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热电离质谱(TIMS)或多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)——我需要哪个?

已有 1121 次阅读 2023-10-22 08:30 |个人分类:地球科学|系统分类:海外观察

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   (作者简介:Steve是Isotopx同位素公司的销售和市场经理。他的大部分职业生涯都从事同位素比质谱,工程和应用科学以及销售和市场营销, 文章发表日期:21st September 2022,由博主翻译整理)

    您要对固体(最可能是金属元素)进行精确同位素比测量,但也许您还不是仪器技术专家。您已经了解到热电离质谱(Thermal Ionization Mass Spectrometry,TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱(Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,MC-ICP-MS)是可能的选择技术,但应该选择哪个呢?  首先,哪个先出现?实际上,TIMS是一种更早出现的技术,在MC-ICP-MS出现几十年前就存在了。作为一种广泛应用的技术,电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)直到20世纪80年代才被广泛使用,并且是单接收器,通常使用基于四极杆的质量分离技术,然后出现了多收的版本。顺便说一句,我对MC-ICP-MS的第一次经验是在1998年测试和安装Plasma 54仪器(VG Elemental)时。当时,这仍然是一种处于起步阶段的技术,尽管我听说人们普遍认为MC-ICP-MS会完全取代TIMS,但这已经是将近25年前的事情了。当然没有发生!让我们探讨一下原因。

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       MAT 262 热电离质谱(匹斯堡大学地质系网站)

  有许多因素会影响您选择这两种技术,包括经验、精度要求、样品量、样品类型、空间分辨率要求、样品制备资源的可用性、运营预算等等。在选择分析技术时可能会是一个令人头痛的经历 让我们看看您可能选择MC-ICP-MS的原因。这种技术的两个关键优点是灵活性和速度。我记得在纽约市外的实验室安装了一台MC-ICP-MS,第一次使用这台仪器的科学家(之前使用TIMS的科学家)非常惊讶,因为他们在第一天结束时已经尝试了四种同位素!其中一个主要原因是极其简化的样品制备。

ICP-MS仪器通常在稀酸基质中分析样品,对于某些样品类型,样品制备只是将样品稀释到适当的浓度以进行测量(旁注:我意识到这极大地简化了样品制备-这可能是一个非常复杂的操作-但是无可争议的是,通常比TIMS样品制备要容易)。样品制备可能很困难,不仅仅是一些有色水瓶 ,样品分析通常也更快,您可以在从溶液瓶中取样后的瞬间获得数据,对于许多同位素,您可以在十到二十分钟内实现中等到良好的精度。您可以在几秒钟内从一个样品切换到另一个样品……并且整天不断更换,无需在分析之前加载。更容易的样品制备和快速分析意味着,如果样品量是您的主要需求,那么MC-ICP-MS很可能是您的首选。除了更容易的样品制备之外,MC-ICP-MS作为一种技术可以用于更多元素,增强其灵活性。

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MC-ICP-MS仪器分析方案

TIMS上的探测器模块:不如MC-ICP-MS灵活,但可能更精确 。MC-ICP-MS的另一个相对优势是能够对样品的特定区域进行测量,换句话说,您可以获得空间分辨数据。这最好是使用激光剥蚀作为样品来源,这在过去20年中得到了很大发展,尽管在我第一次使用MC-ICP-MS时它并不常用。实际上,这意味着您可以选择样品的特定部分,例如单个颗粒,尺度可达数十微米,并为该样品实现相对较高的精度。它非常适合于异质样品。使用TIMS进行相同任务意味着复杂的样品制备,包括微米级制样和超出我的熟练水平的灵巧操作!

