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高精度同位素比值测量TIMS & MC-ICP-MS 和微区分析 LA-MC-ICP-MS & SIMS对比(附表)

已有 598 次阅读 2024-4-17 15:28 |个人分类:自然科学|系统分类:博客资讯

作者注:时光荏苒,科技前沿不断拓展。为助力地球化学科技工作者更好地应对实验技术的挑战,“元素和同位素地球化学”科学公众号联合“中国科学院西北生态环境资源研究院所级公共技术中心"推出系列实验技术文章。这一系列文章将深入解析实验技术的创新应用、方法优化以及实验技术在科学研究中的关键作用。文章将分享一手经验,探讨各类仪器设备的使用技巧,并提供解决实验中常见问题的实用建议。无论您是科研新秀还是资深专家,相信这些文章将为您的科研之路注入新的活力。敬请关注系列实验技术文章,一同探讨科技创新的无限可能!

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高精度同位素比值测量TIMS & MC-ICP-MS和微区同位素分析LA-MC-ICP-MS & SIMS对比(附表)

在地质样品分析中,高精度同位素比值测定和微区元素分析是理解地球物质循环、地质事件时代学和地壳演化过程的关键技术手段。两种不同的同位素质谱分析技术,即热电离质谱(Thermal Ionization Mass Spectrometry, TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱(Multiple Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, MC-ICP-MS),以及与之联用的微区分析技术,如激光剥蚀(LA)与MC-ICP-MS形成的LA-MC-ICP-MS系统和二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)或离子探针(Ion Probe),在地质样品分析中各自占据独特的地位,并展现出不同的优势和应用范围。

TIMS以其卓越的灵敏度和精密度在地质年代学中备受推崇,尤其在放射性同位素体系(如U-Pb、Rb-Sr、Sm-Nd等)的测定上具有无可替代的地位。然而,MC-ICP-MS凭借其广泛的元素覆盖范围、高速高效的分析能力和对稳定同位素比值的高精度测定,在地质流体、地球化学示踪和大规模地球化学勘探等领域展现出了巨大的潜力。在微区分析层面,LA-MC-ICP-MS通过将激光剥蚀技术与MC-ICP-MS相结合,实现了对地质样品局部区域(微米至几十微米级别)元素和同位素分布的高精度分析,这对于探究岩石、矿物内的微观地球化学过程具有重要意义。相反,二次离子质谱(SIMS)则以纳米级别的超高空间分辨率闻名,尤其在深部矿物晶格、矿物界面处的微量元素和同位素异常分析中具有突出优势。

在地质分析这一精密科学领域,对地质样品中的微量元素、同位素组成及其时空分布的精确测定至关重要,这不仅有助于揭示地球物质的形成与演化历程,而且能为资源勘查、环境评价以及地质灾害预警提供关键依据。TIMS、MC-ICP-MS、LA-MC-ICP-MS以及SIMS这四种技术,作为现代地质分析的核心手段,各自在特定应用场景中展现出了显著的性能优势与适用性差异。

表1. TIMS和MC-ICP-MS对比

指标热电离质谱(TIMS)多接收等离子体质谱(MC-ICP-MS)
工作原理通过加热样品,使同位素离子化并加速,然后通过磁场和电场进行质量分析。利用电感耦合等离子体(ICP)电离样品,通过磁场进行质量分析
样品准备精细的化学纯化步骤,这是因为TIMS对样品纯度要求极高,任何杂质都可能导致记忆效应或基质效应。样品涂敷在金属带上,需特殊前处理

消解过程可能使用强酸(如硝酸、氢氟酸、高氯酸)或混合酸体系,目标是将所有待测元素完全转化为溶液状态

分析元素

如铀系定年、铅同位素分析和放射性同位素测量

可分析大部分元素,包括轻、重元素及非传统稳定同位素
空间分辨率通常不具备微区分析能力通过激光剥蚀可实现微区分析
灵敏度其极高的灵敏度和精确度,尤其是在处理微量样品时,即使样品中待测元素浓度很低也能获得高质量的数据整体灵敏度较高,但不如TIMS在某些特定同位素上的灵敏度,精度略低于TIMS,但仍然非常高
精密度非常高,尤其适用于放射性同位素测年高,适合稳定同位素比值测定,但对放射性同位素测年精密度可能略逊于TIMS
分析速度相对较慢,适合少量样品精确分析快速,适合大量样品的快速筛查和分析
应用领域主要用于地质学、环境科学和核科学研究年代学(如U-Pb、Rb-Sr、Sm-Nd等)、地球化学示踪应用更广泛,包括地球科学、环境科学、生物学、医学和材料科学、地质年代学、同位素地球化学等
样品消耗样品量相对较少但仍需一定量样品消耗量较小,可进行微量分析
干扰校正可能需要复杂的校正程序源中干扰较多,但现代仪器配备有复杂的干扰校正技术

