离子探针实验室原创技术方法介绍

2024-08-30科学

导语：

中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心前身是1999年成立的「中国科学院地质与地球物理研究所公共支撑系统」，在中国科学院的大力支持下，经过20多年的发展，我所公共技术中心已发展为我国地球与行星科学领域具有国际先进水平的综合性技术支撑服务平台。为进一步促进交流合作和大型仪器开放共享，科技平台处策划了原创技术方法专题，详细介绍各仪器平台研发的技术方法。

本期介绍离子探针实验的原创技术方法。

高分辨离子探针U-Pb定年

U-Pb定年是离子探针的主要应用之一。提高分析的准确度和空间分辨率是该技术的两个重要发展趋势。

常规的离子探针技术可以在>10微米的空间分辨率下进行微区、原位的U-Pb定年分析。然而，对于矿物颗粒极小的天体样品，常规的空间分辨率无法满足需求。较大的分析束斑不仅会导致数据意义不明确，还容易造成不必要的普通铅污染，影响数据精度。

实验室经过多年的技术探索，通过对传统双等离子体离子源关键部件进行优化，大幅提高了离子源的能量密度。在不显著牺牲分析精度的前提下将离子束斑从10微米减小到5微米，并最终降低到3微米以下，实现了超高分辨的U-Pb定年技术。

该方法在天体样品尤其是嫦娥五号月球样品的U-Pb年代学研究中发挥了重要的作用，支撑了十多个高水平研究工作。

代表性成果：

Liu et al., JAAS, 2011,26,845

超高精度离子探针Si同位素分析技术

Si是主要的造岩元素之一，自然界中有三个稳定同位素28Si，29Si和30Si。Si广泛存在于各种岩石类型，参与了环境、生物、地质等多个循环，是一种潜在的同位素示踪剂。在50年代同位素研究刚刚兴起之际就已经得到了初步的研究，但是到目前为止仍被归于「非传统同位素」，其主要原因在于Si同位素在自然界尤其是高温过程中变化范围太小，对分析精度的要求极高。对于离子探针这种原位分析技术，其分析精度更加无法满足要求。

针对Si同位素在早期地球动力学研究中的潜在应用，实验室深入研究了影响Si同位素分析的多种因素。定制了专用的离子出口狭缝；升级了小信号分析接收器；研发了一种用于校正样品表面浮雕效应的数据处理方式，将离子探针的Si同位素分析方法精度提高了一倍以上，支撑了多项高水平的研究工作在Science Advance，Geology等刊物发表。

代表性成果：

Liu et al., JAAS, 2019, 34 ,5

动态多接收U-Pb定年分析技术

多接收技术的使用是提高质谱仪器分析精度的主要途径之一。通过多接收技术可以同时接收多个元素、同位素信号，在单位时间内提高仪器接收到的信号总量。同时接收信号还可以减少因为仪器参数不稳定造成的数据波动。实验室已经使用多接收技术大幅提高了Pb-Pb同位素的分析精度。然而，由于多接收器同时接收的质量范围有限，对于需要测量质量范围196-270质量单位的U-Pb定年仍然无能为力，为了提高U-Pb定年的精度，实验室在多次尝试的基础上开发出了动态多接收U-Pb定年分析技术。

该技术通过高质量分辨下的多接收跳峰技术，可在单次分析中同时获得高精度的Pb-Pb和U-Pb年龄数据。为年轻样品的谐和度判断提供了高质量的数据基础。也为嫦娥五号等珍贵地外样品的定年提供了高精度的方法支持。