硅酸盐矿物中氧同位素检测方案(激光剥蚀进样)

地学前缘(中国地质大学，北京)Earth Science Frontiers (China University of Geosciences， Beijing)第10卷第2期2003年4月Vol. 10 No.2Apr. 2003 龚冰，郑永飞/地学前缘(Earth Science Frontiers)2003， 10(2)280 硅酸盐矿物氧同位素组成的激光分析 龚 冰， 郑永飞 (中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽合肥230026) 摘 要：对于红外激光系统和紫外激光系统，由于它们加热样品的反应机理完全不同，决定了它们在稳定同位素地球化学分析中的不同使用范围。根据对 CO2激光系统分析地球化学样品的实践，发现对结果产生干扰的因素有：(1)石英的粒径效应；(2)微量样品接收电压过低；(3)分子筛的吸附能力；(4)系统中的吸附水；(5)4N19F对870值的影响。由于石英的粒径效应而导致细粒石英(粒径<250/m)的880值偏低，可以采用不聚焦激光的快速加热法来解决。，由于样品量太少而决定了样品气体接收电压过低，导致880值出现系统偏高或偏低，可以利用校正曲线对结果进行校正。分子筛吸附性能的下降会产生氧同位素的分馏，因此确定分子筛的使用寿命非常重要。系统中的吸附水利用氟化物试剂预氟化来去除，重要的是应避免在预氟化的过程中产生大量的 HF 腐蚀激光系统的BaF2窗口玻璃并与部分矿物样品发生反应。 关键词：激光分析；氧同位素；矿物；粒径效应；接收电压；分子筛；预氟化 中图分类号：P597.+2； P575.9 文献标识码：A 文章编号：1005-2321(2003)02-0279-08 自从常规五氟化溴方法建立以来，对硅酸盐和金属氧化物矿物中氧同位素组成的精确分析已经得到广泛引用，因而大大促进了氧同位素地球化学的发展。但是，长期的工作实践发现，在应用常规五氟化溴法分析矿物的氧同位素组成时，存在一些难以避免的缺陷：(1)分析时所需样品的量较多(一般均需10~15 mg)，导致其空间分辨率很低；(2)对某些难熔矿物(如石榴石、蓝晶石、橄榄石等)的氧同位素分析结果不能令人满意；(3)由于采用外部加热“弹”的技术，很容易导致 NiF2 的产生，这会影响样品同位素组成测定的准确性。 离子探针在进行稳定同位素分析时需要的样品的量要大大少于激光方法3，其空间分辨率要高于激光方法(图1)。但是，这一方法存在着致命的弱点：(1)该方法的分析精度只有传统方法的1/5~1/10；(2)该方法所测定的仅是样品表面微区内的80值。因此，该方法的地球化学应用受到了非常大的限制。自20世纪90年代初以来，国际上相继出现了 CO2 激光分析系统4、NdYAG(镀Nd铝 ( 收稿日期：2002-11-11；修订日期：2002-12-02 ) ( 基金项目：国家自然科学基金项目(40033010)；中国科学院知识 创新工程项目(KZCX2-107) ) ( 作者简介：龚 冰(1971一 )， 男，硕士，同位素地球化学专业。 ) 榴石)激光分析系统及KrF -激发式激光分析系统和ArF -激发式激光分析系统6。相对于传统方法，激光方法在对矿物稳定同位素组成的分析上具 图1 离子探针与激光分析技术的性能比较(据Valleyl3]) Fig.1 Advantages and trade offs of new analyticaltechniques for stable isotope analysis 备的优势是显而易见的：(1)需要的样品量少，最低可以到0.3~0.6mg7~9；(2)可以达到很高的反应温度，因而对石榴石、橄榄石、锆石等高温矿物的氧同位素组成的分析可以得到好的精度和准确度7~15，(3)分析样品的速度更快，平均≤15 min/一样品.16，(4)可以得到更好的分析精度18914.net 本文结合不同激光分析系统的工作原理和应用范围，对我们实验室CO2激光分析系统的实验技术流程进行了概括，对实验过程中遇到的技术问题结合文献资料进行了讨论。 1 不同激光熔样的反应机理 根据激光波长的不同，目前应用于地球化学领域进行稳定同位素分析的激光器大致可以分为两大类：(1)红外激光器，包括波长波=10.6 /m 的CO2激光器和波长皮=1.064 /m 的Nd-YAG 激光器；(2)紫外激光器，有波长 入=248 nm的KrF-激发式激光器。 