同位素离子仪

记者从中国计量科学研究院获悉，国家“十一五”科技支撑计划项目《以量子物理为基础的现代计量基准研究》中的“同位素丰度基准的研究”课题，日前通过国家质检总局组织的专家验收。该课题形成了具有自主知识产权的同位素计量基标准，填补了我国同位素丰度基准研究空白，建立了锌、钐、硒、镉、镱5种元素的同位素基准测量方法，研制了锌、钐、硒、镉4种元素同位素系列基准物质共计152种、系列标准物质共计50种，测定了硒、镱的原子量。　　元素的同位素组成被认为是其特有“指纹”。中国计量科学研究院联合中科院地质与地球物理研究所等3家单位开展同位素丰度基准方面研究，在国际上首次在宽泛的锌、钐、硒、镉4种元素的同位素比值变化范围内，研究了多接收电感耦合等离子体质谱的质量歧视效应变化规律 首次建立了使用3种以上浓缩同位素配制校正样品的硒、镱同位素的绝对质谱测量方法 推导出不确定度灵敏系数的计算公式 锌、钐、镉、硒、镱主同位素丰度比测量值的不确定度，达到国际领先或先进水平。

中国科学技术大学地球和空间科学学院特任教授邓正宾与多位国际学者合作，实现了钛稳定同位素组成的超高精度测量方法，应用刻画了地球形成早期到现代的地幔来源火成岩的钛同位素记录，揭示了地球地幔的运转模式是呈阶段性演变的以及现代板块构造体制下接近全地幔对流的模式只是地球演化近期的过渡状态。7月26日，相关研究成果以Earth’s evolving geodynamic regime recorded by titanium isotopes为题，在线发表在《自然》（Nature）上。　　地球自外向内主要分为地壳、地幔和地核。其中，地幔在660公里处存在地震波速的不连续界面，将地幔分为上地幔和下地幔两个圈层。在地球地质历史中，上、下地幔的物质交换会影响元素在地壳和地幔中的分配，对于理解类地行星的动力学和热演化十分重要。地球化学研究发现现代深部地幔保留了地球形成早期的稀有气体或短半衰期放射性核素的同位素记录，意味着下地幔存在原始物质的储库；而地震层析成像研究发现俯冲板片可进入下地幔，意味着现今上、下地幔存在大量物质交换，且现有交换速率下地球早期形成的储库应难以在漫长地质历史中得到保留，与地球化学观察所得结论相对立。在地壳熔融过程中，钛稳定同位素体系存在显著分馏，是用来示踪地壳-地幔的物质交换的良好工具；钛作为难熔元素，在变质和水岩作用过程中不易发生迁移，通过钛稳定同位素研究可以得到地球形成以来相对完整的地壳-地幔物质交换记录，为长期争论的地幔内部物质交换问题带来新的约束。　　邓正宾同丹麦哥本哈根大学等国际研究机构，采用最新一代多接收等离子体质谱仪开发超高精度钛稳定同位素分析方法，改进和优化样品处理流程和数据处理方法，将已有钛稳定同位素分析方法的分析精度提高了3-4倍以用来限定自然样品中微小的分馏信号。　　利用新的分析方法，邓正宾等对24件球粒陨石样品的钛同位素进行标定，确定全硅酸盐地球的钛稳定同位素组成和现在的上地幔存在显著差别。在此基础上，科研人员对比研究了全球从太古代到元古代（38亿年-20亿年以前）的地幔来源火成岩以及现代洋岛玄武岩样品。结果发现，早太古代（38亿年-35亿年）的样品和球粒陨石的钛稳定同位素组成一致；在35亿年到27亿年之间地球地幔来源火成岩样品的同位素组成随着时间逐渐变轻，直到与现代普通型大洋中脊玄武岩接近；而现代洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成与大洋中脊玄武岩存在差别，更接近全硅酸盐地球的组成特征（图1）。　　结合已有大陆地壳生长模型，研究推测目前地幔中的钛稳定同位素组成的变化可能反映：地球太古代（38亿年至27亿年前）上、下地幔的物质交流处于受限的状态（图2，f=0.2）；而该格局在现代已被打破，体现在现代洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成存在较大范围。对比其锶同位素组成，现代洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成变化无法单纯由沉积物或大陆地壳物质的再循环导致，代表了部分原始地幔物质的参与（图3）。这反映了现代地球内部原始地幔储库仍存在却在逐步被瓦解。　　该工作基于同位素分析技术方法的突破，综合研究地球地幔来源火成岩在地质历史中同位素记录随着时间的变化，发现地球地幔的运转模式不是一成不变的，即现代深俯冲板片可以进入下地幔以及接近全地幔对流的格局只是地球演化近期的过渡状态而不完全代表地球早期的动力学特征。该工作弥合了地球化学和地球物理对地球内部过程约束的矛盾；同时，在此基础上，亟需对地球地质历史中地幔物质交换模式及其演化具体控制机制开展更多研究，以更好认识类地行星的地质和宜居性演化。　　美国加州大学圣巴巴拉分校、英国卡迪夫大学、瑞士苏黎世联邦理工和法国巴黎地球物理学院的科研人员参与研究。图1.球粒陨石、古老地幔来演火成岩、现代大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成。图2.大陆地壳生长模型和地球地幔来源火成岩的钛稳定同位素组成随时间的演化。图3.现代洋岛玄武岩和大洋中脊玄武岩的钛稳定同位素和锶同位素组成，可见其钛稳定同位素组成的变化无法单纯由沉积物或大陆地壳物质的再循环导致。

