通过LA-ICP-MS 技术测定同位素比值的进展

国外地学动态课题组译 王瑜 李万伦审

LA-ICP-MS 技术是地球、环境和考古科学研究中十分重要的分析工具。当今仪器设备和分析方法两方面的发展能以各种大小(从nm 到cm)、二维到三维、快速且成本有效地原位提取年龄和同位素示踪剂信息,相比其他微分析技术,该技术具有相当大的分析灵活性。本文分析了目前激光烧蚀同位素比值测定的发展水平,并提出了一些未来可预见发展的建议。

1 引言

激光烧蚀(LA)显微取样方法的出现已经使许多研究领域发生了革命性的变化。我们将介绍LA-ICP-MS作为一种同位素分析理想工具的特征,对分析所面临的一些固有挑战进行探讨,并提出未来发展的方向。

2 灵活性和速度:LA-ICP-MS 的显著标志

在引入四极杆ICP-MS 仪器多年以后,激光烧蚀取样只是单纯被视为一种可进行原位痕量元素分析或获得U-Pb 年龄的手段。
然而,在同位素比值测量技术发展的关键时刻,出现了MC-ICP-MS 质谱仪。表1 列出了文献报道的激光烧蚀同位素比值研究首次在各种矿物中的应用情况,希望可以说明这种增长趋势。这决不是一份详尽的列表,但它包含的两个意思很清楚:一是这种方法具有内在的灵活性,因而可以很容易地适用于不同的同位素系统和矿物类型,二是在过去十年中该方法取得了显著进步。
表1 首次报道的激光烧蚀方法在各种矿物和同位素系统中的应用文献调查
使用LA-ICP-MS 对珊瑚、洞穴堆积物、软体动物、骨骼和牙齿进
行铀系测年的可行性已经得到证实。激光系统的扫描能力和相对较快的速度现在也有利于生成U-Th 同位素图(图1)。
图1 激光烧蚀U-Th 浓度和同位素比值数据显示
图1 在西班牙Fuente Nueva-3 考古发掘找到的马化石牙齿上获得的激光烧蚀U-Th 浓度和同位素比值数据显示

相对快速地处理样品并以高分辨率的时间顺序分析样品的能力,为LAICP-MS 提供了另一个重要的应用:将几十到几百微米深度的测量剖面划分成不同的物质,以描述其生长分带或扩散梯度。

现在,越来越多地利用LA-ICP-MS 高空间分辨率的特性,而不是简单作为一种微观体积采样工具。

在微束分析的许多领域中,最近十年主要已经从单点测定向生成保留了分析空间信息的二维成分图像转变。

高电离效率以及MC-ICP-MS 仪器的同时检测能力,使该技术站到了所谓“非传统”稳定同位素(例如Fe、Mg 和Si)系统测量的最前沿。

3 机遇和挑战

3.1 矿物结构、化学成分和同位素比值之间的关系

这一领域的研究十分广泛,目前至少有两个平行的研究方向。一方面,希望生成能够使校正偏差最小化的“与基质匹配”的新的参照物。同时,其他人则在试验飞秒脉冲激光器,它可以发射比使用更广泛的纳秒设备所发射的光脉冲短约4 个量级(约100 fs~ 约4 ns)的光脉冲。

3.2 联合多种地球化学数据集

基于相同的因果关系,对多种独立的数据集进行解释,所得出的结论要比孤立的分析更加可靠。

3.3 提高数据质量

激光器和质谱仪系统的探测效率、稳定性,参照物质的均匀性及其与样品成分和物理结构的吻合程度都会从根本上影响利用LA-ICP-MS 技术进行测量的不确定性(准确度)以及测量结果的精度。

3.4 新技术

两个新的“硬件”方面的发展,为改善LA-ICP-MS 系统的分析能力提供了巨大可能。首先是在激光烧蚀系统设计方面发生的根本性的转变。此外,联合使用具有同步探测能力的分析系统。
新的ICP-MS 设备也在不断涌现。多年来, 在常规的微量元素分析仪器中一直使用“碰撞单元”。

4 结论

在LA-ICP-MS 同位素比值测定领域中,这是令人激动的时刻。激光烧蚀也正在快速地从一个简单的微量取样技术,发展到与其他系统,尤其是那些能够实现二维和三维空间可视化的系统,进行更大的集成。同时,在棘手的或有趣的科学问题的推动以及新的硬件系统不断涌现的刺激下,富有开创力的分析人员正在尝试不计其数的新应用。对这些人来说,LA-ICPMS技术仍然是一项十分大胆的新科技。

Jon D. Woodhead, Matthew S.A. Horstwood, John M.
Cottle. Advances in Isotope Ratio Determination by LA–ICP–MS. Elements, 2016, 12(5): 317-322.

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