见微知著：上知天文下知地理的同位素比值

赛默飞色谱与质谱

2024/09/05 18:37

在地学、环境乃至生命科学中，窥探元素和化合物的源汇以及转化途径、机制至关重要。在含量、形态等传统分析技术上，高精度元素同位素比值为这类研究提供更加深入的视角。大至以百万年为时间单位的行星演化、生命起源、气候变化等，小至癌症早期诊断、微量元素新陈代谢过程、食品地理标志溯源等，同位素比值均发挥着独特的作用。

赛默飞无机质谱技术（IOMS）具有多达10个产品线，能够为周期表中所有元素同位素比值分析提供解决方案。其中，多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）凭借ICP离子源的高效性和多接收检测器的灵活性，能够测量50种以上的元素同位素比值，精度达到ppm（百分分之一）级别，是测量金属同位素比值的首选工具。

赛默飞Neoma和Neoma MS/MS是赛默飞最新型号的MC-ICP-MS，除了继承第一代Neptune系列MC-ICP-MS的10kV高压、水冷磁场、可移动检测器以及虚拟放大器技术外，还首次在MC-ICP-MS中引入了带质量筛选功能的碰撞反应池技术（Pre-filter CRC），为更多的同位素体系开辟新的分析流程和应用领域。

Thermo Scientific™ Neoma™（左）和

Neoma™ MS/MS（右）MC-ICP-MS

本文将为大家着重介绍Neoma系列MC-ICP-MS的最新典型应用。

应用一：

超高精度Ti同位素揭示地球演化过程

中国科学技术大学地球和空间科学学院邓正宾特任教授与哥本哈根大学合作，利用Neoma MC-ICP-MS开发了超高精度钛稳定同位素组成的测量方法，δ⁴⁹Ti 2sd精度达到0.01‰，比之前文献报道的最佳精度提高了3-4倍。基于Ti同位素数据，作者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，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。

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原文链接：Earth’s evolving geodynamic regime recorded by titanium isotopes | Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06304-0

应用二：

全法拉第杯模式测量核工业中U同位素比值

离子计数器（IC）相较于法拉第杯（FAR）噪声更低，常用于检测小的离子信号。但是，频繁的效率校正和较窄的动态范围限制了IC使用的灵活性。以核工业中的铀（U）同位素分析为例，“贫铀”样品通常需要采用离子计数器检测，但是对于其他铀材料，则容易超出其计数范围。

美国橡树岭国家实验室Zirakparvar 等人在Neoma MC-ICP-MS上采用全法拉第杯搭配10¹¹ Ω和10¹³Ω放大器，在溶液和激光模式两种进样方式下测量了一系列不同丰度的U同位素参考物质(U010， U030，U500，U630，和U850)。

结果表明，信号大于0.05 mV（~3125cps）时10¹³ Ω放大器可获得准确结果；当有干扰物质或者拖尾存在导致信号的不稳定时，离子强度大于4 mV即可。增长积分时间可一定程度抵消信号波动对比值精度的影响。10¹³ Ω放大器可满足核工业中不同丰度U同位素的检测，克服了IC使用时信号过载的限制。

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原文链接：Faraday detector uranium isotope ratio measurement: Insights from solution- and laser ablation-based sampling methodologies on the Neoma MC-ICP-MS - ScienceDirect

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387380623001057

应用三：

超高分辨模式（XHR）和碰撞反应模式（CRC）测量钾同位素

法国里昂高等师范学院地质实验室（LGL - ENS Lyon）作为全球第一台Neoma以及第一台现场升级MS/MS选项的实验室，分别使用超高分辨狭缝（XHR）和碰撞反应模式（CRC）建立了钾同位素分析方法。

结果显示，Neoma搭载的XHR可将分辨能提高到15000以上，可在热等离子体条件下直接分离K和ArH。Neoma集成了iCAP Qnova系列ICP-MS的矩管和中心管设计，可降低基体效应的影响，酸度匹配和基体元素的影响均低于其他已报道方法，δ⁴¹K短期稳定性和长期重现性分别为0.06‰ (2SD) 和0.07‰(2SD)。

XHR模式测定K同位素

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Neoma MS/MS配置下，向CRC中通入H₂可消除Ar和ArH干扰，直接在低分辨模式测定K同位素，并使用microFAST装置实现标准-样品信号自动匹配，使得K同位素测量的浓度差异耐受性达到30%。δ⁴¹K短期稳定性和长期重现性与XHR方式一致，分别为0.07‰ (2SD) 和 0.08 ‰ (2SD)。

CRC-低分辨模式下测定K同位素

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原文链接：Steady analyses of potassium stable isotopes using a Thermo Scientific Neoma MC-ICP-MS - Journal of Analytical Atomic Spectrometry (RSC Publishing) https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ja/d2ja00050d

Routine measurement of high-precision potassium stable isotope compositions using a continuous-flow Neoma MC-ICPMS/MS - Journal of Analytical Atomic Spectrometry (RSC Publishing)

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ja/d4ja00211c

应用四：

单点剥蚀Rb-Sr原位定年识别多期次年龄

87Rb-87Sr是重要的同位素地质定年的手段，但原位分析Rb-Sr年龄一直受限于同量异位素干扰（87Rb vs 87Sr）和比值精度（87Sr/86Sr）。Neoma MS/MS的全新特性完全解决了该应用的技术难点：

1) Pre-filter模块可消除激光剥蚀引起的基体及痕量杂质干扰

2) CRC碰撞反应池技术可通入SF6，将Sr转化为SrF

3) 增强的质量色散可完全同时接收m/z 85（85Rb）至107（87SrF），通过静态接收确保87Sr/86Sr精度

缅因大学与赛默飞德国不莱梅工厂合作利用Neoma MS/MS对黑云母进行了原位分析定年。缅因州西部黑云母单点Rb-Sr等时线数据分析表明，单点定年数据记录了被传统定年方法掩盖的多期次历史事件，为地质年代学开辟了新的前沿，为评估岩脉内部的非均一性，甚至在单晶体或微米尺度上创建详细的Rb-Sr 年龄分布图提供了可能。

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原文链接：Single Spot Rb‐Sr Isochron Dating of Biotite by LA‐MC‐ICP‐MS/MS - Cruz‐Uribe - 2023 - Geostandards and Geoanalytical Research - Wiley Online Library

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ggr.12518

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