我国大型高端质谱仪器一直以引进为主，受国外技术封锁，一些用于高精度同位素分析和核科学研究的质谱仪器引进十分困难，且价格高昂。　　为了推动我国高端质谱仪器的自主研发，针对目前宇宙样品及地球化学珍贵样品稳定同位素、稀土元素微区原位分析的难题，国家重大科学仪器设备开发专项设立“同位素地质学专用 TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)科学仪器”项目，由中国地质科学院地质研究所国家科技基础条件平台北京离子探针中心牵头实施。　　据了解，根据记者掌握的情况，项目研制的两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE仪器，将为岩石成因学、矿床成因学、地球环境、气候变化、月球及行星演化等热点研究领域提供最先进的技术支撑。　　专家称，用于高精度同位素丰度分析的TOF-SIMS 是一项全新的技术，它的成功研制，将是质谱学技术划时代的里程碑，同时将进一步推动地球化学和宇宙化学向更微的空间发展。像 SHRIMP 的诞生一样，这项新技术的诞生将带来一系列重要的科学成果，特别是将直接为我国探月工程在获得月球样品后的分析研究工作奠定坚实的技术基础。　　据介绍，经过近4年的技术攻关，北京离子探针中心联合中国科学院大连化学物理研究所和吉林大学等单位完成了两台TOF-SIMS仪器的整体设计，对一次离子源等关键部件进行了设计加工和单独调试，并完成了TOF-SIMS专用系统控制软件和数据处理软件的开发和优化。　　自2014年8月起，项目组开始对两台TOF-SIMS整机进行总装配和总调试工作。2015年6月，TOF-SIMS整机的质量分辨率可达12000(m=106)。截至2015 年初，项目共取得新装置 12套、核心部件20个；新申请专利 33项，获专利授权8项(其中发明专利2项)；登记软件著作权3项；发表论文24篇，取得了重要的阶段性成果。　　一是首次将飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)技术应用于精密同位素分析和元素丰度测定。近年来，随着离子接收系统在技术上取得突破性进展，北京离子探针中心和相关合作单位在国内率先尝试将 TOF技术应用于高精度同位素分析仪器的研发。　　二是开发了一套适用于珍贵地质样品(如月岩、宇宙颗粒等)高灵敏度、高分辨率同位素分析的小束斑氧离子一次源和离子光学系统。　　三是开发了提高地学样品分析灵敏度的二次中性粒子激光后电离技术。实验结果表明，在优化条件下，飞秒后电离技术可使信号提高60 倍。　　四是研发了高分辨TOF质量分析器。有效解决了双聚焦SIMS质谱的低离子通过率、体积庞大、成本高昂的不足。　　五是开发了一套满足超高真空环境下高精度同位素分析要求的创新型三维样品台及样品传送系统。　　项目组专家表示，该科研项目尽管取得了一定的成效，但该仪器目前尚处于研发阶段，待目标仪器的技术指标达到任务书的设计要求后，项目组将启动以下两项应用示范研究工作：一是应用TOF-SIMS-SI仪器分析金属硫化物(黄铁矿、闪锌矿等)的硫同位素，探讨典型铜矿床铜的富集和矿床形成机理 二是应用TOF-SIMS-REE仪器对月岩和月球陨石样品中锆石的稀土含量和配分模式进行分析，以探讨月岩中锆石的成因 测定月岩样品和月球陨石中锆石的Ti元素含量，估算其结晶时的温度，从而推算撞击事件的温度。　　据中国矿业报记者了解到，2015年8月，项目组已将TOF-SIMS-REE仪器应用于纯金属样品铜和银的同位素丰度分析，分析精度可达 1%。