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探索微观世界的利器——纳米离子探针(NanoSIMS)

2024-02-26

“一花一世界，一叶一菩提”，对微观世界的探索始终是科学研究的前沿话题，而稳定同位素及微量元素分析是地球化学研究的主要内容和手段。随着仪器分析技术的发展，同位素及微量元素分析由传统的全岩分析向微区原位分析发展。纳米离子探针在显著提高空间分辨能力的同时，也具备较高的质量分辨、灵敏度和分析精度，是微区分析技术“登峰造极的武器”。

地科院于2018年购置的纳米离子探针（NanoSIMS 50L）是国内安装的第3台。该仪器最佳空间分辨可达50nm以下，同时具有高传输效率和高灵敏度等特点，可用于固体样品的同位素和微量元素分布及含量的原位分析，目前广泛应用于环境科学、生物科学、材料科学和地球科学等领域。

一、强大的微区分析能力

传统的微区分析方法，因其空间分辨与灵敏度之间的相互制约，不能满足日益增长的分析需求。纳米离子探针以同轴光路的设计极大程度上解决了这个问题。其关键性能指标如下：

最高空间分辨率/横向分辨率：<50nm，
离子束电流：束流直径100nm时，>2pA，
同位素分析精度千分之零点几。

二、简单易行的前处理

纳米离子探针的样品制备对于获得高质量的分析数据，提高机时效率极为关键。上机测试的样品必须满足以下要求：表面高度平整，表面导电，固定尺寸，样品无挥发性。本实验室纳米离子探针样品台可支持直径为10毫米，1/2英寸，1英寸三种尺寸的圆形样品靶（厚度<4 mm）。

纳米离子探针可以对不同类型的样品进行分析：

1. 粉末样品（包括微生物）：对粒径10微米以下的，可用超纯水或酒精等分散后，制成悬浊液，滴到硅片或金箔等导电表面；对粒径50微米以上的，可直接压到金箔或软金属的表面。

2. 生物组织样品：高压冷冻超薄切片或树脂包埋切片后收到铜网或硅片上，切片厚度一般在0.5-2微米。

3. 矿物样品：树脂包埋后打磨至待测平面，抛光并镀膜之后，放入仪器分析。对颗粒较大样品，可以直接打磨抛光后压入软金属或直接加工成合适尺寸后，上机测试。

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三、广泛的应用前景

纳米离子探针利用其极高的空间分辨率能够直观地观察到相关元素、同位素的空间分布，为从元素成像水平上研究复杂样品中元素循环提供了前所未有的可能性，其极高的灵敏度和准确性比其它的常规研究手段更具优势。在环境微生物、藻类、植物、医学、矿物、土壤、沉积物、气溶胶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：C-O-S等原位同位素分析和高空间分辨率元素面扫描分析等。相关应用如下：

1. 环境微生物

利用扫描电子显微镜和纳米离子探针对真菌菌丝体-矿物聚集体的详细检查，揭示真菌-赤铁矿相互作用后，在菌丝周围形成一层亚微米富氧（¹⁶O^‾）“矿物膜”。矿物的出现不仅缓解了生物体的氧化应激压力，也有助于真菌获取微生物必需的铁元素。该研究结果对微生物-矿物协同演化、表层地球系统中养分循环、矿物碳封存及应对全球变化均有重要的参考价值。