同位素技術(shù)
同位素技術(shù)是地球化學研究中的“偵探利器”，它通過追蹤元素同位素組成的微小差異，來揭示地球乃至太陽系演化的奧秘。
賽默飛擁有一系列完整的同位素質(zhì)譜類儀器，可以測定元素周期表中幾乎所有元素的同位素。
(點擊查看大圖)
如在上圖所示的元素周期表里，標紅色點的這類元素的同位素，可用MC-ICPMS質(zhì)譜(Neoma)和TIMS質(zhì)譜(Triton系列)來測定；標黃色點的這些非金屬元素的同位素，可用G-IRMS質(zhì)譜(Delta Q, 253 Plus)來測定；綠色點代表了惰性氣體元素，可用惰性氣體質(zhì)譜儀(Helix MC)來測定其同位素。
那么讓我們一起來看看同位素是如何解密地球的吧。
1. 破解地球年齡之謎：終極時鐘
地球到底有多老？
早期的估算方法(如根據(jù)海水鹽度、地球冷卻速率)都非常不準確。
而利用同位素鈾-鉛定年法，特別是鋯石礦物，可以知道地球的年齡。
鋯石形成于巖漿中，極其堅硬耐用，能抵抗后期地質(zhì)作用的改造。它在結(jié)晶時會將鈾元素鎖在晶格中，而排斥鉛。因此，我們在鋯石中測到的所有鉛都是鈾放射性衰變產(chǎn)生的。
鈾有兩個同位素(U-238和U-235)分別衰變成兩種鉛同位素(Pb-206和Pb-207)。這就像有兩塊獨立的手表，可以相互校驗，結(jié)果更可靠。
科學家們在澳大利亞杰克山找到了地球上最古老的鋯石晶體，通過鈾-鉛定年，測得其年齡高達 44億年。這告訴我們，在地球形成后不久(約1.6億年后)，大陸地殼就已經(jīng)開始形成了。目前測得的地球上隕石的年齡約為45.3-45.7億年，非常接近地球本身的估計年齡(約45.5億年)。
儀器介紹：
多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICPMS)可以測試元素周期表中多達40種以上的元素(Sr、Nd、Pb、Hf、U、Li、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn等)，可進行的同位素定年體系包括U-Pb、Rb-Sr、Re-Os、Sm-Nd等。
賽默飛于2020年11月在全球推出第二代Neoma MC-ICPMS。除了沿襲Neptune系列MC-ICPMS上述優(yōu)勢設(shè)計外，還借助于革新ICP離子源、拓展檢測器平臺、全新的帶質(zhì)量篩選功能的碰撞反應池、整機全新電路設(shè)計、先進的Qtegra軟件操作平臺以及一系列硬件、軟件改進，在Neptune基礎(chǔ)上進一步提升了儀器性能。
Neoma MC-ICPMS
2. 追溯生命起源：大氧化事件的“指紋”
地球早期的大氣是缺氧的，那么氧氣是在什么時候開始大量出現(xiàn)的？
有一個能證明氧氣出現(xiàn)時間的關(guān)鍵地質(zhì)證據(jù)：硫同位素。
通常情況下，同位素的分餾與它們的質(zhì)量差有關(guān)(質(zhì)量分餾)。但在紫外線作用下，會發(fā)生一種“非質(zhì)量分餾”效應，這只有在無氧大氣中才能發(fā)生。
科學家發(fā)現(xiàn)，在距今約24億年前的古老巖石中，這種異常的硫同位素信號突然消失了，這成為了 “大氧化事件”的決定性證據(jù)：因為當時藍藻細菌通過光合作用產(chǎn)生了大量氧氣，改變了大氣化學，阻止了非質(zhì)量分餾的發(fā)生。
如果讓我們直接去測古氧氣的含量，這幾乎是不可能的，而通過一個與之相關(guān)的、被保存下來的“異常”同位素信號的消失，來反推當時大氣成分，則成為了解開謎題的證據(jù)。
儀器介紹：
賽默飛共有兩款經(jīng)典的氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀。一款是經(jīng)典的253 Plus，一款是最新的Delta Q型號。兩款氣體質(zhì)譜儀主要針對C、N、H、O、S五種元素的穩(wěn)定同位素進行分析測試。
253 Plus IRMS配有10KV電壓，磁場偏轉(zhuǎn)半徑大，適用于地質(zhì)、海洋、古氣候研究；Delta Q IRMS配有3KV加速電壓，磁場偏轉(zhuǎn)半徑小，適用于食品、環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域研究。
此外兩款儀器分別可與EA(元素分析儀)、GC(氣相色譜儀)、LC(液相色譜儀)、GB(在線氣體平衡裝置)等不同外設(shè)聯(lián)用，用于不同樣品類型，包括固體、氣體、揮發(fā)性有機物的單體同位素測試。
253 Plus IRMS
Delta Q IRMS
3. 重建古氣候：藏在石頭里的溫度計
大家有沒有想過，我們?nèi)绾文苤肋h古時代海洋溫度？
地球化學里有一個很重要的方法：氧同位素古溫度計。
古代海洋生物(如有孔蟲)的碳酸鈣貝殼在形成時，會記錄下海水的氧同位素信息。16O比18O更輕，蒸發(fā)時更容易進入水汽。當氣候變冷，冰蓋擴大，大量的16O被鎖在冰蓋中，導致海水中18O相對富集。同時，生物在較冷的水中形成貝殼時，會更多地吸收18O到其碳酸鈣骨骼中。通過測量深海鉆探巖芯中有孔蟲化石的18O/16O比值，科學家可以重建過去數(shù)百萬年精確的冰期-間冰期氣候旋回，就像在閱讀一本地球的溫度日記。
儀器介紹：
賽默飛的253 Plus穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀加配Kiel IV高精度碳酸鹽分析裝置是做有孔蟲這類珍貴化石樣品的有力工具。只需要大約20µg的碳酸鹽樣品，δ13C和δ18O的分析精度可達到0.04‰和0.08‰。Kiel IV帶有抽真空的可控溫反應室，可以精確控制反應溫度；新的微體積箱可消除微量碳酸鹽樣品產(chǎn)生的CO2的粘滯流；兩個帶有酸定量閥的獨立反應體系用于高通量樣品分析，確保了高精度碳酸鹽樣品的準確分析。
253 Plus IRMS + Kiel IV碳酸鹽裝置
結(jié) 語
以上地球科學的案例充分展示了同位素技術(shù)作為“自然時鐘”和“天然示蹤劑”的*能力，讓我們能夠解碼巖石、化石甚至整個星球留下的隱秘信息，講述出一個又一個關(guān)于地球過去的精彩故事。
賽默飛做為全球頂尖的科學儀器領(lǐng)導者，致力于為全球所有的科學家和研究者提供科學研究的工具，期待未來能為人類解開更多的地球謎團。
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