TIMS快速准确测定地质样品Sr-Ca同位素组成的分析方法研究

The Sr isotope (87Sr/86Sr) and Ca isotope (δ44/40Ca) are very important geochemical tracers for sources and processes, and the combination of both isotopic systems have great potential in the fields of geology and environment sciences. Thermal ionization mass spectrometry (TIMS) offers the excellent precision and accuracy of the Sr and Ca isotopic ratio analyses for geological samples. However, the sample should be purified several times and then loaded separately for high precision Sr and Ca isotopic ratios measured by TIMS. Thus, the sample throughput of this method is very low. The aim of this project is to develop a single-step chemical separation method to simplify the purification procedure. What’s more, the fully-automated chromatography system will be employed to improve the sample throughput and reduce the labor costs. We will also develop a novel loading protocol, allowing the Sr and Ca sample load simultaneously, in order to improve analytical efficiency. Ultimately, the rapid and high precise method for Sr and Ca isotopic analyses by TIMS will be established for a wide range of geologic applications.

Sr同位素（87Sr/86Sr）和Ca同位素（δ44/40Ca）是重要的地球化学指标，能够有效地示踪源区和过程，二者的结合在地球科学和环境科学等领域具有极大的应用潜力。广泛应用的重要前提是获得高精度的Sr-Ca同位素数据。热电离质谱仪（TIMS）是高精度分析地质样品中Sr-Ca同位素组成的经典方法。然而，Sr-Ca样品需要经过多次化学分离，并分别装载上机测试。因此，样品分析效率很低。本研究拟通过开发单柱化学分离流程和建立新型的样品装载技术，针对性地解决制约Sr-Ca同位素分离和测试效率的瓶颈，同时引入快速自动分离系统，最大程度提高样品处理效率，最终建立TIMS快速准确测定地质样品Sr-Ca同位素的分析方法，为高精度Sr-Ca同位素更广泛的地质应用提供技术支撑。

热电离质谱仪（TIMS）是高精度分析地质样品中Sr-Ca同位素组成的经典方法，然而分析效率的不足严重制约了这一方法的广泛应用。本项目采用一柱分离和同时点样装载方法，针对性地解决了化学分离和仪器测试等制约TIMS分析Sr-Ca同位素效率的主要瓶颈。通过精细的淋洗曲线实验发现3N硝酸中Sr和Ca同时被DGA树脂强吸附，而在4N硝酸中Sr在DGA树脂中弱吸附但Ca强吸附。然而，这一分配行为在不同树脂床体积下可能会发生转变。研究发现加入硼酸作为辅助剂能够稳定DGA树脂的吸附性质。同时，DGA树脂对Zr具有优异的选择吸附性，Zr在硝酸介质中强吸附而在氢氟酸中解吸附。另一方面，掺杂实验表明Sr和Ca在TIMS中电离时相互间不会产生光谱干扰，但是Ca/Sr比的增加会抑制Sr的电离，在Ca/Sr<100时能够同时装载并获取高精准度结果。本次研究还进一步解决了同位素实验数据处理繁琐、复杂（特别是双稀释剂技术相关）的问题。通过编写一套全新的高效同位素数据处理软件，实现了包括Sr-Ca同位素在所有溶液同位素数据的高效处理。目前该软件已在国内外多个实验室广泛运行。受本项目资助，负责人以第一作者身份发表三篇影响因子>3.0的国际SCI论文，并多次在国内外学术交流会议上宣传相关研究成果。总之，本项目不仅实现了大部分预期科学目标，还在多方面开展了探索性工作，为今后的深入研究奠定了良好的基础。