ENG
Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского
Деятельность
Лабораторно-аналитическая служба
Центр изотопных исследований
Аналитические возможности ЦИИ

Центр изотопных исследований

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Для решения современных актуальных проблем геологии и природопользования, а также экологии, физики, ядерной энергетики, биологии, медицины и пр. ЦИИ располагает следующим основным оборудованием:

Цифровой сканирующий электронный микроскоп CamScan MX 2500S (CamScan Electron Optics, Ltd, Великобритания) с рентгеновским микроанализатором и катодолюминесцентным детектором.

Предназначен для наблюдения микрообъектов при увеличениях от 8х до 500’000х, исследования их топографии (морфологических элементов поверхности), фазовой неоднородности и позиционирования электронного пучка для последующих рентгеновских и катодолюминесцентных измерений. Детектор вторичных электронов (SE) Эверхарта-Торнли предназначен для регистрации низко энергетических вторичных электронов, формирующих топографическое изображение (с разрешительной способностью <3 nm при 30 kV ускоряющего напряжения). Детектор обратнорассеянных электронов (BSE) позволяет выявить фазовую неоднородность объекта.

Для проведения электронно-зондового микроанализа СЭМ оборудован системой INCA Energy 200 c энергодисперсионным спектрометром фирмы Oxford Instruments, позволяющей определять химический состав объекта в широком элементном диапазоне (от B до U). Электронно-зондовый микроанализ и растровая электронная микроскопия используются для решения широкого спектра задач:

Входящий в комплект СЭМ катодолюминесцентный детектор CLI/QUA 2 существенно расширяет возможности электронной микроскопии. Основной причиной катодолюминесценции в минералах является присутствие в кристаллической решетке микропримесей редкоземельных элементов (Sm3+, Dy3+, Th3+, Tb3+, Eu2+, Eu3+) и Mn2+.

В случае неравномерного вхождения микропримесей в процессе кристаллизации минералов, даже тончайшие зоны роста кристаллов будут иметь разные характеристики катодолюминесцентного спектра, что делает эти зоны визуально различимыми и позволяет выявлять внутреннюю морфологию кристаллов и эволюцию ростовых форм.


С помощью детектора качественно определяется какими именно микропримесями обусловлена катодолюминесценция в той или иной зоне кристалла. Явление католюминесценции возникает в минералах, не содержащих главных окислов (FeO, MgO и т. д.) в главенствующих позициях, т. к. они являются гасителями такого вида люминесценции. Главными объектами катодолюминесцентного изучения являются алмазы, цирконы, флюориты, апатиты, карбонаты, полевые шпаты и бариты.

При решении изотопно-геохимических и геохронологических задач растровая электронная микроскопия и катодолюминесценция играют важнейшую роль на этапе предварительного минералогического изучения вещества. Эти методы позволяют окончательно определиться в выборе наиболее корректного и эффективного метода изотопного анализа, а также выделить подходящие для исследований участки образца.


Мультиколлекторный Вторично-Ионный Высокоразрешающий Микрозонд SIMS SHRIMP-II (ASI, Австралия).

В приборе применяется in situ-ионизация вещества пробы, посредством бомбардировки ее поверхности ионами кислорода или цезия, сфокусированными системой Колера в пучок диаметром 5-25 микрон. Ионизация приповерхностного слоя образца позволяет получить положительные или отрицательные ионы в количестве, достаточном для изотопного анализа. Такой подход освобождает от сложных, длительных аспектов пробоподготовки, присущих традиционной масс-спектрометрии. Высокое масс-разрешение прибора достигается использованием двойной фокусировки (одновременно по энергиям и массам) и очень большим радиусом поворота магнита а также электростатического анализатора.


Принцип работы прибора следующий. Пучок ионов с энергией 10 kV (О- или Cs+ ) фокусируется на небольшую область поверхности мишени. Ионная бомбардировка выбивает атомы и молекулы из мишени, ионизуя их. Эти вторичные ионы собираются посредством электростатических линз и направляются в масс-спектрометр, в котором они разделяются по массам. Обычно, в спектре вторичных ионов сложных соединений изобары имеют отличие по массам <3 x 10-4. Высокое масс-разрешение прибора достигается использованием двойной фокусировки (одновременно по энергиям и массам) и очень большим радиусом поворота у магнита (радиус магнита 1 м, радиус электростатического анализатора 1.27 м). В итоге прибор весит порядка 14 тонн и имеет длину ионного пучка более 7 метров.

