熱電離質(zhì)譜(TIMS)測(cè)定Ca同位素時(shí)Sr干擾影響的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

張晨蕾，祝紅麗，劉峪菲，劉 芳，張兆峰

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

熱電離質(zhì)譜(TIMS)測(cè)定Ca同位素時(shí)Sr干擾影響的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

張晨蕾1,2，祝紅麗1，劉峪菲1,2，劉 芳1,2，張兆峰1

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

Ca和Sr屬于堿土金屬元素，具有相似的化學(xué)性質(zhì)，在Ca的純化富集過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)Ca和Sr的完全分離，接取Ca的淋洗液中不可避免地會(huì)混入少量Sr。所以，在使用熱電離質(zhì)譜(TIMS)進(jìn)行Ca同位素測(cè)定時(shí)，88Sr2+、86Sr2+、84Sr2+可能會(huì)分別對(duì)44Ca+、43Ca+、42Ca+的準(zhǔn)確測(cè)定產(chǎn)生干擾。本工作通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估Sr使用Ta單帶在TIMS測(cè)定Ca同位素過(guò)程中的影響：以IAPSO大西洋標(biāo)準(zhǔn)海水為研究樣品，加入Sr元素單標(biāo)溶液，使得樣品中Ca/Sr=5；通過(guò)接取不同體積的Sr元素淋洗液，以獲得含有不同Ca/Sr比值的TIMS測(cè)試樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有不同Ca/Sr比值的測(cè)試樣品與不含Sr元素的海水樣品的Ca同位素組成在分析誤差范圍內(nèi)一致。由此可以認(rèn)為，對(duì)地質(zhì)樣品(Ca/Sr>5)用Ta單帶在TIMS上進(jìn)行Ca同位素分析測(cè)試時(shí)，在當(dāng)前技術(shù)條件下，Sr對(duì)Ca同位素的影響有限，可以忽略。另外，在進(jìn)行Ca化學(xué)分離時(shí)，可以適當(dāng)增加淋洗酸的濃度，以獲取好的峰型并提高效率。

Ca同位素；Sr干擾；Ta單帶；Ca/Sr比值

Abstract: Calcium and strontium are all alkaline earth metals. Because of their similar chemical properties, it is difficult to separate strontium from calcium completely during chemical separation processes. Thus, the calcium cut after chemistry usually contains some strontium. Besides, it is known that Sr double charges, such as88Sr2+,86Sr2+,84Sr2+, could be treated as interferences to44Ca+,43Ca+,42Ca+respectively, during calcium isotope measurements on thermal ionization mass spectrometry (TIMS). To evaluate this interference effect, we designed an experiment and ran a series of samples on TIMS using single Ta filaments. IAPSO seawater standard was used in the experiment, and a certain amount of Sr standard solution was added in it to make the mixture has a Ca/Sr ratio about 5. The mixture was then divided into several equal solutions and pass through the calcium columns respectively. For each column, different percentage of Sr cut was collected together with whole Ca cut and calcium ratio was determined thereafter on TIMS using single Ta filaments. As the TIMS measurements’ result, all of those samples, although having different Ca/Sr ratios, display unique calcium isotopic compositions with IAPSO seawater standards that our laboratory monitoring for a long time within error. Based on the results, we conclude that currently, for the most geology samples, that usually contain a Ca/Sr ratio>5, Sr interference effect on Ca measurement on TIMS using single Ta filament is very limited, which could be neglected. Besides, the chemical separation procedure for Ca could be improved, through increasing the concentration of the leaching acid, better Ca peak shape and efficiency can be reached.

Keywords： calcium isotope; Sr interference effect; Ta single filament; Ca/Sr ratio

Ca是主要的造巖元素，也是生命活動(dòng)不可缺少的元素。Ca具有6個(gè)穩(wěn)定同位素40Ca、42Ca、43Ca、44Ca、46Ca以及48Ca，豐度分別為96.941%、0.647%、0.135%、2.086%、0.004%、0.187%[1]。由于Ca的不同同位素之間的相對(duì)質(zhì)量差(Δm/m)可高達(dá)20%，因此，在實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中很容易發(fā)生同位素分餾。如果不能將該過(guò)程中發(fā)生的Ca同位素分餾進(jìn)行有效地校正，會(huì)影響對(duì)于實(shí)驗(yàn)樣品本身具有的Ca同位素組成的正確認(rèn)識(shí)。Russell等[2]使用42Ca-48Ca雙稀釋劑有效地校正了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所引起的同位素分餾，同時(shí)還將分析測(cè)試精度提升到0.5‰，從而觀測(cè)到了樣品之間存在的Ca同位素分餾。

