简述非传统同位素的应用与研究进展(DOC)

简述非传统同位素的应用与研究进展

——以铁同位素为例

摘要：由于同位素分析方法的改进和多接收电感耦合等离子体质谱仪的使用，近年来以铁同位素为代表的非传统稳定同位素研究有了很大进展，铁元素在自然界中广泛存在并参与成岩成矿作用，热液活动，以及生命活动过程，对铁同位素的研究具有重大的意义和巨大的潜在应用价值。本文主要介绍了铁同位素基本概念及其组成分布特征、铁同位素在不同过程中的分馏机理研究进展以及该技术在环境地球化学、生物示踪、人类健康、古海洋学研究等领域中的应用。

关键词：非传统同位素铁同位素 MC-ICP-MS

一、前言

非传统稳定同位素是相对于氢、碳、氧、硫等传统稳定同位素而言的，包括铁、铜、锌、钼、硒、汞、锂、镁等同位素体系。在近十年里，随着各种同位素质谱测试技术的大幅提升，特别是多接受电感耦合等离子体质谱（MC-IPC-MS）的出现，使得人们对这些以往不为人熟知的同位素进入我们视野，十年里人们对非传统稳定同位素体系的开发与利用蓬勃发展，目前已开展的非传统同位素研究包括：锂[1]、镁[2-3]、钙[4]、钛[5]、钒[6]、铬[7]，铁[8]、镍[9]、铜[10-11]、锌[12]、锗[13]、锶[14]、钼[15-16]、汞[17-18]、铊[19]等元素。其中尤以铁、钼、锂、镁、铜、锌、汞、铊、硒等元素的同位素研究备受瞩目。

铁是地球上丰度最高的变价元素，以不同的价态( 0,+ 2,+ 3) 赋存于各类岩石、矿物、流体和生物体中，并广泛参与多种地球化学和生物化学过程。它是重要的成矿元素，主要工业矿物有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、菱铁矿和含铁绿泥石等，是矿床学研究中重点关注的元素之一；它是与生命活动密切相关的元素，在自然界中的分布对生物活动有着重要影响；因此，铁同位素组成的研究在示踪成矿作用和生物演化等方面具有重要潜力。铁同位素的研究也可以为揭示自然界中各类生物作用过程和地质作用过程提供新的线索和证据[20]。铁同位素在生命科学、环境科学、海洋学及地球与行星科学等领域都备受关注。对铁同位素的研究可以追溯到半个世纪以前[21]，随着分析技术的进步，在上世纪八九十年代，一些科研人员开始用热离子质谱(TIMS)对铁同位素进行分析研究[22-25]，但分析精度只有1‰一3‰，跟自然界中铁同位素的组成变化范围在同一数量级，不足以用于研究自然界中铁同位素分馏过程，这主要是因为铁的电离势太高，而TIMS的离子化效率太低。近年来多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的引入为此领域的发展开拓了新的前景，其分析精度可达±0.05‰（1S.D.），适于测量50× 10-9-10×10-6浓度范围内的样品。

二、铁同位素研究历史发展

上世纪60年代部分学者曾对一系列元素进行了同位素组成调查，但由于当时测试精度较差，没能发现自然界中这些元素的同位素分馏[26-27]。90年代末，受火星上是否存在生命这一重大科学问题的驱使，部分美国学者研发了铁同位素的双方稀释剂热电离质谱(DS-TIMS)测试技术[28]，认为铁同位素组成是生物活动的标志特征，即自然界中只有生物过程才能使铁同位素发生分馏[28]。尽管这一观点被很快否定，但激发了人们对铁、铜、锌等被生物利用的金属元素同位素研究的极大兴趣。

铁同位素的MC-ICP—MS高精度测定是非传统稳定同位素发展史上一项里程碑式的进展。由于等离子体中产生的ArN+和ArO+的干扰，当时大部分学者认为运用MC-ICP-MS进行铁同位素高精度测定难以实现MC-ICP-MS当时还没有高分辨模式。然而，通过一系列技术操作，Belshaw等[29]成功研发了低分辨下铁同位素的MC-ICP-MS测试技术。与DS-TIMS相比，该方法不仅测试效率高，而且测试精度提高了近一个数量级，开启了真正意义上的铁同位素地球化学研究之门。

在本世纪开始的头两三年内，铁、铜、锌、镁、钙、钼、铊、钛等元素的同位素测试方法研发出来。随后，MC-ICP-MS实验室如雨后春笋般在世界各地建立起来，非传统稳定同位素地球化学进入了群雄并起的蓬勃发展阶段，研究重点也由测试方法研发逐步转向同位素分馏研究和应用潜力探索。

与国际发展方向一致，我国学者也适时开展了非传统稳定同位素地球化学研究[30-31]。经过近十年的努力，先后建立了铁、铜、锌、钼、钛、锂、镁等元素的同位素测定方法[32-

39]，并进行了相关同位素的标准物质研制[33]。

三、铁同位素概况

3.1 铁同位素基本概念

铁共有二十五个同位素，其中四个是可自然存在的稳定同位素，其他都是实验室存在的放射性同位素。铁稳定同位素的基本情况见表1[40]。

表1 铁的稳定同位素及其基本参数

元素符号原子序数质量数中子数相对原子质量平均同位素丰度（%）标准原子质量

Fe 26 54 28 53.939621 5.845

55.847

56 30 55.934932 91.754

57 31 56.935394 2.1192

58 32 57.933272 0.2818

注：表中后两项以C=12.000000为单位。

目前，国际上主要存在两种Fe 同位素组成的表示方式：δ(千分偏差) 和ε(万分偏差) 。Fe 同位素的δ 表达式为：δ56Fe = ［( 56Fe /54Fe) 样品/( 56Fe /54Fe) 标样－1 ］×1000，δ57Fe =［( 57Fe /54 Fe) 样品/( 57 Fe /54 Fe) 标样－ 1 ］ × 1000，△57 Fe A-B 2=δ57Fe A-δ57Fe B。对于质量分馏而言，δ56Fe = 0. 678 δ57 Fe。由于自然界中有些样品的Fe 同位素组成变化较小，千分偏差无法直观地显示Fe 同位素的变化，所以有时采用万分偏差表示: ε56Fe = ［( 56 Fe /54 Fe)样品/( 56 Fe /54 Fe) 标样－ 1］× 10000，ε57Fe = ［( 57Fe /54 Fe) 样品/( 57 Fe /54 Fe) 标样－ 1］× 10000。两者之间的换算关系为: ε56Fe = 10δ56Fe，ε57Fe = 10δ57Fe。