SHRIMP-II имеет самую высокую чувствительность и разрешающую способность среди всех существующих микрозондов. А имеющийся в прибор ЦИИ, является к тому же первым из семейства SIMS SHRIMP микрозондом с мультиколлектором. Это существенно повышает его точность измерений и производительность.

В 2017г. SIMS SHRIMP в ЦИИ прошел глубокую модернизацию силами завода-изготовителя до уровня SHRIMP-IIe/MC.

Применение

SIMS SHRIMP имеет большую область применения. Основной является уран-свинцовое датирование по урансодержащим минералам (например, цирконам). В число других возможных применений входит:

Исследуемые зерна вещества заливаются смолой и, по застывании, шлифуются и полируются с целью выведения на поверхность их внутренних частей. Размер зерен должен быть не менее 2–2,5 диаметров первичного пучка (наиболее часто применяемый размер пятна - 15 микрон). Поверхность, содержащая анализируемый материал должна быть максимально плоской и гладкой; царапины и каверны, равно как и рельеф любого рода, нарушают процесс эмиссии вторичных ионов.


Термо-ионный изотопный мультиколлекторный масс-спектрометр TRITON TI (ThermoQuest Finnigann MAT, Германия)

Позволяет осуществлять методики измерения концентрации природных изотопов U-Th-Pb, Rb-Sr, Sm-Nd, Lu-Hf, Re-Os в образцах горных пород и минералов.


Что такое TIMS

Термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS) является одним из наиболее прецизионных способов определения изотопного состава элементов и соединений. С помощью PTIMS (positive thermal ionizion mass-spectrometry) и NTIMS (negative thermal ionizion mass-spectrometry) можно анализировать относительную распространенность изотопов щелочных, щелочноземельных, редкоземельных элементов, металлов платиновой группы, урана, тория, свинца, трансуранов и др. Методы PTIMS и NTIMS позволяют изучать вариации изотопных составов в природных и космических объектах, обусловленные разнообразными процессами. Основным достоинством этих методов анализа является простота и однозначность интерпретации масс-спектров, высокая точность и чувствительность, а также отсутствие массовых линий, отвечающих многозарядным ионам.

Описание прибора

Одной из лучших разработок фирмы Finnigan MAT в области масс-спектрометрического приборостроения является многоколлекторный термоионизационный масс-спектрометр TRITON TI. Он способен работать как в режиме PTIMS, так и NTIMS. В состав прибора входит источник ионов, снабженный устройством позволяющим последовательно анализировать 21 пробу, регистрирующая система ионных токов, состоящая из 9 цилиндров Фарадея и вторичного электронного умножителя, а также соответствующие этим элементам электрометрические усилители. Каналы регистрации ионных токов обладают расширенной линейностью в диапазоне от 0 до 50 вольт. Прибор снабжен ионно-оптической системой с переменным фокусным расстоянием и системой, позволяющей изменять порядок подключения усилителей и цилиндров Фарадея. На TRITON TI можно анализировать пробы, масса которых составляет всего несколько нанограмм вещества, с очень высокой точностью. Так, ошибка воспроизводимости, характеризующая систематическую погрешность в серии анализов изотопных стандартов Sr и Nd, находится на уровне 5 ppm (0,0005%).

Задачи, решаемые прибором

Одной из областей, где использование данного прибора наиболее актуально, является геология. Посредством прецизионного определения изотопных составов ряда элементов, осуществляемых на TRITON TI, можно получать важнейшую геохронологическую и изотопно-геохимическую информацию о возрасте и особенностях генезиса самых разнообразных геологических образований. В области изотопной геохронологии TRITON TI позволяет проводить исследования U-Th-Pb, Rb-Sr, Sm-Nd, K-Ca, Re-Os и Lu-Hf методами. При этом решаются основополагающие вопросы, связанные с реконструкцией геологической истории Земли в целом и ее отдельных регионов. Посредством датирования магматических, метаморфических и осадочных пород выявляются планетарные и региональные эпохи магматизма и рудообразования, устанавливается взаимосвязь этих процессов с глобальными этапами активизации эндогенной деятельности недр планеты. Прибор позволяет осуществлять датирование «немых» и нестратифицированных объектов и др.