总结:TIMS基于热电离原理,通过加热样品使其离子化,主要针对地质、环境、生物等领域中的长寿命放射性同位素和某些稳定同位素进行精确测量,尤其是铀-铅定年、钐-钕同位素体系等。样品需经过严格的前处理转化为离子状态,并涂覆在石墨或金属靶片上进行分析,其特点是灵敏度高、准确度优异,但样品准备过程复杂,分析速度相对较慢。MC-ICP-MS则是结合电感耦合等离子体高效离子化技术和多接收器高精度检测技术,适用于痕量至超痕量元素的同位素比值分析,尤其是在环境科学、地球化学、地质年代学等领域。样品通常以溶液形式直接进样,无需转化为固体靶材,因此样品前处理相对简便,且能实现高通量、快速分析。然而,MC-ICP-MS在极低浓度样品分析或某些复杂基体样品的处理上,可能面临基体干扰问题,对此需要采取一定的样品净化措施。

表2. 微区同位素分析LA-MC-ICP-MS与SIMS对比

指标激光微区-多接收等离子体(LA-MC-ICP-MS)  二次离子质谱(SIMS)
原理激光剥蚀样品转化为气溶胶,通过ICP电离后进行质谱分析利用初级离子束轰击样品表面产生二次离子进行质谱分析
分辨率微米级别,通过优化激光直径可提高至数十微米纳米级别至几十纳米,具有极高的空间分辨率
检测范围宽,可涵盖大部分元素,尤其是稀土和重金属元素较宽,但针对特定元素和同位素有极高灵敏度
同位素分析适用于稳定同位素比值分析,如Sr-Nd-Pb-Hf等适用于稳定和放射性同位素,尤其在极痕量分析上表现出色
灵敏度适用于痕量至常量元素分析,稳定同位素比值分析灵敏度高对部分元素具有极高灵敏度,可用于超痕量分析
深度剖 析不适用,无法进行逐层深度剖析可以进行深度剖析,逐层分析样品不同深度
分析速度较快,适合连续扫描或批量微区分析较慢,每个微区点分析耗时较长
样品类型适用于大部分地质样品,包括矿物、岩石等适用于各类固体样品,包括半导体、薄膜等
应用领域地质年代学、地球化学示踪、矿床成因等微电子学、材料科学、地质学中的微区精细分析

总结:LA-MC-ICP-MS技术通过激光剥蚀样品表面产生气溶胶,随后导入电感耦合等离子体质谱进行同位素比值测定。这种方法具有很高的空间分辨率(几十到几百微米级别),特别适合地质样品中的微区同位素分布研究,如锆石U-Pb年龄测定、硫化物微量元素和硫同位素分析、硼同位素等。其优点在于灵敏度高、多元素同时分析能力强,而且能提供较宽的动态范围。缺点可能包括对样品表面平整度有一定要求,激光剥蚀过程可能引入的空间分异效应,以及对部分轻元素分析可能存在局限。相比之下,SIMS技术通过聚焦离子束轰击样品表面,激发次级离子进行质谱分析,空间分辨率更高,可达纳米级别,适用于更微观层次的研究,如半导体材料、矿物晶格结构内的同位素异常探测、生物样品中的同位素标记等。

SIMS的优点是分辨率极高,对极小区域内的同位素分布有卓越解析能力。但其缺点包括可能存在的基质效应较大,对重同位素分析灵敏度较低,且由于离子束直径较小,大面积分析效率相对较低。综合来说,LA-MC-ICP-MS在地质样品宏观至微观尺度的同位素分析上更具优势,而SIMS更适合超微区、超高精度的同位素成像和深度剖面分析。在实际应用中,二者往往根据研究需求和样品特性选择适宜的分析技术。需要注意的是,以上比较是基于一般情况下的性能特点,并不代表所有设备都能完全符合上述描述,具体性能可能会因仪器型号、配置以及实验条件的不同而有所差异。在实际应用中,科研工作者会根据研究目标和样品特性来选择最适合的分析技术。

参考文献:

Weis, D., Kieffer, B., Maerschalk, C., Barling, J., De Jong, J., Williams, G. A., ... & Mahoney, J. B. (2006). High‐precision isotopic characterization of USGS reference materials by TIMS and MC‐ICP‐MS. Geochemistry, Geophysics, Geosystems7(8).

Balaram, V., Rahaman, W., & Roy, P. (2022). Recent advances in MC-ICP-MS applications in Earth and environmental sciences: Challenges and solutions. Geosystems and Geoenvironment1(2), 100019.

