和基于两单的使用和影音收藏家仪器将用于这篇文章来说明通过icp同位素分析的多种应用。

测量引起的变化

由于彻底混合的核素在地球形成之前,它大致可以表示所有元素显示一个同位素组成,可以被视为“常数”(更准确地说,只在非常狭窄的范围内发生变化)在所有的地面材料。下面这个语句将进一步精制。因此,anthropogenically诱导变化(例如,开采铀浓缩的生产材料包含一个足够大的一部分^235年U裂变反应堆中用作燃料或用于生产核武器)可以很容易地识别,而另一方面,材料与anthropogenically改变同位素组成可以作为一个标准的元素测定使用同位素稀释或作为示踪剂适合研究(生物)的化学反应或物理过程。

在U的浓缩,上面提到的,贫铀(DU,耗尽^235年U开采铀相比)产生废品。由于其非常高的密度(几乎两倍的铅),DU用于弹药的生产,能够穿透装甲钢的军用车辆和平衡安装在飞机的尾巴和翅膀来提高其稳定性。这一事实影响,铀迅速点燃,在前一种情况中,被认为是一种优势明显不是后者。的基础上测量的^235年U /^238年U同位素比率,icp许可证自然,耗尽或丰富你看见从一个另一个(在后者的情况下,也可以确定浓缩年级)。1992年,一个El Al货运飞机撞上一个公寓在阿姆斯特丹(荷兰)。因为救援人员一直活跃在网站上灾难的抱怨持续健康问题,谣言的吸入DU的影响对他们的健康。然而,同位素的分析你的尿液中没有任何迹象的存在DU抽样的时候。¹

同位素比值测量还允许使用同位素稀释(ID)在icp标定策略,与常见的外部校准的方法和标准添加的方法。在这种方法中,一种已知的一只标准溶液的分析物元素本身,但显示一个同位素组成明显不同于自然问题添加到一个已知数量的样品,和一个目标元素的同位素比值测量样本,高峰和混合解决方案。基于这些数据,可以计算样品中的目标元素浓度。同位素比率远比一个更健壮的信号强度,因为它是更少的受到仪器操作条件的变化或矩阵组成的变化;这使得ID非常可靠的方法。当进行以极大的关怀和控制所有最终影响因素的不确定性,ID-MS提供高度精确和精确的结果,因此,机构生产参考资料非常热心的用户这个校正策略。还在常规应用程序中,它的使用可能是非常合适的,特别是如果样品预处理包括跟踪/矩阵分离步骤。这是因为一旦建立了同位素平衡(当核素来自样例和飙升的混合到了这样一种程度,是不可能确定一个给定的核素最初源于),分析物损失不影响最终结果。结果不完整,甚至变量恢复的目标元素在分离过程中结果的准确性并不是一个威胁,当然只要保留足够数量的元素作为一个可靠的同位素比值测量。这个策略,例如,用于确定在高度集中AgNO ultra-trace大量的铁₃解决方案,旨在用于照相乳剂的生产。²后添加⁵⁴菲飙升,大部分元素Ag)被添加沉淀高度纯哈佛商业评论。AgBr沉淀,过滤后滤液中的铁浓度可以确定基于铁同位素比值测量。尽管共同沉淀铁的大量AgBr形成并非不可能,这并不影响最终结果。

用稳定同位素示踪实验也依赖于元素的事实发生在本质上显示“标准”同位素组成,这样的示踪同位素组成明显不同,同位素比值测量可用于研究物理过程和化学反应。当研究跨膜运输的一个元素,例如,元素测定足以如果这个运输是单向(图1)。如果运输,然而,是双向的,那么元素的决心并没有提供一个完整的图片,而使用一个目标元素的同位素示踪和同位素分析膜的两侧。这种方法被用于研究Mg-an所有活着的最重要的元素的运输beings-over罗非鱼鱼的上皮组织(Oreochromis mossambicus用于模型的物种)。³上皮组织是安装在持有人,在双方接触解决方案包含0.5更易与L¹Mg(图2)。在一边,解决方案的组合,它模仿腔(肠)的内容,另一方面,血液成分,它模仿。电位差的膜是连续监测和无效,以避免从作为驱动力。两边都以固定时间间隔采集标本的同位素组成Mg确定。从获得的结果因此,生物学家可以研究运输过程和计算速度。

图1所示。单向交通元素的跨膜(左)可以通过研究元素的决心;双向交通(右)无法以这种方式被研究和需要记录完全同位素分析。

图2。试验装置研究的双向运输Mg2 +在罗非鱼鱼的肠道上皮(Oreochromis mossambicus)。潜在的跨膜连续监控和无效。样本取自两个隔间以固定时间间隔测定Mg的同位素组成。

类似的方法也用于研究金属的吸收水蚤麦格纳。这是一个小型水生甲壳类动物,经常在生态毒理学研究,因为其健康与环境条件有关,而动物容易在实验室文化,展示一个常数对有毒物质,如金属。Daphnids可以通过两个pathways-via摄取这些金属通过消化呼吸系统(鳃)和通道。相当大的一段时间,人们认为只有金属存在于藻类通过消化(食物),并开始了渠道影响这些动物的健康,但最近,暴露的研究表明,水性锌也对daphnids的繁殖产生不利影响。⁴两接触的相对重要性路线可以确定通过同位素示踪剂的使用,即锌存在于藻类富集锌同位素之一,目前在水里是另一个丰富(图3)。同位素分析接触动物的同位素组成相对吸收锌揭示了通过两种路线。⁵