В области изотопной геохимии TRITON TI используется для определения изотопного состава Pb, Sr, Nd, Os и Hf. Анализируя изотопный состав этих элементов можно идентифицировать источники вещества пород и руд на уровне крупных резервуаров (кора, мантия и их смеси), определять характер связи магматизма и оруденения, а также степень «родства» магматических пород. На основе этих изотопных данных можно решать как общие петрологические и металлогенические проблемы, так и частные задачи. В частности, изучение изотопного состава Sr в морских карбонатах используется в стратиграфии для корреляции немых осадочных толщ, а изотопный состав свинца в стратиформных полиметаллических месторождениях с определённой степенью вероятности свидетельствует о масштабах оруденения. 


Изотопный мультиколлекторный плазменный масс-спектрометр (MC-ICP-MS) NEPTUNE (ThermoQuest Finnigann MAT, Германия)

Позволяет осуществлять методики выполнения измерений массовой концентрации природных изотопов металлов (в т.ч. Li, Cu, Ni, Pb, U) в образцах горных пород и минералов.

Масс-спектрометр высокого разрешения cконструирован на базе лучшей в мире многоколлекторной изотопной платформы. Cистема сочетает в себе уникальные характеристики анализатора TRITON TI и плазменного источника и интерфейса ELEMENT2. Успешно используется для задач геохронологии, геохимии, космологии и многих других применений, где важна точность и эффективность изотопных измерений.


Данный прибор позволяет реализовать изотопно-геохимические методы, требующие изотопного анализа трудноионизируемых элементов, таких как W, Hf, Pt, Os, что определяет возможность реализации Lu-Hf, Pt-Pt и Re-Os геохронологических методов. Ввод пробы из раствора, 100% ионизация всех компонентов, стабильная масс-дискриминация и высокая точность мультиколлекторного измерительного блока позволяют максимально упростить предварительные химические процедуры пробоподготовки и повысить точность и производительность при реализации стандартных геохронологических методов (U-Pb, Sm-Nd, Rb-Sr).

Одна из особенностей прибора - он может работать совместно с системой лазерной абляции, что позволяет реализовать высоколокальные методики изотопно-геохимических исследований. Имеющаяся система лазерной абляции New Wawe DUV-193 основана на эксимерном ультрафиолетовом лазере Lambda Physics, что обеспечивает минимизацию эффектов фракционирования элементов и минимальные размеры лазерного пятна (6-10 мкм). Система позволяет выполнять высоколокальные изотопно-геохимические исследования по зонам роста минералов непосредственно из аншлифа или даже стандартного петрографического шлифа.


Элементный высокоразрешающий, высокочувствительный плазменный масс-спектрометр (HR-ICP-MS) ELEMENT–2 (ThermoQuest Finnigann MAT, Германия)

Позволяет осуществлять методики измерения массовой концентрации широкого ряда химических элементов в образцах горных пород и минералов, в нефтях, природных, питьевых водах и дистиллятах. Исследуемый объект может быть представлен как в жидкой, так и в твердой фазе.


Масс-спектрометрия с ионизацией в индуктивно-связанной плазме (ИСП) является наиболее современным методом определения элементного состава. ИСП масс-спектрометр ELEMENT2 с двойной фокусировкой самый совершенный по своему техническому исполнению прибор данного типа. Прибор имеет стандартный для ИСП масс-спектрометров диапазон измерения масс от 6 (Li) до 260 и позволяет определять свыше 70 элементов природного и искусственного происхождения. Наличие трёх ступеней разрешения даёт возможность решать разнообразные задачи. В режиме низкого разрешения - достигать пределов обнаружения на уровне ppq (10-14 – 10-15 г/г) для многих элементов. В режиме среднего и высокого разрешения - проводить измерения сложных образцов в свободном от наложения оксидов, карбидов и пр. виде. Это значительно увеличивает точность определения при сохранении чувствительности на уровне 10-11 – 10-13 г/г. По скорости сканирования этот прибор не уступает стандартным квадрупольным системам ИСП/МС и значительно превосходит те, которые снабжены камерами соударений. Динамический диапазон детектора позволяет в одной съемке образца анализировать матрицу и микропримеси, отличающиеся по концентрации друг от друга до 9 порядков, а в ряде случаев и более, без разбавления и концентрирования пробы.

