科研进展

广州地化所完成磷灰石氯同位素高精度SIMS分析

  
氯是一种强挥发性、亲流体的活动性元素,有两个稳定同位素35Cl和37Cl,天然丰度分别为75.77%和24.23%。氯非常活泼,参与了许多地质过程,其含量和同位素是地球化学研究的强有力工具,可用于示踪地壳和地幔的交代过程,预测活火山活动等。磷灰石【Ca5(PO4)3(F, Cl, OH)】是各类岩石中普遍存在的含氯副矿物,是研究氯含量和同位素的理想载体。尽管目前报道的地外样品的δ37Cl值变化范围可宽达81‰,但地球磷灰石的δ37Cl值变化范围较窄(0±0.5‰),对分析精度要求较高。前人利用二次离子质谱仪(SIMS)对磷灰石δ37Cl的分析不确定度一般在0.20‰以上(2SD),这对大多数地质研究来说均无法满足要求。中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室崔泽贤工程师、杨晴工程师和夏小平研究员等带领的团队对CAMECA公司生产的IMS 1280-HR型SIMS的接收器进行了改进,采用了1012 Ω前置放大器的法拉第杯来接收37Cl 离子,显著提高了低含量磷灰石的氯同位素分析精度。
该研究选取了四个磷灰石Cl同位素参考物质(TUBAF#37,Durango,MGMH#128441A和Eppawala-AP)作为分析对象,以随机方向嵌入树脂靶中心6毫米圆形区域内供仪器分析。分析仪器为中国科学院广州地球化学研究所SIMS实验室的CAMECA IMS 1280-HR二次离子质谱仪。以2.0 nA Cs+离子作为一次离子源,首先使用25×25μm的光栅扫描样品表面60s,预剥蚀清除表面污染,再采用15×15μm的光栅扫描分析样品。产生的二次离子以-10 kV加速电压提取后通过400μm的对比狭缝,4000μm的场光阑,120μm的入口狭缝,50eV带宽的能量狭缝,静电场和磁场等聚焦、去色散、分离35Cl和37Cl,用两个法拉第杯L1和H1同时接收,其中L1采用11次方阻值的法拉第杯,H1采用12次方阻值的法拉第杯。质量分辨率设定为约2400,采用核磁共振技术保持磁场稳定。每个分析点采集24组数据,单组积分时间4秒,单点测量时间约5分钟。
该研究对样品进行了两次测试,分析结果展示在图1和图2中。第一次测试时,四个样品以每个样品2个测试点交替周期性分析,监测仪器飘移。结果表明,在未进行漂移校正的情况下,所有样品的分析精度优于0.2‰,最佳可达0.06‰ (2SD,图1)。对比此前分析结果(图2)可以看到,此次研究在使用了12次方阻值法拉第杯接收37Cl后,所有样品外部精度都有明显改善,甚者有提高一倍的表现(Eppawala-AP)。

图1 两次SIMS测量值的重现性。误差柱为±2SE(标准误差)。

图2 氯同位素结果对比
该研究通过引入12次方高阻法拉第杯,降低了仪器背景,显著提高了相对低含量(<1.6 wt.%)的样品氯同位素的分析精度。该成果受到国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”专项项目的资助,以背页封面文章(图2)发表于Journal of Analytical atomic spectrometry(J. Anal. At. Spectrom., 2022,37, 222-228)上。

图3 2022年2月JAAS杂志背页封面
论文信息:Ze-Xian Cui, Qing Yang, Xiao-Ping Xia, Rui Wang, Magali Bonifacie, Chun-Kit Lai, Wan-Feng Zhang, Yan-Qiang Zhang and Jian Xu. High-precision apatite δ37Cl measurement by SIMS. J. Anal. At. Spectrom., 2022,37, 222-228