歡迎掃碼關注
當前位置：首頁
- 地質(zhì)文化
- 地學科普
“地球化學指紋”的捕捉器——同位素質(zhì)譜儀
同位素像“指紋”一樣包含了重要的地球化學過程信息，不同的物質(zhì)包含了不同的同位素比值，捕捉這種“指紋信號”意義重大，同位素技術(shù)也因此成為目前地球化學研究中的重要手段。
同位素質(zhì)譜儀是伴隨著核科學與核工業(yè)發(fā)展起來的，當前該儀器已深入到礦床同位素地球化學、巖石年代學、有機穩(wěn)定同位素地球化學、無機穩(wěn)定同位素地球化學、同位素水文學（圖1）等各個學科，并在國家一系列重大攻關和研究課題中發(fā)揮重大作用。此外，同位素質(zhì)譜儀的應用領域也在不斷擴大，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、環(huán)境學、海洋學、石油、化工、冶金等方面，也常常能看到同位素質(zhì)譜儀的“影子”，可見同位素質(zhì)譜儀在眾多領域都有著舉足輕重的地位。
圖1 同位素水文學
探究同位素質(zhì)譜儀我們首先要認識什么是同位素：由于原子核所含有的中子數(shù)不同，具有相同質(zhì)子數(shù)的原子有不同的質(zhì)量，這些原子被稱為同位素。例如，氫的3個主要同位素分別為11H、21H和31H，它們都有1個質(zhì)子和1個電子，但中子數(shù)則分別為0、1和2。
同位素可分為放射性同位素和穩(wěn)定同位素兩大類。凡能自發(fā)地放出粒子并衰變?yōu)榱硪环N同位素者為放射性同位素；無可測放射性的同位素是穩(wěn)定同位素，其中一部分是放射性同位素衰變的最終穩(wěn)定產(chǎn)物。放射性同位素主要用于地質(zhì)和考古測年，穩(wěn)定同位素主要用于地球化學和環(huán)境示蹤。以穩(wěn)定同位素為例，不同的地質(zhì)樣品中穩(wěn)定同位素的比值有所差別，就像人類的指紋一樣，觸摸過哪里就會留下自己的指紋。測試不同樣品的穩(wěn)定同位素比值，就好比是檢測“地球化學指紋”，區(qū)分地質(zhì)和環(huán)境樣品的來源。例如測試水的氫氧同位素可以反演水汽來源，測試礦石的包裹體氫氧同位素可以示蹤礦產(chǎn)的流體來源。
根據(jù)原子（分子）質(zhì)量的順序進行排列的圖譜，叫做質(zhì)譜。通過微波吸收法、核感應法或者光譜法均能夠使得試驗裝置構(gòu)成，從而進行質(zhì)譜研究。歷史上，質(zhì)譜儀是以電磁學原理作為基礎設計而成的儀器。近幾年來，分析有機物結(jié)構(gòu)、分離與分析同位素、測定原子量和其他科學實驗都是利用質(zhì)譜儀進行。
為了精確地獲取這些“指紋”信息，首先要將樣品轉(zhuǎn)化成如二氧化碳、氮氣、二氧化硫或者氫氣等氣體，氣體分子在離子源中電離（從每個分子中將一個電子剝離，從而使得一個正電荷為每個分子所帶有），接著往飛行管中打入離子化氣體。飛行管是彎曲的，在飛行管上方放置磁鐵，帶電分子因為質(zhì)量差異而分離。在飛行管的末端有一個法拉第收集器，用來對經(jīng)過磁體分離之后，具有特定質(zhì)量的離子束強度進行測量，因為其是將樣品轉(zhuǎn)化成氣體才可以測量，因此又被稱為氣體同位素比質(zhì)譜儀（圖2）。
圖2 氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀（IRMS）工作原理圖
近年來，同位素質(zhì)譜儀不斷升級，在體積縮小的同時有了更加可靠、更加高效的分析能力，并且配置非常靈活，可以與雙路進樣系統(tǒng)、元素分析儀、微量氣體預濃縮裝置等多種外設聯(lián)用，滿足了更多元的測試需求，比如食品溯源、病因追蹤、探索古氣候與古人類的生存環(huán)境等，為人們認識世界開辟了一條新的途徑。未來，隨著儀器性能、分析方法和樣品處理等方面能力的不斷提升，同位素質(zhì)譜儀的研究成果一定會遍地開花。