中国科大金属稳定同位素实验室 GGR | Si、Fe、Mg、Ca同位素一柱预分离方法

研究概述

近日，国际地球化学分析领域期刊《Geostandards and Geoanalytical Research》在线发表了中国科学技术大学黄方教授团队联合成都理工大学行星科学研究中心的研究成果。该研究建立了一种单柱预分离方法，可从一份样品中同时纯化并高精度测定硅（Si）、铁（Fe）、镁（Mg）、钙（Ca）四种主量元素的同位素组成。该方法大幅降低了样品消耗，避免了因样品成分不均一对多同位素体系造成干扰，为地球化学与宇宙化学中的多同位素联合示踪，尤其是月球、小行星等珍稀地外返回样品的研究提供了关键的方法学支撑。

Si、Fe、Mg、Ca是硅酸盐地球（BSE）中丰度最高的主量元素，其稳定同位素长期以来被广泛应用于各类地质过程的研究，例如地壳形成与演化、壳幔物质循环、早期地球氧化还原条件变化、太阳系形成与演化等过程。如果将多种同位素体系的联合应用，可以为壳幔相互作用、变质作用、沉积与风化过程乃至行星形成与核幔分异提供更精确的约束。

然而，传统实验流程大多针对单一元素设计，而由于采用HF酸溶消解硅酸盐时Si会以挥发性SiF₄形式丢失，通常无法兼顾Si与其他几个同位素。当需要Si和其他同位素联合应用以解决具体科学问题时，必须针对不同同位素体系重复消解样品。这不仅导致样品消耗大，而且在样品成分不均一时，分次取样可能会造成不同同位素间的解耦，直接影响多同位素联合示踪的可靠性。针对上述瓶颈，本文开发了“碱熔消解 + 单柱预分离”方法，样品以NaOH碱熔法消解以防Si丢失，随后用AG50W-X12阳离子交换树脂柱，依次以纯水、HNO₃-HF混合酸、HNO₃和HCl将Si、Fe、Mg、Ca一次性高效分离（图1）；其中Si分离后可直接用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）进行Si同位素测定，Fe、Mg经再纯化后同样以MC-ICP-MS测定，Ca则进一步纯化后加入⁴²Ca-⁴³Ca双稀释剂后以热电离质谱（TIMS）测定。

图1  最终确立的Si、Fe、Mg、Ca分离淋洗曲线

在反复测试后最终确定的实验流程中，四种元素的回收率均可达到98%–99%，全流程空白相较上样量可忽略不计。为验证方法的精度及稳定性，研究选取了从超基性到酸性岩石的一系列国际地质标准物质——纯橄岩DTS-2；玄武岩BCR-2、BHVO-2、JB-2；安山岩AGV-2、JA-2；花岗岩GSP-2、流纹岩RGM-2，以及两块碳质球粒陨石Allende和Murchison。所有四个元素的同位素测定值均与文献推荐值在误差范围内一致（图2）。

图2 不同地质标样和陨石标样的Si、Fe、Mg、Ca同位素组成

该研究还为三个此前未报道Si同位素组成的地质标准物质提供了新数据：DTS-2、JB-2和RGM-2的δ³⁰Si分别为−0.26 ± 0.03‰、−0.26 ± 0.03‰和−0.12 ± 0.07‰（2SD），有效补充了现有地质标准物质的Si同位素数据。在应用层面，碱熔法不仅避免了Si丢失，还可将样品消解时间从传统的72–168小时缩短至24小时以内。并且该方法可从同一份样品同时获得四种元素的同位素组成，从根本上避免了CAI球粒等珍稀且成分不均一样品因分次取样造成的同位素解耦。该方法在未来月球、火星等返回样品多同位素联合分析中有强大应用潜力。

综上所述，本研究建立了一套高效、低耗、高精度的Si-Fe-Mg-Ca四元素同位素单柱预分离方法，将传统的多套独立流程合并为“一步预分离，进一步纯化”，在显著节省样品、缩短实验周期的同时保证了数据可靠性。本方法兼具防止Si丢失、避免同位素解耦、适合极小样品与不均一样品等优势，为地球化学与宇宙化学中多同位素联合示踪，尤其是珍稀地外样品的研究提供了坚实的方法学基础。

文章信息

论文第一作者为中国科学技术大学黄方教授课题组硕士研究生林渝超，通讯作者为中国科学技术大学于慧敏副研究员与成都理工大学李欣副教授。该研究主要受国家自然科学基金（42241102、42473050、42573003、42330101）与安徽省自然科学基金（2308085J06）的联合资助。

论文信息：

Yu-Chao Lin, Hui-Min Yu*, Xin Li*, Wenke Wang, Zhen Shi, Fang Huang. One-column pre-separation of Si, Fe, Mg and Ca from reference materials for isotope analyses. Geostandards and Geoanalytical Research. 2026.

部分参考文献

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作者 / 林渝超、于慧敏、李欣

编辑 / 王玉婷

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来源：微信公众号「化学星球」