多接受电感耦合等离子体质谱助力同位素地质年代学

导读

当你登高望远，感慨一览众山小，你可曾想过脚下的岩石是何时形成的？

当你欣赏化石，感慨沧海变桑田，你可曾想过眼前的化石是何时形成的？

当你赏鉴宝石，感慨钻石恒久远，你又可曾想过无瑕的宝石是何时形成的？

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这些疑问可以由同位素地质年代学来解答。同位素地质年代学根据放射性同位素衰变规律测定各种地质体的形成时间和地质事件发生的时代，以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。
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87Rb β衰变示例图

放射性同位素能自发地发射出粒子或射线，转变为另一种核素，这一过程称为放射性同位素衰变。衰变前的放射性同位素称为母体，衰变过程中产生的新同位素为放射成因同位素，称为子体。单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比，即放射性衰变定律。放射性原子衰变至原来数量的一半（统计学意义上）所需的时间是这个放射性原子的半衰期，同一放射性原子半衰期相同。因此，科学家们可以利用岩石、化石（或产出地层的岩石）、宝石等研究对象中放射性同位素母体、子体的数量来测定它们的年龄。

常见的用于定年的放射性同位素体系有铀(U)-钍(Th)-铅(Pb)，铷(Rb)-锶(Sr)，钐(Sm)-钕(Nb)、钾(K)-氩(Ar)、铼(Re)-锇(Os)、镥(Lu)-铪(Hf)、放射性碳(14C)等等。利用这些放射性同位素定年的一个重要前提是能够精准测量相关同位素含量或同位素比值，例如：
238U、207Pb/206Pb、 238U/206Pb、 207U/235U、208Pb/232Th(U-Th-Pb法)；
87Sr/86Sr、87Rb/86Sr(Rb-Sr法)；
147Sm/144Nd、143Nd/144Nd（Sm-Nd法）等等。
多接收电感耦合等离子质谱（MC-ICP-MS）分析方法是放射性同位素定年的主流测试分析方法之一。MC-ICP-MS，以及MC-ICP-MS与激光剥蚀系统连用（LA-MC-ICP-MS），可以有效地支持U-Th-Pb法，Rb-Sr法，Sm-Nb法、Re-Os法、Lu-Hf法进行放射性定年。

MC-ICP-MS (Thermo Scientific™ Neoma™)

MC-ICP-MS测试示意图 (以Thermo Scientific™ Neoma™为例)

MC-ICP-MS利用电感耦合等离子体可将待测样品中的粒子电离为带一个正电的离子；之后经过电场、磁场的加速、偏转，不同质荷比的粒子会被分开，相同质荷比的粒子会被聚集；最后多个接收器在不同位置同时测量不同质荷比的粒子。MC-ICP-MS具有电离效率高，灵敏度高，对样品量需求量小，操作相对简单，测试速度快，测试精度高等诸多优点，LA-MC-ICP-MS可实现固体样品原位分析。因此，（LA）-MC-ICP-MS测试方法在放射性同位素定年领域被广泛使用；科学家们使用MC-ICP-MS测试放射性同位素获得了无数岩石的年龄，揭开了地球历史上许多重大事件的年龄之谜。

作者：同位素科学与技术