红外激光与紫外激发态激光的熔样机理及样品与含氟试剂的反应机理是完全不同的。对于红外激光而言，硅酸盐矿物和金属氧化物的晶格对红外波长的激光有着很强的光子捕获效应17，即满足： 式中h 是普朗克常数，u是入射激光的频率，Ef一Ei是样品的终态与始态的能量之差。当红外激光照射样品时，光子能量被样品吸收，转化为晶格振动能，振动的加速可以使样品熔化。如图2所示，硅酸盐中不同的键 (Si-O键，金属一0键)能很好 图2 不同波长激光的能级图和硅酸盐中不同键的键能(据 Young 等[17) Fig. 22EEnergy level diagram for laser with differentwavelengths and bond energies in different silicates 此吸收不同能级的激光。 Si-Ovib为 Si-0 键的振动能， CO2激光最容易被转化为 Si-O 键的振动能。 波长入为248nm的紫外KrF-激发式激光的光子能量为~5.0 eV(图2)，远高于红外激光的能量 .(CO 激光8.1eV， Nd YAG激光 1.0.eV). 熔样方式完全不同于 CO2激光或 NdYAG 激光18191。以橄榄石为例，在其能量密度低于3~4J/cm²(熔样阈值)时，不会有任何表面的破坏发生。在高于熔样阈值时，其每次脉冲的熔样深度从0.2m 在5J/cm 增加到35J/cm 时的0.4m。因此，激发式激光的熔羊只是在其能量通量高于有关矿物的熔样阈值时才会发生。图3描述了红外激光熔样与紫外激光在反应机理上的差异。在红外激光熔样过程中，氟化反应是在氟化试剂与被加热的矿物样品之间进行的；而在紫外激光熔样过程中，氟化反应则是在氟化试剂与热的气态物质(矿物样品的离子、原子和分子)之间进行的。原位紫外激光熔样分析可能是与离子探针技术相抗衡的方法(图1)。 图3 红外激光与紫外激光加热样品的反应机理(据 Farquhar 和 Rumble[20) Fig. 3 Different mechanisms between IR laserheating and UV laser ablation techni ques CO2激光器用途最广，能够对常规粉末样品进行分析，但是其分辨率低40m)，不能进行原位分析。Nd-YAG 激光器分辨率适中(10~20八m)，既够对常规粉末样品进行分析，也能进行原位分析，但是对常见造岩矿物石英存在分析上的不稳定性。KrF-激发式激光器最新，分辨率高(5m)，能够进行原位分析，但是对常规粉末样品溅射厉害。采用 IR+UV组合是最佳解决方案。 2CO2激光系统组成及实验流程 2.1 系统组成 我们实验室所用的激光器为一25W 的 CO2激光发射器MIR-10(图4)。CO2激光器发射波长为10.6m，这一波长正好位于红外区域，因此可以很好地被含氧化合物吸收。其功率可以在0~100%之间调节，这在分析样品过程中非常重要。光束照射斑点的直径可以调节，从100/m 到1820/m。由于 CO2 激光器体积较小，份量较轻，因此它可以安装在垂直样品室的上方的一个可移动的操作台上。此外，它还配置有一可一能力为 10 kHz、聚焦长度为 12.7 cm 的激光传递系统。为对被分析点进行预定位，它同时安装有一个同轴的氦-氖激光定位装置。 CO2激光探针样品系统上有一垂直的可让激光透过的304不锈钢圆筒，样品室中放的样品托盘，由纯镍制成，托盘上有33个直径4mm、深6mm圆孔用来装样品。样品室中另一种重要的材料是允许激光透过的窗口材料。在CO2激光探针系统中所使用的 BaF2(蓝宝石会吸收大量的 CO2激光射线)相对脆弱且具有完全的立方体解理，会吸收10%~20%的 CO2激光射线。BaF2是一种在可见光和红外范围透明抗氟而且对 CO2激光吸收率很低的材料。激光束透过的小洞用 BaF2封闭。.上述两个小孔均再使用软的 Teflon 垫圈实行高真空密封。 CO2激光探针的真空系统由抗氟部分(不锈钢)和玻璃部分组成。暴露于氟化剂的抗氟部分由 一个 BrF5 罐，两个聚三氟氯化乙烯(Kel-F)制成的蒸馏管，一个真空压力计，一个样品室以及一个用于防止反应物进入的冷阱和两个热阱组成。两个热阱，其中一个充填的是KBr，另一个充填的是 NaCl。其作用都是将 BrFs 转化为NaF、KF及单质Br2。反应如下： 反应析出的02经多次纯化后用13×10-10m的分子筛经液氮冷冻吸收，然后送质谱分析。