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大自然的指纹鉴定师——多接收电感耦合等离子体质谱仪 (MC-ICP-MS)

2024-04-01

斗转星移，沧海桑田，这些自然过程都伴随着同位素的分馏。相比于传统的气体稳定同位素和放射性成因同位素，金属稳定同位素具有特殊的化学性质，能够从全新的视角揭开大自然的“神秘面纱”。而自然界各类样品的金属稳定同位素准确高效测定是其广泛应用的基础，多接收电感耦合等离子体质谱仪具有电离效率高、稳定性好、灵敏度高等优点，是目前应用最为广泛的高精度金属同位素组成测量仪器。

地科院的两台多接收电感耦合等离子体质谱仪（Thermo Fisher Scientific公司Neptune Plus型和Nu Instruments公司Nu Plasma 3D型）于2017年10月安装验收后投入使用，不仅可以高效准确测定传统的放射性成因同位素体系（例如Rb-Sr等），也可以高精度分析以前难以准确测量的金属稳定同位素（例如Li、Mg、B、Cu、Fe、Zn、Ga、Sn、Sb、Ba、Hg等），广泛应用于地球科学、天体化学、环境科学、生命科学、材料科学等研究领域。

一、超高精度的同位素分析能力

MC-ICP-MS最主要的特点是利用氩等离子体电离样品，离子源温度最高可达8000K，可以电离几乎所有金属元素，被高效电离的样品离子束经过离子透镜系统聚焦，再通过电场和磁场质量分析器分离离子束后进入多接收器同时检测。其关键性能指标如下：

型号
(model)

质量数范围
(mass number)

分辨率
(resolution ratio)

丰度灵敏度
( sensitivity)

检测器动态范围

(dynamic range)

Neptune Plus

4-310amu

10000 (5%, 95%)

不使用强峰拖尾过滤器 <5ppm

使用强峰拖尾过滤器 <0.5ppm

0~50V

Nu Plasma 3D

3-300amu

10000 (5%, 95%)

不使用强峰拖尾过滤器 <3ppm

使用强峰拖尾过滤器 <0.5ppm

0~55V

Neptune Plus MC-ICP-MS Nu Plasma 3D MC-ICP-MS

二、至关重要的前处理

多接收电感耦合等离子体质谱仪在测试同位素时可能会受到样品基质元素、同质异位素、双电荷离子等的干扰，在测试之前需要对样品中的目标元素进行分离提纯。目前，有以下两种纯化方法：

1. 色谱柱分离法：

在超净实验室内，称取一定质量的样品于干净的Teflon消解罐中，根据样品类型不同，选择使用经过亚沸二次蒸馏的浓硝酸、浓盐酸，氢氟酸等试剂进行高温消解，然后通过色谱柱分离法将目标元素从基质中淋洗分离，最后定容待测。目前的色谱柱分离主要有传统的人工手动操作和仪器自动分离两种方式，地科院超净实验室内可人工手动完成分离提纯的元素有Cu, Fe, Zn, Li, Ga, Cd等。此外，学院还配有一套全自动低压离子元素分离系统（PrepFAST MC），通过程序设定，仪器可自动完成上样、淋洗基质元素、接收目标元素并清洗系统的指令，可做到24小时不间断地离线分离目标元素，目前该仪器可自动分离提纯Sr元素。

手动离子交换树脂分离法全自动低压离子元素分离系统

2. 高温热解法：

主要适用于挥发性元素，例如汞。称取适量固体样品装入石英材质的样品管中，将样品管放入石英燃烧管内并置于程序升温管式炉的中央。经高温热解后，样品中的含汞化合物全部转化为气态单质汞，由无汞载气带入酸吸收溶液进行富集捕获。

贝意克管式炉

三、广泛的应用领域

多接收电感耦合等离子体质谱仪利用超高的离子源温度可电离几乎所有的金属元素，实现自然界样品的高灵敏度和高精度分析，在地球科学、环境科学、天体化学、生命科学等领域有广泛的应用前景。实验室目前可开展的测试项目有：Li、B、Mg、Cu、Fe、Zn、Ga、Sr、Sn、Cd、Sb、Ba、Hg共13种同位素测试体系。

部分应用如下：

1. 建立海水痕量汞的分离提取和汞同位素分析方法