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中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心同位素地球化学技术平台,作为国内该领域核心科研设施之一,继承和发展了原中国科学院兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室稳定同位素地球化学实验室科研实力和技术积累。平台依托国际顶尖的同位素比质谱技术,为我国的油气地质学、地球化学等相关领域的研究提供了可靠的技术服务自上世纪1970年代以来,实验室不断引进并升级了一系列高端同位素比质谱仪设备,这些设备涵盖了从国产研发的ZHT-1301同位素比质谱仪到国际上享有盛誉的MAT 271高精度气体质谱,还包括高精度稀有气体同位素比质谱,以及气体稳定同位素比质谱和电感耦合等离子体质谱等先进的同位素比质谱,从而构建了一个全方位、多维度的同位素地球化学研究体系,有力地推动了相关科研工作。

平台专注方向平台依托于中国科学院西北生态环境资源研究院深厚的学术底蕴和一流的科研条件,以稳定同位素比值分析为核心技术手段,致力于揭示地球系统各圈层中物质循环、能量流动以及生物地球化学过程的内在规律。平台关注不限于油气地球化学、地质学、环境科学、生态学等地球科学领域相关领域的科学研究与技术开发。在天然气、原油、烃源岩、水体、岩石、土壤及植物及生物体同位素地球化学过程方面具有技术优势,特别是在天然气碳、氢同位素测试、温泉气体同位素测试、原油及沉积物特定有机化合物同位素测试、地质样品微量和超微量气体同位素分析方面积累了丰厚的经验。此外,平台拥有完善的样品预处理系统,确保从样品采集、保存、预处理到测试分析的全流程质量控制。

 通过测定各类地质体中同位素的组成特征来实现以下领域的研究:①油气地球化学:在石油天然气勘探开发中,气体同位素用于烃源对比、油源识别、成熟度评价、流体运移路径追踪等。②生态科学与环境科学:分析生态系统中温室气体排放、环境污染来源解析、生态系统碳循环与氮循环过程、环境污染源解析及环境影响评价地下水补给与循环机制;气候变化记录重建、冰川融水径流过程模拟等。③地球科学的基础研究:揭示地球内部动力学过程、板块构造演化、地壳物质循环、大气演化历史等。④成岩成矿研究:利用同位素定年技术确定岩石和矿床的形成年代,并通过同位素示踪研究成矿物质来源、成矿机制和成矿环境。⑤地震流体地球化学研究:在地震活动的研究中,通过测定地下水或火山气体中的氢、氧、碳、氦等稳定同位素以及放射性同位素,追踪地下流体的压力变化、温度变化和流体迁移速度,这些因素可能与地震孕育和发生过程密切相关。

附图:同位素地球化学平台部分仪器

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图1MAT 271高精度气体成分质谱计

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   图2气相色谱/元素分析-同位素比质谱联用仪

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图3. 气相色谱-稳定同位素比质谱联用仪

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图4. 高精度稀有气体同位素比质谱

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图5. 稀有气体样品前处理系统

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图6. 稀有气体样品前处理系统

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图7. 岩石样品微量气体提取系统

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图 8.激光剥蚀—等离子质谱(LA-ICP-MS)

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图9. 全面开放共享的科技平台,科研人员上机实验

合作交流平台鼓励了跨学科交叉研究,进一步拓宽了科技创新的广度和深度。实验室与国内近百家科研及生产单位建立了长期的合作关系,共同承担重大科研项目,并在能源、环境、地球科学等多个领域开展构建了一个广泛的协作网络。平台通过整合资源,共享先进技术,不仅加强了不同实验室之间的技术交流与合作,还有效地提升了整体科研效率和创新能力,使得科研成果能够迅速转化,促进技术的迭代更新。 自2017年以来,平台发起并承办了第一、第二届“全国气体同位素技术与地球科学应用研讨”,来自包括美国、英国、日本等多家实验室以及国内近200家单位代表参加了会议。2020年9月,平台承担了国内首次同位素实验室间对比项目。平台也是“中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会”专业支撑平台通过组织研讨会、培训活动和技术服务等方式,不断提升整个行业的技术人才储备和创新能力。为推动了同位素分析技术在国内的标准化和规范化进程,提高了整体技术水平和服务能力。这些服务和研究成果广泛应用于油气及地质矿产勘探、环境科学、农业、生态学等领域。同位素地球化学技术平台注重理论与实践操作相结合,为科研人员提供优质的科研训练平台,培养了一批批具有扎实理论基础和实际操作能力的专业人才,服务于国家重大战略需求和地方经济社会发展。未来,稳定同位素地球化学技术平台将继续秉承“严谨求实、开拓创新”的科研精神,紧跟国际前沿科技发展趋势,深化跨学科交叉合作,打造成为国际具有重要影响力的同位素地球化学科研基地。

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元素与同位素地球化学科普公众号聚焦地壳物质组成与演变奥秘,运用浅显易懂的语言解读同位素在地质过程中的独特标识作用,揭示地球系统各圈层相互作用机制。通过图文并茂的推送,呈现科学研究进展与应用实例,搭建专业与公众间的桥梁,启迪科学思维,助力提升全民地球科学素养。



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