图3。两个潜在风险的相对重要性评价路线(通过呼吸系统和通过食物频道)的示踪实验使用稳定同位素示踪剂。锌溶解在水浓缩在一个锌同位素,融入藻类在另一个。

测量自然变化

原因之一的元素显示偏离恒定的同位素组成是放射性同位素(s)的存在,从而增加的同位素丰度(s) /增加非常缓慢的天然长寿的放射性核素的衰变(年代)。这可以说明使用老为例。老有四个同位素-^84年老,^86年老,^87年老和^88年其中Sr-one (^87年Sr)丰富的放射性衰变^87年Rb,转换成^87年老的β粒子的发射。的半衰期^87年Rb几乎是500亿年(大约10倍时间比地球的年龄)。虽然Rb的同位素组成变化的地质时代,它是目前所有地面材料在同一水平。锶的同位素组成,另一方面,也显示变异是由时间决定的,老的花了在Rb和这两个元素的相对浓度。Pb是另一个著名的例子,不少于三个四个同位素的最终产品是天然核素的放射性衰变U或Th。由于“时间”的因素,结合元素的决心和同位素分析可用于交友目的(确定地质时代的材料),已经部署的地质学家几十年来,利用热电离质谱(蒂姆)同位素比值测量。

至于Sr,接受的是元素是没有可衡量的分馏基岩转移到土壤、植被的土壤和植被的植被动物放牧,锶同位素分析还可用于农产品来源(如葡萄酒,奶酪)。通过比较老(或的同位素组成^87年Sr /^86年锶同位素比值)在这样一个产品原产地与潜在的地理区域(显示不同的地质)、信息产品可以获得和伪造的出处(例如,葡萄酒不是来自该地区表示瓶子)可以追踪。还可以研究人类的起源。人类牙齿组织包括两个主要材料:外部闪亮的一部分,搪瓷,在儿童和形成是人体中最坚硬的物质,和内心的柔软部分,牙本质,这是不断更新的同位素组成(图4)。老的搪瓷个体成年就由老出现在食物的消耗在他/她的童年,而老的出现在牙本质是由锶的同位素组成在食品消费在过去几年。特别是学习考古人类残遗,这种差异是很重要的,在现代人们消费食品来自世界各地。使用这种方法,例如,在根特大学学习gravefield人口,挖掘在荷兰的一个历史上重要的教堂。铅同位素分析也可以利用来源确定的目的,因为来自不同矿区的铅可能显示明显不同的同位素指纹,这个方法被用于各种各样的情况下,从环境研究,作为一个目标破译这一部分大气铅来源于petrol-Pb考古研究,旨在获得更深刻的洞察的起源的原料用于制造对象的艺术。⁶

图4。牙齿(摩尔)图显示牙釉质和牙本质分数。

其他元素显示自然变异的同位素组成的同位素分馏的出现,也就是说,一个元素的同位素不参加相同的物理过程和化学反应的效率,因此它们之间的区别在平衡态(热力学)或反应速率(动力学)。这种效果是最明显的较轻的元素,多参加各种各样的流程,如H, C, N, O和美国这是广泛用于各种各样的应用程序,基于气体源质谱的使用。特别是,随着影音收藏家的引入icp,这种分离的规模小得多的magnitude-are effects-though显示增加分数的元素,包括金属,如铁、锌和锡。这些元素的组合的电离成米⁺离子在高温ICP(电离作用温度~ 7500 K),提供的高精度同时测定的离子光束涉及(图5)导致了这些发现。虽然一些实际应用正在开发,如诊断血液疾病的发生的严重性血色沉着病⁷或环境污染的来源的调查,⁸很明显,更透彻地了解这些分馏效应仍然需要收集和实际应用基于他们的存在需要开发。

图5。影音收藏家数组的影音收藏家icp仪器,允许同时监控所有同位素的离子光束的目标元素。单个探测器可以移动到正确的位置(机动)和通过静电透镜,梁可以引导到探测器入口热费希尔(礼貌)。

它还必须指出,获得准确的结果与MC-ICP-MS不如似乎不证自明的从上面的文字。同位素比率衡量需要纠正所谓的仪器质量歧视,指的是有区别的事实的效率与传输相同的元素的同位素ICP离子探测器。伴随矩阵影响质量歧视的程度,需要对目标元素分离矩阵时,针对检测和量化小同位素比值的差异,例如,只有订单的0.01%。的结果戏剧性的影响,污染可能同位素比率,这种分离过程是最好或一定(取决于目标元素和预期变化)进行高质量的清洁实验室,有一个大大降低大气粒子的数量单位体积比环境空气。

很明显,ICP-MS-in对比AAS和ICP-OES-readily提供同位素信息无疑是一个非常重要的优势,提供好处在日常应用程序开放新的应用领域。因此这一领域的研究正在迅速增长。

引用

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