整个系统直接与气体质谱仪相连接。采用02进行直接分析的优点有二：(1)避免了向 CO2转化过程中的潜在同位素分馏；(2)能够得到样品的·80值。 2.2 分析流程 先把分析样品放置于样品室中，同时在较低的氟化剂气压< 0. 3×10°Pa)和室温下预氟化以除去任何可能吸附于样品或样品室壁上的水。在镍制的样品放置台上不可有任何可见的NiF2 产生，因为它即使在 BrFs 氛围的室温下仍可保留水的存在。在对某些特殊样品(如粘土)进行预氟化时应在非常低的氟化剂压力下和非常短的时间内进行，或者只在真空下加热到几百度而不必进行预氟化。 所使用的BrF5 应经过邻接的两个聚三氟氯化乙烯(Kel-F)制成的蒸馏管的二次蒸馏。纯化过的BrFs 在(0.03~0.1)×10°Pa的压力下引导入样品室内。氟化剂数量的多少并不非常重要。 激光束由 He-Ne 预定位激光引导至样品的上方。如分析样品为粉末或小碎片时，加热时应缓慢进行，以避免剧烈的反应和未反应物的溅射。为解 图4 中国科学技术大学化学地球动力学实验室 CO2 激光探针系统示意图 Fig. 4Schematic diagram of a CO2 laser fluorination system in Laborat ory of Chemical Geodynamic of USTC 决这一问题，激光束只调到其总功率的10%，并使用1 kHz， 脉冲直径为最大的脉冲激光。其功率通过降低脉冲间隔和增加脉冲宽度而缓慢增加，一般最大增至总功率的30%，直到样品开始“白热”。当这种“白热”消失时，样品也就反应完毕了。对于石英，样品会完全反应为 SiF4 和02，对于其他矿物则会留下固态的氟化残留物，但这种残留物是不吸收CO2激光的，因此也就不再“白热”。在作粉末样品时，由于样品很可能占据一个比激光束大的范围，有时必须缓慢地来回移动激光束，以使样品反应完全。一般来说总的反应时间在90~300 s之间。 激光熔样完成之后，未反应完的氧化剂在一个冷阱中分离，而02则缓慢地导入系统中一个装有分子筛的第一个玻璃管中。在02导入质谱仪上的装有分子筛汞的玻璃管中之后，对系统即可开始抽真空，然后在样品室中通入氧化剂即可对下一个样品进行分析。半小时内可以完成1个样品的加热、反应和分析的所有工作。 影响分析结果的因素及解决方法 我们分析了880=5.8%0石榴石国际标准UWG-2，分析结果在误差范围以内(图5)。我们还对同位素地质年代学中的锆石的国际标准91500作了氧同位素分析，其结果在误差范围以内(图5)。 图5 国际标准UWG-2石榴石和91500锆石的分析结果 Fig.5 Plot of consistency of 80 of UWG-2garnet and 91500 zircon 法。 (1)水的影响：不管是在传统方法中还是利用激光系统分析氧同位素，在装样的过程中，即使有氮气保护，也很难避免空气中的水进入镍制的反应容器。水中的氧会直接干扰样品中氧同位素组成的分析，在传统方法中，我们可以先放少量的BrF5 在常温下与反应容器中吸附的水反应，反应的时间一般较长，约6~10h，才可以将系统中的吸附水基本除去。但是在激光系统中，系统预氟化的时间却不能这么长，因为 BrFs 与水反应的主要产物是 HF，而HF 会严重腐蚀激光系统的窗口玻璃BaF2，使得窗口玻璃变毛，激光的透过率下降。为了避免窗口玻璃的腐蚀，同时又可以将水完全除去，我们采用的方法是：第一次大约放入300 mol 的 BrF5，在系中中保留1~2min， 然后抽走；第二次放入同样量的 BrF5，在系统中保留5~6 min， 再抽走；第三次放入同样量的BrF5，室温下过夜反应。这样基本上可以将系统中的吸附水完全除去，同时又不会让预氟化产生的HF 腐蚀BaF2 玻璃并与部分矿物样品反应。 (2)石英的粒径效应：对于同一石英样品， CO2激光分析系统对不同粒径的石英颗粒分析得到的880值有较大的变化[2223]。对于大颗粒的石英样品250(m)， 利用 CO2激光系统分析得到的88o值与传统方法的得到的结果非常一致；而对于很小的石英颗粒或粉末样品(250m)， 880值要比传统方法的结果低了约0.8%以上。 这种分析误差的产生可能与激光加热样品的方法有关。一般认为2~241，，利用激光氟化法分析细粒石英样品得到低于正值的结果，主要是由于用聚焦激光束、长时间缓慢加热样品(这种加热方法简称SHF)造成的。