分析技術(shù)的發(fā)展使得Ca同位素具有廣闊的地質(zhì)應(yīng)用前景，如示蹤地幔中再循環(huán)的古老海相沉積碳酸鹽巖[3-4]、限定礦床成因[5]、重建古氣候變化[6-7]、反演古海水變化[8-11]及探討天體成因[12-15]等。因此，Ca同位素的準(zhǔn)確測(cè)定成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，測(cè)定Ca同位素的儀器主要有熱電離質(zhì)譜儀(TIMS)和多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)兩種。雖然MC-ICP-MS具有較高的分析效率，且樣品的制備過(guò)程較簡(jiǎn)單，但由于測(cè)試過(guò)程中采用40Ar作為載氣，會(huì)對(duì)40Ca的測(cè)定產(chǎn)生干擾，因此只能選擇測(cè)定其他豐度較低的Ca同位素。為了保證測(cè)試過(guò)程中42Ca、43Ca和44Ca的信號(hào)強(qiáng)度，溶液中Ca濃度需維持在5～10 μg/g，那么樣品的一次測(cè)定至少需要5～30 μg的Ca元素[16]，這就大大提高了樣品的制備量。長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試如此高濃度的樣品，會(huì)給儀器帶來(lái)記憶效應(yīng)，需要消耗較長(zhǎng)的清洗時(shí)間，而且進(jìn)樣過(guò)程中CaO在截取錐上的殘留將改變儀器的靈敏度。另外，MC-ICP-MS的電離效率高，容易產(chǎn)生干擾元素，影響Ca同位素的分析測(cè)定。MC-ICP-MS測(cè)試時(shí)使用樣品-標(biāo)樣間插法(SSB)可校正儀器分餾，卻無(wú)法校正化學(xué)分離時(shí)發(fā)生的同位素分餾，因此在化學(xué)分離時(shí)，既要實(shí)現(xiàn)Ca元素的100%回收率，也要達(dá)到與其他元素較好的分離。此外，MC-ICP-MS在長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試過(guò)程中不易維持較好的穩(wěn)定性。TIMS測(cè)定Ca同位素時(shí)，雖然樣品的準(zhǔn)備過(guò)程較為復(fù)雜，而且單個(gè)樣品的測(cè)試時(shí)間也較長(zhǎng)，但是采用雙稀釋劑分析技術(shù)能夠較好地校正樣品在化學(xué)分離以及分析測(cè)試過(guò)程中發(fā)生的同位素分餾，從而得到樣品真實(shí)的Ca同位素組成。此外，與MC-ICP-MS相比，TIMS的電離效率較低，少量干擾元素的存在可能對(duì)Ca同位素的測(cè)定影響有限。使用TIMS對(duì)Ca同位素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，通常采用鉭、錸、鎢等帶材質(zhì)，測(cè)試時(shí)有單帶、雙帶及三帶之分，本課題組所建立的Ca同位素分析方法[17-18]是此次研究的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

Ca、Sr屬于堿土金屬元素，Sr常以類質(zhì)同象的形式存在于含鈣礦物中，在化學(xué)分離過(guò)程中很難完全分離。以往研究者重點(diǎn)關(guān)注Ca和K的分離，采用TIMS對(duì)Ca同位素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，主要的干擾離子為40K+。然而Ca和Sr的分離卻容易被忽略，88Sr2+、86Sr2+、84Sr2+分別會(huì)對(duì)44Ca+、43Ca+、42Ca+的測(cè)定產(chǎn)生干擾[19]。Sime等[20]在化學(xué)分離過(guò)程中，為保證Ca元素的高回收率，在接收Ca元素的同時(shí)也接取了含量不足1%的Sr元素，并認(rèn)為混在Ca里面的Sr對(duì)Ca同位素的測(cè)定沒(méi)有明顯影響。Heuser等[21]使用TIMS對(duì)Ca同位素進(jìn)行測(cè)試時(shí)，未檢測(cè)到88Sr2+、86Sr2+、84Sr2+信號(hào)。Ta帶是Ca同位素測(cè)試時(shí)經(jīng)常使用的載帶，本實(shí)驗(yàn)采用了單Ta帶。在點(diǎn)樣加熱過(guò)程中，Ta可與空氣中的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ta2O5，Ta2O5通常是Sr的激發(fā)劑，樣品中一定量的Sr可能對(duì)Ca同位素的準(zhǔn)確測(cè)定帶來(lái)影響。然而，目前并未見(jiàn)有專門的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)探討Ca和Sr 不同的化學(xué)分離情況是否會(huì)對(duì)TIMS進(jìn)行Ca同位素的測(cè)定產(chǎn)生影響。為此，本工作將通過(guò)設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)探究在TIMS上使用單Ta帶對(duì)樣品Ca同位素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，樣品中不同Ca/Sr比值對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