但是缺点呢?一个主要问题是运行成本。MC-ICP-MS仪器消耗大量的氩气;用于输送样品,启动等离子体和冷却样品引入系统。这是一种昂贵的气体,因此全天运行这样的仪器的成本一年要花费成千上万美元。这对于一些可以获得资金支持但在大型运行成本方面遇到困难的实验室可能是禁止因素。这些仪器所需的电力也比TIMS仪器多得多,主要是由于耗电量大的射频发生器。近年来,全球某些地区能源成本的上升使这更加成为一个因素。

还有最终精度的问题。作为一种技术,MC-ICP-MS的精度主要受到离子束信号固有变异性的限制,这是由于质量偏差中的不稳定性(本身大于TIMS仪器)。使用TIMS仪器时,操作人员都会非常熟悉几乎无噪音的样品强度测量,而使用MC-ICP-MS进行测量时,样品强度测量相对较嘈杂,闪烁不定。对于单收集器ICP-MS技术来说,这不是什么问题,因为精度在低百分比水平上。但是对于同位素比测量来说,这变得很重要,这也是为什么许多最高精度同位素比测量数据仍然来自TIMS仪器的主要原因。

既然了解了MC-ICP-MS的优势和劣势。什么时候会选择TIMS呢?退一步看,您可能可以推断出,对于灵活性和吞吐量,MC-ICP-MS提供了很多选择,如果您必须对样品进行空间分辨率分析,也是如此。但是如果您真的想要对宝贵样品获得最佳精度,TIMS就会发挥其作用。如果您已经是TIMS用户,那么样品制备要求不会让您放弃。还有一些元素,其中使用TIMS时较高的电离效率意味着TIMS的离子产量(换句话说,您放入质谱的单位物质中获得的离子数)可能比MC-ICP-MS更好。

image.pngMC-ICP-MS实验室内部:NASA科学家Rosalind Armytage和Jay Thompson在准备利用等离子体进行样品分析。

NdO就是一个很好的例子。通常发布的最高精度Nd数据通常是使用TIMS测量的。现在对于TIMS来说,2ppm的2RSD数据相对是常规水平了 还有熟悉和培训问题。TIMS仪器在技术上比MC-ICP-MS仪器更简单,使用和维护都更容易。如果您的实验室有TIMS用户的经验,那么切换到MC-ICP-MS可能需要时间,因为需要学习ICP作为离子源所需的学习曲线。当然我们提到了运行成本。如果这些对实验室构成限制因素,那么TIMS可能是一个更可取的解决方案。

在我周游世界安装和维护MC-ICP-MS仪器的日子里,经常看到由于昂贵的维护问题超出了实验室预算或简单地无法承担氩气费用而使MC-ICP-MS仪器停止运行。然而,在这些同样的实验室中,老旧的TIMS仪器仍然在工作。多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)是一种灵活的同位素分析技术,利用电感耦合等离子体源产生离子,并通过多接收系统同时收集不同质量的离子。这种技术可以测量各种元素和同位素,对地球化学、环境科学和生物医学领域具有重要意义。MC-ICP-MS技术具有工作效率和快速分析速度的优势,可用于广泛的应用领域,包括地球科学、环境科学和材料科学等。

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附:TIMS和MC-ICP-MS对比:

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热电离质谱(TIMS)是一种高精度同位素分析技术,利用样品中的离子在热丝上电离并通过质谱分析仪进行分离和测量。这种技术通常用于稀有同位素的测量,如地球科学中的放射性同位素,包括铀系列和钍系列同位素。TIMS技术由于其高精度和准确性,尤其在地质、天文和核技术领域得到广泛应用。

多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)是一种灵活的同位素分析技术,利用电感耦合等离子体源产生离子,并通过多收系统同时收集不同质量的离子。这种技术可以测量各种元素和同位素,对地球化学、环境科学和生物医学领域具有重要意义。MC-ICP-MS技术具有高吞吐量和快速分析速度的优势,可用于广泛的应用领域,包括地球科学、环境科学和材料科学等。

TIMS和MC-ICP-MS在同位素分析中具有不同的优势。TIMS在高精度同位素测量方面表现出色,尤其适用于稀有同位素的分析。然而,TIMS样品制备复杂,且运行成本较高。相比之下,MC-ICP-MS具有较高的样品分析量和较快的分析速度,样品制备相对简单,适用于更广泛的元素和同位素分析,但精度不如TIMS。

在不同领域中,研究人员根据实际需要选择适合的同位素分析技术。TIMS适用于追求高精度和准确性的应用,例如放射性同位素地质年代学和核技术应用。而MC-ICP-MS适用于需要高吞吐量和快速分析的研究,例如环境样品监测、地球化学循环研究和生物医学研究。两种技术各有优劣,根据实际需求选择合适的技术对于获得准确的分析结果至关重要。

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2 李中平 王安良

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