Kirschner 和 Sharp24提出采用LiF作为粘合剂将细粒或粉末石英样品粘成大块的方法，但是这一方法似乎并不太奏效，对于石英粉末样品的分析，8*0值仍就偏低。因此， Spicuzza 和 Val-ley等21提出，对于细粒或粉末石英样品采用不聚焦激光的快速加热法(简称 RHD)来克服石英的880值偏低的问题。他们使用的是32W 的 CO2激光器，将激光功率调至100%，采用不聚焦激光快速加热样品，对于0.5~3.0mg的石英样品，一般加热反应时间在1 min 以内。对于石英的国际标准 NBS-28，分为3种粒径，即120~250 /m，50~100/m和≤50m，利用两种加热方法进行氧同位素分析，结 在利用 CO2激光系统分析样品的过程中，我们发现石英存在氧同位素的粒径效应[21\。另外，空气中的水、吸附02的分子筛的使用时间、样品气体的量等因素，对分析结果的精度和准确度都有较大的影响.下面将详细讨论这些影响因素及解决的方，果发现，不聚焦激光的快速加热法(RHD)得到结果 为80=(9.60±0.07)(图6)，精度和准确度大大优于聚焦激光长时间缓慢加热法(SHF)。 利用不聚焦激光的快速加热法对于激光器的功率有一定的要求。对于32W 的 CO2激光器，其满功率时发出的激光功率为17W(功率密度~20W/mm²)，利用不聚焦激光的快速加热法可以得到较好的结果。而对于20 W 的CO2激光器，其满功率时发出的激光功率只有8W(功率密度~10 W/mm)，利用不聚焦激光的快速加热法得到的结果不好。因此，采用不聚焦激光的快速加热法的功率密度至少要≥15~20 W/mm。 Spicuzza 和Valley 等121推荐激光器的功率>30 W. 图6 不同的激光加热方法中石英粒径效应对氧同位素分析的影响 (据Spicuzza 和Valley等21) Fig. 6 Plot to ilustrate the dependence of measured80 as a function of grain size (3)样品气体的量对分析结果的影响：对于双路进样动态气体质谱仪，一般要求样品气体的接收电压与参考气的接收电压相等，这样得到分析结果的精度和准确度最好。一般情况下，在我们分析过程中，如果发现样品气体与参考气体的接收电压不相等，可以采取两个办法解决：(1)调节质谱仪中样品气体或参考气体的气囊的体积，使得两者的接收电压相等；2)如果样品气体的量太少，调节气囊也无法使样品气体的接收电压达到分析的下限，只有增加矿物样品的秤样量。 我们实验室在 CO2激光系统分析流程中，激光对矿物样品进行加热熔化，形成O2，然后直接送到气体质谱仪进行氧同位素比值测定。对于一些常温矿物，如石英，长石等，如果样品气体的接收电压低于下限，可以加大矿物样品的秤样量。但是对于一 样品量本身就非常少，矿物样品中氧的重量百分比又很低，进入气体质谱仪中的样品O2的量太少而导致接收电压远远低于参考气体的接收电压，气囊调节到极限也无法使两者的电压相等。在这种无法使得样品气体与参考气体的接收电压相等情况下，就需要知道样品气体与参考气体的接收电压之差对于分析结果的影响有多大，并且要找到对这种影响的校正方法。 表1 o实测值随接收电压差值的变化(8值64.85%0) Table 1Change in measured 86 values with gaseousvoltage of mass spectrometer 样品参考气一2V V样品或V参考气2V V样品一V参考气 8180/% V样品一V参考气 880/% 0.947 64.846 1.491 64.937 0.944 64.853 1.700 65.337 0.531 64.786 1.695 65.388 0.538 64.788 1.919 65.230 1.295 64.868 1.916 65.207 0.559 64.869 2.613 65.520 1.285 64.848 2.602 65.496 2.113 64.829 3.287 65.548 2.089 64.808 3.757 65.614 2.943 64.811 4.682 65.571 4.07 64.754 1.512 65.199 4.022 64.764 1.516 65.159 我们用来作为样品气体的氧气是已标定过的钢瓶氧气，其80=64.85%，样品气体的接收电压分为两种情况，即>2V和2V。