本實(shí)驗(yàn)所選用的樣品是IAPSO大西洋標(biāo)準(zhǔn)海水(以下簡(jiǎn)稱“海水”)。因?yàn)楹Ｋ菑V泛使用的標(biāo)準(zhǔn)樣品，并且本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期監(jiān)控海水的Ca同位素組成，有準(zhǔn)確的Ca同位素值范圍，便于進(jìn)行對(duì)比研究。海水中Ca/Sr比值(根據(jù)已知的IAPSO大西洋海水中Ca、Sr的濃度分別為412 μg/g、7.9 μg/g)為52。為研究不同Ca/Sr比值對(duì)TIMS進(jìn)行Ca同位素測(cè)試結(jié)果的影響，需要在化學(xué)分離前添加一定量的Sr元素單標(biāo)溶液(在ICP-AES上測(cè)試其中的Ca元素含量，結(jié)果顯示，該溶液中的Ca元素含量很少，可以忽略不計(jì))。

分別提取13份含有50 μg Ca元素的海水于Savillex公司生產(chǎn)的7 mL杯子中，然后分別添加0.904 mL濃度為10 μg/g的Sr單標(biāo)溶液，使得樣品中的Ca/Sr比值為5。在化學(xué)分離前，向每份樣品中分別添加0.3 g42Ca-43Ca雙稀釋劑，然后置于110 ℃電熱板上蒸干，以備化學(xué)分離。

為了監(jiān)控整個(gè)分析過(guò)程中的雜質(zhì)引入，在Savillex公司生產(chǎn)的7 mL杯子中添加0.05 g42Ca-43Ca雙稀釋劑作為空白樣品，與其他樣品一起進(jìn)行化學(xué)分離。

因?yàn)橐诨瘜W(xué)分離過(guò)程中獲取不同Ca/Sr比值的樣品，首先需要標(biāo)定Sr的淋洗曲線，根據(jù)劉峪菲等[17]建立的Ca元素化學(xué)分離流程，采用裝有1 mL AG MP-50(100～200目)樹脂的Savillex PFA微柱作為離子交換柱，樣品上柱后，用1.6 mol/L HCl淋洗，其中Ca元素的接收區(qū)間為18～44 mL。接取Ca元素后，再使用34 mL 3.0 mol/L HCl進(jìn)行Sr元素的淋洗。在整個(gè)淋洗過(guò)程中，淋洗溶液每1 mL接取1次，然后使用ICP-AES標(biāo)定該淋洗曲線，示于圖1。

圖1 Ca與Sr化學(xué)分離的淋洗曲線圖Fig.1 Elution curves of chemical separation for Ca and Sr

1.2 不同Ca/Sr比值樣品的制備

為了獲取不同Ca/Sr比值的樣品，選取10份準(zhǔn)備好的海水樣品進(jìn)行化學(xué)分離，依次編號(hào)為Z-1、Z-2、Z-3……Z-10。根據(jù)所獲得的淋洗曲線，在接取Ca元素后，再分別接取不同體積的含Sr淋洗溶液。為了準(zhǔn)確地確定樣品中Ca/Sr比值，取出約1/3體積的淋洗溶液進(jìn)行ICP-AES測(cè)定，樣品中Ca/Sr比值列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的Ca/Sr比值及其δ44/40Ca測(cè)試結(jié)果Table 1 Ca/Sr ratios and δ44/40 Ca values of the samples

注：1) 由于實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差，表中給出的Ca/Sr比值只是近似值；

