苑泽培、谢锦程等：LA-MC-ICP-MS原位Si同位素基体效应及锆石标样Si同位素组成研究【JAAS, 2026】
硅（Si）是地球上分布最广泛的元素之一，其同位素在示踪成矿流体来源、俯冲带岩浆作用与物质循环、岩浆分异过程等方面具有重要应用。尽管气体质谱（GS-MS）和多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）能够提供高精度的分析结果，但其仍存在一定局限性，如空间分辨率较低。相比之下，二次离子质谱（SIMS）虽然可以实现高精度和高空间分辨率的分析，但其成本较高。激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱仪（LA-MC-ICP-MS）则兼具高空间分辨率、低分析成本和快速分析等优势。然而在LA-MC-ICP-MS分析过程中，激光参数和基体效应对Si同位素分析的影响仍未完全解决。此外，为保证同位素数据的准确性与可溯源性，Si同位素锆石标准物质数据库急需补充。
针对以上问题，中国地质大学（北京）科学研究院朱弟成教授团队硕士研究生苑泽培，在谢锦程副教授的指导下，利用矿物激光微区分析实验室（Milma Lab）的LA-MC-ICP-MS仪器，在本实验室成功建立了激光原位Si同位素分析方法，通过比较不同激光参数（频率、能量密度、束斑大小）对Si同位素测试的影响，并对不同剥蚀坑形态进行对比（图1），综合结果表明，为在剥蚀坑形态与信号强度间取得最佳平衡，在使用纳秒激光器进行Si同位素测试时应保证激光频率在4–14 Hz之间，激光能量密度大于1.5 J cm-2，激光的束斑大小在33–90 μm之间（图2）。
图1 不同激光参数条件下剥蚀坑形态对比
图2 激光参数与分析不确定度的关系
在对激光参数的优化与保证信号强度后，对MTUR1锆石标准物质的长期分析精度得到了显著提升。在线扫描模式下，δ30Si的长期精度可以达到0.11‰（2SD），优于单点分析的结果（0.26‰，2SD）（图3）。
图3 MTUR1锆石点剥蚀与线扫描的长期分析精度
在原位Si同位素分析中，非基体匹配会引起显著的基体效应。为了抑制这一效应，分别进行剥蚀池前加水及改变激光聚焦位置（-200 μm ~ +180 μm）实验，结果显示，剥蚀池前加水能够部分抑制基体效应；而通过改变聚焦位置发现，当激光聚焦位置位于样品表面下方120–150 μm可有效提高分析测试准确度。上述研究表明，在激光原位Si同位素测试中，基体效应的抑制还需要采用不同的条件实验（如池后加水、剥蚀坑体积校正、线性分馏校正等方法）进行验证（图4）
图4 （a）基体匹配校正；（b）非基体匹配校正（NIST 610-锆石）；（c）剥蚀池前加水；（d）改变激光聚焦位置
通过上述验证的LA-MC-ICP-MS高精度Si同位素分析方法，本研究对大颗粒锆石标准物质进行线扫描分析，获得91500、Plešovice、SA01和Penglai锆石的δ30Si值分别为-0.40 ± 0.15‰（2SD, n = 40）、-0.43 ± 0.12‰（2SD, n = 40）、-0.33 ± 0.16‰（2SD, n = 40）和-0.29 ± 0.13‰（2SD, n = 40），这与前人已发表的溶液数据在误差范围内保持一致。对前人未分析过的大颗粒锆石标准物质GJ-1、Tanz、Ban-1、Cam-1和Cam-2进行原位Si同位素分析，得到其δ30Si结果为-0.38 ± 0.12‰（2SD, n = 45）、-0.42 ± 0.15‰（2SD, n = 40）、-0.36 ± 0.12‰（2SD, n = 40）、-0.58 ± 0.19‰（2SD, n = 40）和-0.71 ± 0.21‰（2SD, n = 35）。这些大颗粒锆石均具有相对均一的Si同位素组成（图5）。
图5 天然锆石标准物质Si同位素测试结果
对于小颗粒的锆石标准物质，沿其长轴垂直于锆石剖面方向进行单点分析，得到Qinghu和MUN-zircon锆石的δ30Si值为-0.52 ± 0.20‰（2SD, n = 37），-2,10 ± 0.64‰（2SD, n = 49），与前人已发表的溶液数据在误差范围内保持一致。然而，MUN-zircon在单颗粒锆石内部及不同锆石颗粒之间的Si同位素不均一。对于Jilin、Temora-2、GHR1和LKZ-1锆石的δ30Si值为-0.55 ± 0.17‰（2SD, n = 45），-0.54 ± 0.21‰（2SD, n = 50），-0.64 ± 0.28‰（2SD, n = 38）和-0.70 ± 0.22‰（2SD, n = 40）。
在岩浆分异过程中，锆石的微量元素含量或比值（如Hf、Zr/Hf和δEu）及同位素变化（如锆同位素）可作为示踪复杂结晶过程的有效指标。本研究中，除MUN-zircon（合成锆石）与Plešovice（变质锆石）外，其余锆石均为岩浆成因。δ30Si值与Zr/Hf、Eu/Eu*值呈正相关关系，表明早期分异的熔体具有更重的δ30Si值（图6）。对Qinghu、MUN-zircon、Jilin、Temora-2、GHR1和LKZ-1锆石标准物质进行连续剖面分析，结果表明在单颗粒尺度上存在系统的δ30Si变化，这表明Si同位素在示踪岩浆分异过程中具有广泛应用潜力。
图6 δ30Si值与岩浆分异指标的关系
该研究得到了国家自然科学基金（42203009，42121002，91755207，41872060）、青藏高原二次科考项目（2019QZKK0702）和111项目（B18048）联合资助，发表于分析化学领域国际知名期刊《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》上。
论文信息：Ze-Pei Yuan (苑泽培), Jin-Cheng Xie* (谢锦程), Di-Cheng Zhu (朱弟成), Qing Wang (王青), Liang-Liang Zhang (张亮亮), Li-Juan Xu (徐丽娟), Xin-Yu Liang (梁新宇), Xia Qia (戚夏). Determination of silicon isotopic composition of zircon reference materials by ns-LA-MC-ICP-MS, Journal of Analytical Atomic Spectrometry 41, 1449-1460.