表1为随样品气体与参考气体的接收电压差值变化，分析结果的变化趋势。从表中可以看到，由于接收电压的不同，可能使80值与真值相差最大可达0.8% 图7给出了不同接收电压下，对分析所得到的80值的校正曲线。当样品气体与参考气体的接收电压均大于2V时，分析的86值低于真值；当样品气体与参考气体的接收电压其中之一小于2V时(一般是样品的接收电压)，分析的80值要高于真值。利用最小二乘法拟合的方程可以对实际分析中得到的80值进行校正，即： 式中，Y为不同的样品气体与参考气体的接收电压下，86实测值与真值之间的差异。 (4)分子筛的使用时间对分析结果的影响：反应析出的02经过液氮冷阱和NaCl热阱多次纯化后 图7 样品气体与参考气体的接收电压不相等时，对实测80值的校正曲线 Fig.7 Empirical cuive of measured 80for unequal receiver voltage 用5×10-10m的分子筛加液氮冷冻吸收，分子筛的吸附性能对分析结果有很大的影响。对样品为80=5.8%石榴石国际标准 UWG-2I14]分析发现，随着分析样品的增加，当分析样品数达到1000个左右时，实测的80值会有较大的偏差(图8)，最大偏离可比真值低2.8%.这可能是由于02虽然经过多次纯化，但是长时间的使用，会有少量的氟化物反应试剂接触到分子筛，导致分子筛被腐蚀，其吸附性能急剧下降，这样在吸附02的过程中就会产生氧同位素的分馏。解决办法很简单，只要定期更换分子筛。图8大致确定了我们的 CO2激光探针系统的分子筛能正常使用的寿命在1000个样品以内。 图9 矿物8688关系图 Fig.9 Plot of dependence between 8b and8b values for samples (5)8-180的相关性：在我们的 CO2 激光探针系?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publi 图8 分子筛对实测矿物80值的影响 Fig. 8 Plot of the influence on measured80by the declining of molecule sieve’s adsorption 统中，当反应形成02，直接送到气体质谱仪进行氧同位素比值测定，能够同时得到样品的80值和80值。对于所有的地球矿物样品，我们知道其氧同位素组成满足关系：86=0.52×86.但是，在分析样品的过程中，我们发现有不少样品的86>0.52X80(图9). 这种较高的80值可能是由下列反应造成的：NF3-14NF9. 对于分子量而言：NF+=1010.N1F+的存在导致了80值的异常升高。 4小结 对于红外激光系统和紫外激光系统，由于它们的熔样机理及样品与含氟试剂的反应过程是完全不同的，这就决定了它们在稳定同位素分析中的不同适用范围。我们实验室的 CO2 激光分析系统已经被成功地用来测定难熔矿物的氧同位素组成25，26]但是，在利用 CO2激光系统分析矿物样品的过程中，我们注意到影响分析结果的技术因素主要来自以下几个方面： (1)对于很小的石英颗粒或粉末样品(250/m)80值要比真值偏低。对于功率大于32W 的CO2激光器，可以采用不聚焦激光束的快速熔样法(RHD)分析粒径≤250m 的石英样品。 (2)对于微量样品的激光系统分析，由于样品气体的接收电压太低而产生的分析的系统误差，可以利用校正曲线进行系统校正ed， http：//www.cnki.net (3)由于分子筛被氟化物腐蚀而产生的同位素分馏，可以通过更换分子筛来解决，重要的是确定分子筛的使用寿命。 )对于0而言，N419F的存在导致了0值的异常升高。 ( (5)在利用 BrF5预氟化除去系统中吸附水的过程中，主要要确保 BaF2 玻璃不被产生的HF 所腐蚀。 ) ( References[ 参考文献]： ) ( [1] CLAYTON R N，N， MAYEDA T K. 