2) Z-1、Z-2、Z-3……Z-10是在接取了Ca淋洗液后分別接取不同用量的Sr淋洗液；Z-11、Z-12、Z-13是只接取Ca淋洗液，因而不列出淋洗液中的Ca/Sr比值；

3) 本實(shí)驗(yàn)全流程空白測(cè)試結(jié)果中的Ca含量為65 ng；

4) 本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是以NIST SRM 915a為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)換算而得的

其余溶液在110 ℃電熱板上蒸干，用于TIMS進(jìn)行Ca同位素的測(cè)試。為了與上述10份樣品對(duì)比，其他3份樣品在化學(xué)分離時(shí)只接取Ca的淋洗溶液，依次編號(hào)為Z-11、Z-12、Z-13。

1.3 質(zhì)譜測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的熱電離質(zhì)譜(Triton TIMS)上進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)所使用的單Ta帶(純度為99.995%)先用去氣裝置進(jìn)行去氣(4.5 A，30 min)，以減少Ca同位素分析過(guò)程中可能存在的干擾元素背景值。每次測(cè)試Ca的上樣量為5～10 μg，在點(diǎn)樣時(shí)，向每個(gè)樣品上添加1 μL 10% H3PO4作為激發(fā)劑以增強(qiáng)測(cè)試過(guò)程中信號(hào)的穩(wěn)定程度，從而實(shí)現(xiàn)Ca同位素的穩(wěn)定測(cè)定。

TIMS測(cè)試Ca同位素時(shí)設(shè)置了1個(gè)杯結(jié)構(gòu)系列：40Ca、41K、42Ca、43Ca以及44Ca，能夠?qū)崿F(xiàn)在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)不同的Ca同位素進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置積分時(shí)間和死時(shí)間均為4 s，設(shè)定16個(gè)block，13個(gè)cycle。另外，在每組測(cè)定完成后輪流交換法拉第杯之間的放大器以減少增益效應(yīng)[18]。

使用42Ca-43Ca雙稀釋劑法對(duì)Ca同位素在化學(xué)分離以及儀器分析過(guò)程中產(chǎn)生的同位素分餾進(jìn)行校正[22]，從而獲取樣品真實(shí)的Ca同位素組成信息。

2 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)的全流程空白Ca為65 ng，占分析總量的1.3‰，認(rèn)為對(duì)Ca同位素的測(cè)定結(jié)果在誤差范圍內(nèi)沒(méi)有影響。

注：1) 本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)IAPSO海水的δ44/40Ca測(cè)試結(jié)果為1.83±0.12(2SD，n=85)，圖中陰影區(qū)域?yàn)闇y(cè)試結(jié)果的變化范圍；2) 圖中給出的數(shù)據(jù)精度為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)精度圖2 不同Ca/Sr比值的海水樣品的δ44/40Ca測(cè)試結(jié)果Fig.2 δ44/40Ca value of seawater samples containing different Ca/Sr ratios

TIMS測(cè)定結(jié)果顯示：Z-1、Z-2、Z-3、……Z-10的δ44/40Ca值從1.72變化至1.88，平均值為1.82±0.09，且δ44/40Ca與Ca/Sr比值之間不存在相關(guān)性，示于圖2；Z-11、Z-12與Z-13的δ44/40Ca值分別為1.87、1.77、1.72，平均值為1.79±0.15，這與本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期測(cè)定的IAPSO海水Ca同位素組成(1.83±0.12(2SD，n=85))在誤差范圍內(nèi)一致。TIMS測(cè)定的不同Ca/Sr比值海水樣品與不含Sr元素海水樣品的Ca同位素組成在誤差范圍內(nèi)一致。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在TIMS測(cè)定過(guò)程中，當(dāng)Ca/Sr>5時(shí)，Sr元素對(duì)Ca元素的干擾有限。雖然88Sr2+、86Sr2+、84Sr2+分別對(duì)44Ca+、43Ca+、42Ca+的測(cè)定產(chǎn)生干擾，但是使用單Ta帶進(jìn)行TIMS測(cè)定時(shí)，Sr的激發(fā)溫度約為1 350 ℃，而Ca的激發(fā)溫度約為1 450 ℃。因此可推斷在Ca同位素測(cè)試過(guò)程中，大量Sr元素在前期升溫過(guò)程中已經(jīng)激發(fā)，從而對(duì)Ca同位素的干擾有限。使用單Ta帶搭載樣品進(jìn)行Ca同位素測(cè)定時(shí)，在點(diǎn)樣加熱過(guò)程中，Ta可與空氣中的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ta2O5，Ta2O5通常是Sr的激發(fā)劑。在點(diǎn)樣過(guò)程中，對(duì)于載有樣品的Ta帶在加熱發(fā)紅時(shí)，持續(xù)時(shí)間比較短(10～15 s)，對(duì)Sr的激發(fā)作用有限。另外，TIMS相比于MC-ICP-MS的電離效率低，進(jìn)一步限制了Sr對(duì)Ca同位素測(cè)定的干擾。

