Clumped Isotope－稳定同位素质谱最新应用

在古环境研究中，δ18O作为一个重要的温度指标得到了广泛的应用。其反应机理如下： H218O + CaC16O3→H216O + CaC18O16O2 在这个反应中，平衡反应常数随着温度的增加而减小。因此我们可以通过碳酸岩中相应的18O稳定同位素反演得到相应的古温度信息。 从方程中我们可以看出，该反应是基于水-岩交换原理。为了获得准确的古温度信息，除了需要准确测定样品的δ18O之外，还必须确定另外两个参数，第一是碳酸岩沉淀的水环境的同位素信息，第二是反应的温度平衡常数。能不能找到一种更加直接的方法呢？ 我们知道，C有两个同位素，13C和12C，其自然丰度分别为98.89%和1.11%；O有三个同位素16O、17O和18O，其自然丰度分别为99.76%， 0.0037%和0.20%。因此CaCO3的同位素组合有20种。其中最主要的成分12CO32-(~98.2%)不含重同位素；剩下的三种丰度最多的分别为13C16O32-(~1.1%)、12C18O16O22-(~0.6%)以及12C17O16O22-(~0.11%)，它们只包含有一个重同位素。在自然界碳酸岩中，以上四中同位素组合占了近99.99%，并且对δ13C、δ17O和δ18O其着绝对的控制作用。而其它16中同位素组合包含两个、三个甚至四个重同位素原子，其总和也不过100ppm左右。这些含有两个以上的同位素组合具有不同的变化特性，因此其热力学稳定性也必然不尽相同。 在一个热力学平衡的碳酸岩体系中，各种不同丰度的碳酸岩离子肯定存在类似于下面的平衡： 13C16O32- + 12C18O16O22- ≒ 13C18O16O22- + 12C16O32- 在这个反应体系中必然存在多种不同的平衡，而我们之所以最关注上面的平衡是由于这四种同位素组合离子的丰度最高，仅仅只有两个重同位素组合的13C18O16O22-相对容易测量。 在Urey(1947), Bigeleisen and Mayer(1947)等前人的工作基础上，Wang et al. (2004)以及Eiler J. M. and Schauble E. A. (2004)进行了开拓性的研究，证明了该反应仅仅只与温度有关，从而提出了一个新的古温度指标Δ47。 我们可以看到，该反应仅仅只包括一种相态，完全不需要知道碳酸岩沉淀的水环境同位素信息，从计算和准确的角度来讲，该指标更加准确。我们知道，对于δ13C和δ18O来测量来讲，我们一般只需测量28,30(CO)以及44,45,46(CO2)。而Δ47(13C18O16O)的测量对仪器提出了更高的要求。 Isoprime为了满足最新的分析需要，在其最新的Isoprime100稳定同位素基础上，对原有的仪器结构进行了调整，设计了专门用于”Clumped Isotope”分析专用的法拉第杯接收器，其中5个杯专门用来接收44, 45, 46, 47, 48, 49。考虑到47,48和49离子浓度极低，采用了专门定做的前置放大器来扩大动态测量范围，以便47/44在不超过44测量范围的情况下在最高的信噪比条件下被测量。