一种硅酸盐氧同位素测试系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及元素同位素分析领域，公开了一种硅酸盐氧同位素测试系统和方法。该方法包括：(1)将硅酸盐样品、CoF3和石墨碳混合研磨，压制成薄片，并将薄片置于所述容器内进行封装；(2)将封装有薄片的容器放入自动进样器的样品孔中，将所述自动进样器扣合；(3)用氦气吹扫陶瓷反应管，将封装有薄片的容器经自动进样器导入陶瓷反应管进行反应；(4)将生成的气体经载气导入富集装置进行富集，再利用气相色谱柱从富集的含有CO的混合气中分离出CO，然后经过微体积转化进样装置进样，导入同位素质谱仪进行测试。本发明专利技术的技术方案可以实现对硅酸盐氧同位素高分辨率、高精度的测定。高精度的测定。高精度的测定。

【技术实现步骤摘要】
一种硅酸盐氧同位素测试系统和方法


[0001]本专利技术涉及元素同位素分析领域，具体涉及一种硅酸盐氧同位素测试系统和方法。

技术介绍

[0002]氧元素是地壳中含量最高的元素，是岩石和矿物主要组成成分。氧同位素是判断成岩成矿物质来源、运移过程、成矿环境以及成因的主要手段之一，氧同位素组成已成为地球科学研究的强有力工具。随着能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术和高分辨率的微区原位测试技术的发展和广泛应用，研究颗粒锆石等副矿物微区的化学成分、年龄、同位素组成及其地质应用等已成为国际地质学界研究的热点。锆石作为一种硅酸盐矿物，其化学成分、Hf和O同位素组成广泛应用于岩石成因、壳幔相互作用、区域地壳演化的研究等，对地球上古老锆石的化学成分和同位素的研究是追朔地球早期历史的有效工具。近年来对锆石氧同位素的分析研究越来越广泛。
[0003]目前，硅酸盐氧同位素组成分析方法主要有五氟化溴法、激光探针法和离子探针法(SIMS)。传统的五氟化溴法是将试样与五氟化溴进行氟化反应释放出O2，将O2引入石墨反应炉内生成CO2气体后导入同位素质谱仪进行氧同位素分析。此方法所需样品量一般为5mg，操作繁琐且五氟化溴试剂毒性大对其实验操作要求极为严格，实验效率低下且该方法不适用于高温难熔硅酸盐矿物如锆石等。
[0004]激光探针法依据激光器类型可分为红外激光法与紫外激光法，其原理均为借助于激光能量高提供高温方式，将样品池内样品与五氟化溴试剂反应，直接收集生成的O2或转化为CO2气体进行质谱分析。此方法所需样品量一般为3mg左右，由于样品池内装有多个样品，极易引起样品之间的相互污染及分馏，造成实验数据精度降低。
[0005]离子探针法是用碱金属Cs
+
离子源产生的一次离子轰击样品靶激发出二次离子(
16
O
‑
、
18
O
‑
)，通过接收器系统对二次离子进行接收测量，完成氧同位素组成分析。此方法精度较低(一般为
±
0.5
‰
)，且具有基体效应，主要应用在锆石、石榴子石氧同位素的研究，应用并不广泛。
[0006]氧同位素研究随着分析技术的发展而逐渐深入。早期人们主要是对全岩以及主要造岩矿物进行氧同位素研究，采用的是常规BrF5法对全岩或主要造岩矿物的粉末进行氧同位素测定。然而，不同造岩矿物间受后期热液等作用的影响程度不同，全岩氧同位素在很多情况下难以反映岩浆的真实氧同位素组成。随着锆石U
‑
Pb定年技术的发展，人们发现作为副矿物的锆石存在于绝大多数岩石中。研究表明锆石中氧同位素的封闭温度极高，相对于其他造岩矿物其氧同位素扩散速率极低，在麻粒岩相和亚固相热液条件下能保存其原始氧同位素组成，因此锆石可以作为氧同位素研究的理想对象。传统的氧同位素分析在分析石榴石、锆石等难熔矿物时需较高温度和较长时间的熔样，从而容易引起高温下的同位素分馏，影响了测定结果的准确性，近些年发展起来的激光探针氧同位素技术有效地解决了这一难题，但是由于样品集中封装在一个样品池内，极易引起样品之间的相互污染。锆石阴极
