成果简介
曾显丽、曹珺、张文【AC2026】激光微区高空间分辨率（10微米）铁同位素分析技术研究：应用于嫦娥六号月壤中铁同位素组成测量
26-07-06 16:54 发布者： 浏览次数：次
铁同位素是认识地球和行星物质演化的重要示踪工具，已经被应用于岩浆演化、挥发损失、撞击改造、空间风化等过程研究。在分析手段上，相较于传统的全岩整体分析，激光微区分析在揭示矿物颗粒微米尺度的铁同位素组成细节方面具有不可替代的优势。
然而，面对极微小的矿物颗粒时，传统LA-MC-ICP-MS技术的空间分辨率（束斑通常为30-60微米）往往难以满足实际分析需求。这一技术瓶颈在嫦娥探月工程返还的月壤样品研究中尤为突出——此类样品不仅极其珍贵、数量稀少，更具备颗粒细小、矿物相高度复杂的特点。为攻克这一难题，本研究致力于在保证高精度分析数据质量的前提下，大幅降低激光微区Fe同位素分析的激光束斑，成功将空间分辨率提升至10微米级别，为嫦娥六号月壤及未来行星样品中铁同位素组成的精细测量提供了全新的技术支撑。
一、方法建立
LA-MC-ICP-MS具有原位、高灵敏度和高空间分辨率的优势，是开展微区原位铁同位素分析的重要手段。然而传统LA-MC-ICP-MS铁同位素分析面临一个核心瓶颈：氩等离子体中形成的40Ar14N+、40Ar16O+和40Ar16OH+会分别干扰54Fe、56Fe和57Fe的准确测量。传统方法通常需要在高质量分辨模式下采集铁同位素信号。高分辨模式虽然能够在峰肩位置避开干扰，但会显著牺牲离子传输效率，损失灵敏度。因此，已有原位铁同位素方法多依赖较大的束斑或线扫描方式，难以解析微小月壤颗粒内部的同位素变化。
针对这一难题，中国地质大学（武汉）胡兆初、汪在聪团队联合广州海洋地质调查局曹珺团队，由曾显丽、张文开展技术攻关，在国际上首次建立了飞秒激光剥蚀-碰撞/反应池MC-ICP-MS (fs-LA-CRC-MC-ICP-MS)高空间分辨原位铁同位素分析方法。目前，该方法已成功应用于嫦娥六号返回月壤样品的研究中（图1）。
图1 fs-LA-CRC-MC-ICP-MS 高空间分辨铁同位素分析概念图
该方法的核心在于将飞秒激光剥蚀与碰撞/反应池MC-ICP-MS巧妙结合。研究团队在碰撞/反应池中引入H2-He混合气体，以有效抑制氩基多原子离子的干扰。其中，He作为碰撞气体，H2作为反应气体，能够精准消除40Ar14N+、40Ar16O+和40Ar16OH+对铁同位素测试的干扰（图2）。这一突破使得铁同位素得以在低质量分辨模式下进行准确测量，不仅显著提高了离子传输效率，更大幅提升了测试灵敏度。以8 μm束斑为例，铁同位素标准物质IRMM-014的56Fe信号强度由高质量分辨模式下的1.16 V跃升至低质量分辨模式下的14.13 V，灵敏度提高了约一个数量级。此外，研究团队进一步对比了257 nm紫外飞秒激光与1028 nm近红外飞秒激光的剥蚀效果。结果表明，在相同束斑条件下，1028 nm激光能显著增强多种含铁矿物及玻璃样品的56Fe信号，尤其适用于低铁含量的硅酸盐玻璃和橄榄石分析。
图2 H2-He 碰撞/反应池抑制氩基干扰并提升低质量分辨模式下的铁信号
通过碰撞/反应池技术、低质量分辨采集和1028 nm飞秒激光剥蚀的协同优化，方法整体铁同位素灵敏度相较传统LA-MC-ICP-MS提高超过50倍，为微米尺度分析奠定了基础。在磁铁矿、钛铁矿、黄铁矿、黄铜矿、玄武质玻璃和橄榄石等六类样品中，研究实现了在8-15 μm束斑、单点剥蚀条件下的铁同位素分析。与传统微区铁同位素分析相比，有效分析面积的空间分辨能力提高了1-2个数量级（图3）。在六类含铁样品中，测得的δ56Fe值与推荐值一致，外部重现性为0.09-0.15‰ (2SD)。表明该方法在高空间分辨率条件下能获得可靠的铁同位素数据。
图3 不同参考物质中高空间分辨铁同位素分析结果与已有方法对比
二、嫦娥六号月壤应用
为验证方法在珍贵地外样品中的应用能力，研究团队对嫦娥六号月壤中的撞击玻璃、钛铁矿和橄榄石进行了原位铁同位素分析。撞击玻璃是月壤中常见的重要组分，可能记录撞击熔融、蒸发和快速冷却过程。研究发现，部分撞击玻璃颗粒虽然主量元素组成较为均一，但δ56Fe在几十到数百微米尺度上存在明显变化（图4）。在钛铁矿颗粒中，研究同样观察到显著的颗粒内部铁同位素非均一性。其中一个钛铁矿颗粒在约40 μm尺度上δ56Fe从-0.32‰ 变化到-0.96‰；另一个颗粒则表现出从 0.11‰ 到 0.54‰的变化趋势。相比之下，所分析的橄榄石颗粒显示较为均一的铁同位素组成。
这些结果说明，嫦娥六号月壤中保存了复杂的微尺度同位素信息。不同矿物、不同颗粒甚至同一颗粒内部的铁同位素差异，可能共同记录了岩浆结晶、快速冷却、挥发损失、撞击蒸发和月表改造等多种过程。
图4 嫦娥六号撞击玻中的微尺度铁同位素变化
三、研究亮点
（1）利用碰撞池技术，实现低分辨率下铁同位素分析；验证了1028 nm红外波段飞秒激光的测量可行性，打破了对紫外波长的依赖，突破波长限制。该技术具备更高能量优势，为未来系统波长选择与配置提供了关键依据。
（2）降低激光剥蚀面积1-2个数量级，国际首次实现8-15 μm的原位铁同位素分析，刷新空间分辨率极限。这一突破解决了微小矿物颗粒分析难题，为嫦娥六号及未来行星样品的微区地球化学研究提供了强有力的技术支撑。
研究成果近期发表于NI期刊《Analytical Chemistry》，受国家重点研发计划（2024YFF0808200）、湖北省自然科学基金计划项目（2025AFA005、2025AFD438）、湖北地质分析测试中心开放课题（HBREGKFJJ-202407）等项目联合资助。
文章信息：
High Spatial Resolution In Situ Fe Isotope Analysis by Laser Ablation Collision/Reaction Cell MC-ICP-MS: Application to Chang'e-6 Lunar Samples. Xianli Zeng, Jun Cao*, Qi He, Zaicong Wang, Yiheng Li, Jiaqi Zheng, Lanping Feng, Zhifang Hu, Zhaochu Hu, Tao Luo, Zhenyan Liu, and Wen Zhang*. Analytical Chemistry 2026, 98, 18488−18501. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c00650