Система регистрации и обработки позволяет получать точные результаты количественного анализа, а также использовать его для изотопного скрининга. Точность определения изотопных отношений составляет сотые доли процента, что позволяет решать многие геологические, природоохранные (в том числе источники загрязнения) и технические задачи. Технические параметры ELEMENT2 делают его незаменимым в контроле окружающей среды, ядерной энергетике, геологии и геохимии, нефтепереработке, металлургии, полупроводниковой промышленности и т.д.

Прибор использует мобильную систему лазерной абляции DUV-193 совместно с прибором NEPTUNE, что позволяет также реализовать высоколокальные методики геохимических и технических исследований.



Система лазерной абляции DUV 193 (Lambda Physics Compex 102, США)

Длина волны ультрафиолетового лазера - 193 нм.

Плотность энергии до 80 Дж/см2.

Минимальный размер пятна – 5 мкм.

Газ-носитель в абляционной ячейке – гелий.

Микроскоп с увеличением от 200 до 1000 позволяет наблюдать микро-особенности исследуемой поверхности, а многофункциональный манипулятор аналогичный джойстику позволяет управлять положением образца-мишени. Аппаратные средства (высокоразрешающая видеокамера и плата захвата изображения) и программное обеспечение позволяет отображать картинку поверхности образца непосредственно на мониторе компьютера для выбора точки анализа. Предусмотрены различные режимы обхода заданной последовательности точек на поверхности образца.


Изотопный газовый статический масс-спектрометр Micromass-NG5400 (Великобритания)

NG-5400 является статическим масс-спектрометром, предназначенным для анализа благородных газов. Реализуются методики измерений изотопного состава He, Ne, Ar, Kr, Xe и соотношений этих элементов в природных газах, водах, нефтях, микровключениях и кристаллической решетке минералов и горных пород (3He/4He, 22Ne/20Ne, 40Ar/36Ar, 36Ar/38Ar и др.).


Коллектор с разрешением >600 позволяет легко разделять пики 3He+ от HD+ и 3H+. Электро-полировка внутренних металлических поверхностей и прогрев их до 350°C минимизирует дегазацию и фон на массе 38 (интерференция 12C3+ и 1H35Cl) соответственно. Этот прибор также оснащен одновременно коллектором Фарадея, ионным счетчиком с электронным умножителем и аналоговым Дейли детектором.

Система пробоподготовки данного масс-спектрометра укомплектована печкой. Ее контроллер с микропроцессором позволяет программировать процесс нагрева образцов. Печка может работать с температурами вплоть до 2000°C. В печке имеется карусель на 10 образцов общим весом несколько грамм, последовательно загружаемых в термо-элемент.


Масс-спектрометры для изучения изотопии легких стабильных изотопов DELTA Plus и DELTA Plus XL (ThermoQuest Finnigann MAT, Германия)

Для исследования изотопного состава H, C, S, O в водах, органических жидкостях, твердой и газообразной органике, карбонатах, силикатах.


Масс-спектрометры DELTA Рlus являются стандартом в масс-спектрометрии стабильных изотопов благодаря своей гибкости, надежности, чувствительности и точности для применений в геологии и палеоклиматических исследованиях, определения места происхождения множества продуктов, медицинской диагностике, контроле окружающей среды, контроле фальсификаций, криминалистике. Версия прибора с расширенной оптикой DELTA Рlus XL предназначена для применений, где проводятся измерения изотопных отношений водорода/дейтерия и кислорода с полным подавлением интерференции гелия.

Приборы оснащены широким кругом периферийных устройств:


Высокочувствительный счетчик интенсивности альфа- и бета-излучения CT-1220 Quantulus (Финляндия). 

Предназначен для измерения предельно низких уровней альфа и бета активности. Представляет собой жидкостно-сцинтиляторную счетную систему с многоканальным анализатором. Оптимизированный дизайн и сочетание активной и пассивной защиты позволили максимально увеличить чувствительность и уменьшить фон инструмента. Решаемые задачи – анализ следовых концентраций трития, изотопов С-14, Sr-90, Cs-137, Pb-210, Ra-226. Область применения включает в себя радиоуглеродное датирование, исследование состояния окружающей среды, геофизические и другие исследования, в которых требуется определить наличие малых количеств альфа- и бета-излучателей.

Яндекс.Метрика