一些常用的不同巖性地質(zhì)標(biāo)樣中Ca、Sr元素含量以及相應(yīng)的Ca/Sr比值列于附表1，其中Ca/Sr最小值為23.45，大于本實(shí)驗(yàn)中Ca/Sr最大值14.4。Ca是主量元素，Sr是微量元素，通常地質(zhì)樣品中Ca/Sr比值都很高，即Sr相較于Ca含量很低，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的樣品比常用的地質(zhì)標(biāo)樣Ca/Sr比值低，說(shuō)明Sr相對(duì)含量略高，理論上對(duì)Ca的測(cè)定影響更加明顯。而本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的如上情況下(Sr相對(duì)含量略高)的海水樣品中的Ca同位素組成并沒(méi)有明顯變化。由此推測(cè)，對(duì)于大部分Ca/Sr>5的地質(zhì)樣品，使用Ta單帶在TIMS上進(jìn)行Ca同位素分析測(cè)試時(shí)，即使沒(méi)有實(shí)現(xiàn)Ca與Sr的完全分離，也不會(huì)影響Ca同位素的測(cè)定結(jié)果。此外，可以考慮優(yōu)化Ca元素的化學(xué)分離流程，即在洗去Ca元素之前的Mg、Fe、Al、K等干擾元素之后，直接使用3.0 mol/L HCl淋洗，即使少量的Sr落入Ca的接收區(qū)間，在TIMS測(cè)定過(guò)程中仍可以獲得樣品真實(shí)的Ca同位素信息。

3 結(jié)論

使用Ta單帶在TIMS上測(cè)試含有不同Ca/Sr比值的海水樣品，其Ca同位素組成與本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)海水標(biāo)樣的Ca同位素測(cè)試結(jié)果的變化范圍一致，且樣品的δ44/40Ca與Ca/Sr比值之間不存在相關(guān)性。這說(shuō)明在當(dāng)前測(cè)定條件下，即使Ca與Sr未能實(shí)現(xiàn)完全分離，Sr對(duì)Ca同位素測(cè)定的干擾也是有限的，仍可以獲得樣品真實(shí)的Ca同位素組成。對(duì)于大多數(shù)Ca/Sr>5的地質(zhì)樣品，在進(jìn)行Ca元素的化學(xué)分離時(shí)，還可以考慮優(yōu)化化學(xué)分離流程，即適當(dāng)增加淋洗酸的濃度，從而改善峰型并且節(jié)省化學(xué)分離流程所需的時(shí)間。

致謝：感謝康晉霆、王希杰以及王桂琴老師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予的幫助。

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Experimental Assessing about Sr Interference Effect on Ca Isotope Measurements on Thermal Ionization Mass Spectrometry

ZHANG Chen-lei1,2, ZHU Hong-li1, LIU Yu-fei1,2, LIU Fang1,2, ZHANG Zhao-feng1

(1.StateKeyLaboratoryofIsotopeGeochemistry,GuangzhouInstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

O657.63

A

1004-2997(2017)05-0567-07

10.7538/zpxb.2016.0190

2016-11-30;

2017-02-20

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(41490632)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(91328204)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41373007)；同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLIG-JY-12-01，SKLIG-JY-13-03，SKLIG-KF-13-03)資助

張晨蕾(1993—)，女(漢族)，陜西人，碩士研究生，同位素地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: zhangcl10@lzu.edu.cn

張兆峰(1973—)，男(漢族)，江蘇人，研究員，從事同位素地球化學(xué)研究。E-mail: zfzhang@gig.ac.cn

時(shí)間：2017-04-13；網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20170413.0954.020.html