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A CO2-LASER TECHNIQUE FOR OXYGENISO TOPE ANALYSIS OF SILICATES GONG Bing， ZHENG Yong-fei (School of Earth and Space Sciences， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China) Abstract： There are significant differences in the nature of fluorination and the mechanisms of laser-samplecoupling betw een IR and UV lasers. Their applications to oxygen iso tope analysis are also different. The accu-racy and precision of CO2 laser fluorination analysis are influenced by the following factors： the grain size， thevolume of sample gas， the efficiency of adso rptio n of molecule sieve， the adsorbing water in laser system， andthe 8 values affected by N . The ob values of fine-grain quartz are lower than its true values because ofthe grain size effect. The CO2 laser fluorination technique， using rapid heating and defocused beam， allowsboth high-accuracy and hig h-precision determination of oxygen isotope ratios for quartz， feldspar and w holerock. The inaccurate results that are caused by micro-volume sample gas can be calibrated by an empiricalcurve. The declining of molecule sieve’s adsorption can also produce oxy gen isotope fractionation. Therefore，it is important to determine the life time of molecule sieve. Failure to make pre-fluorination can result in theproduction of sig nificant amounts of HF， which frosts the BaF2 window and even reacts with some minerals.Key words： laser analysis； oxygen isotope； mineral； grain size effect； receiver voltage； molecule sieve； pre-fluorination ?China Academic Journal Electronic Publishing House.'A Sournal Electronic Fublishing House. All rights reserved http：//www.cnki.net 对于红外激光系统和紫外激光系统, 由于它们加热样品的反应机理完全不同, 决定了它们在稳定同位素地球化学分析中的不同使用范围。根据对CO2 激光系统分析地球化学样品的实践, 发现对结果产生干扰的因素有:(1)石英的粒径效应;(2)微量样品接收电压过低;(3)分子筛的吸附能力;(4)系统中的吸附水;(5)14N19F+对δ17O 值的影响。由于石英的粒径效应而导致细粒石英(粒径<250 μm)的δ18O 值偏低, 可以采用不聚焦激光的快速加热法来解决。由于样品量太少而决定了样品气体接收电压过低, 导致δ18O 值出现系统偏高或偏低, 可以利用校正曲线对结果进行校正。分子筛吸附性能的下降会产生氧同位素的分馏, 因此确定分子筛的使用寿命非常重要。系统中的吸附水利用氟化物试剂预氟化来去除, 重要的是应避免在预氟化的过程中产生大量的HF 腐蚀激光系统的BaF2 窗口玻璃并与部分矿物样品发生反应。