富含有机质低硼含量地质样品的高精度硼同位素分析方法

如何快速、准确测定富含有机质低硼含量地质样品的硼同位素组成目前仍是一个未解决的难题。本项目拟以这类样品(如有孔虫、珊瑚、河水等)硼同位素质谱测定中CNO-和Cs2CNO+同质异位素干扰的有效消除方法研究为突破口，采用分析化学、化学计量学与同位素地球化学相结合的研究方法，通过改进样品纯化分离步骤、抑制TIMS离子源中同质异位素干扰的产生来解决富含有机质低B含量天然样品δ11B测定值负偏移的问题。分析确定诱发干扰的有机质组分、实验研究干扰离子产生的机理、确定合适干扰抑制剂，采用化学计量学方法优化确定TIMS法硼同位素测定最佳实验条件。借助与MC-ICP-MS测定方法相对照的方法，确定有机质去除和同质异位素干扰消除的有效性。项目将努力实现简化样品预处理过程、完全消除同质异位素对测定11B/10B比值的干扰，从而提高TIMS法硼同位素组成的测定精度。

本项目主要获得以下三方面的研究进展：（1）针对复杂组分低硼含量天然地质样品特点，改进和完善了硼同位素化学分离和质谱测量方法。在国内地球化学实验室最先建立了可调速蠕动泵-微型分离柱的预处理纯化分离方法，实现与基体组分的完全分离并能够保证硼元素的最大回收（高于99％）。该方法已经应用在各种不同天然地质样品的预处理过程，提高了分析效率。针对Cs2BO2+离子质荷比大和两个离子相对质量很小的特点，通过调节聚焦光学系统参数来改变两个离子运动偏转角度，采用偏转角度最大的法拉第杯接收两个离子，实现309和308离子峰的完美峰形和完全重叠。成功地在不改变高压参数和法拉第杯硬件设置的条件下，研究建立了正热电离质谱计双法拉第杯静态接收法高精度测定硼同位素组成的新方法。针对“有机质对热电离质谱法测定硼同位素组成测定干扰”这一国际硼同位素地球化学研究的瓶颈问题，结合三种质谱（MC-ICP-MS，TIMS和TG-MS）方法与Raman 光谱等同位素组成和原位结构分析方法，研究确定诱发同质异位离子干扰的有机质官能基团。通过确定组分、有效分离和电离抑制相结合解决同质异位离子对硼同位素测定的干扰。（2）研究了热电离质谱中多原子离子的发射行为和形成机理。依据实验表征和分子动力学理论计算相结合的研究手段，在国际上首次提出了热电离质谱离子源中多原子离子的形成机理。目前正在继续开展相关研究，探索建立更多轻元素同位素组成高精度测定方法。（3）开展硼同位素地球化学应用研究。依托前期研究基础开展南中国海不同种属现代珊瑚中硼同位素组成与海水－生物碳酸盐间同位素分馏行为研究。依据活体珊瑚的同位素组成信息得到了未经后期改造作用生物碳酸盐与海水间的分馏系数，并研究了固液相间硼同位素分馏效应与珊瑚骨骼代用指标重建得到沉积温度间的相关性。进一步拓展了硼同位素地球化学在中国黄土高原典型黄土－古土壤沉积序列中成壤环境指示意义研究。揭示了这一区域黄土沉积物中硼同位素组成特征，推绎了黄土沉积物中硼的主要物源。在黄土－古土壤地层序列硼同位素指标与其他指标呈现了一致的变化，与重建降雨量值间存在很好定量相关性。这一研究表明黄土沉积物序列中硼同位素组成可以做为一个灵敏定量的指标指示成壤强度变化。在本项目完成期间发表国际和国内SCI收录论文6篇，获得国家发明专利1项。并有3篇再审国际SCI期刊论文，申请美国发明专利1项。