发光照相显示，在很多情况下，锆石具有核边结构，核部和核边部具有不同的成因，而激光探针BrF5法采用的是全熔技术，不能有效分开不同的部位。而最新的离子探针分析技术可以实现矿物不同部位的微区原位氧同位素分析，但由于仪器市场占有率低，价格昂贵，应用并不广泛。
[0007]目前，石英中氧同位素的气体同位素质谱分析方法主要为采用五氟化溴或者氟气高毒强氧化性试剂与石英反应，生成O2或者转化为CO2气体进行气体同位素质谱测试。这种前处理方法不仅需要的样品量较大(一般需要3mg以上)，而且由于是在真空系统进行样品的纯化收集，对操作者要求较高且操作繁琐。随着连续流技术的出现，产生了高温裂解元素分析仪(TC/EA)与气体同位素质谱仪(IRMS)联用技术，该方法基于“高温裂解还原”原理，在元素分析仪内通过样品的裂解以及与填料管内的玻璃碳反应，将一些含氧物质(主要为含氧有机物、水、硫酸盐物质、硝酸盐物质)转化为CO气体，由载气携带CO气体导入到气体同位素质谱仪内进行氧同位素测试。该方法虽然可以克服传统方法的不足，简化了复杂的前处理过程，大大降低了人为造成的实验误差，具有快速、高效、便捷的优点；但对于石英氧转化产率极低，导致同位素分馏，限制了其应用。
[0008]通过添加KF或者PTFE，石英氧的转化率达到了80％，仍不能完全反应转化为CO，导致了氧同位素的分馏，其测试的石英标物NBS28，其校正值(10.23
‰
)与给定值(9.58
‰
)相差高达0.65
‰
。
[0009]在确保数据精度的前提下，对于微量级别的硅酸盐矿物氧同位素分析鲜有记录，急需开发一种利用气体同位素质谱进行微量级别高分辨率高精度硅酸盐氧同位素分析的方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种硅酸盐氧同位素测试系统和方法，以实现对硅酸盐氧进行微量级别高分辨率高精度测定。
[0011]本专利技术的专利技术人曾申请过题为“在线分析流体包裹体水中氢同位素的方法”(中国专利申请号201711175677.9)以及“元素同位素的分析系统和微量硫酸盐样品中硫同位素的分析方法及其应用”(中国专利申请号202010237768.6)的专利申请，但这些系统和方法并不适用于对硅酸盐氧同位素进行高分辨率高精度测定，这是因为这两个专利申请均采用“闪燃”原理，即包裹在锡杯内的样品在注氧条件下进入反应管，锡和氧气反应放出大量的热保证样品反应所需要的高温，保证了包裹体水中氢完全转化为氢气及硫酸盐样品中的硫完全转化为二氧化硫气体进行测试。而本专利技术重点在于测定硅酸盐氧同位素，首先在进样过程中不能利用闪燃原理注入氧气，这显然与上述专利申请有显著差异。由于氧气在空气中占有极大比例，在系统结构上，常规的自动进样器由于密封性差，无法将空气中的氧气吹扫干净，若有氧气带入则会直接影响硅酸盐氧同位素的测定，给数据带来颠覆性的误差。此外，对于上述专利申请中H、S至少需要几个毫克，上述专利申请所需样品量下限若再降低一个数量级则无法达到，即无法实现氧同位素高分辨率高精度的测定。
[0012]为了实现对硅酸盐氧进行微量级别高分辨率高精度测定，本专利技术提供了一种硅酸盐氧同位素测试系统，该系统包括依次连接的元素分析仪、富集装置、气相色谱柱、微体积转化进样装置和同位素质谱仪(也即气体同位素质谱仪，双路进样)，其中，所述元素分析仪
包括自动进样器和陶瓷反应管，所述自动进样器在扣合状态下内部是密闭的，所述自动进样器内部设置有若干个样品孔，所述样品孔用于容纳封装有待分析样品的容器，所述封装有待分析样品的容器由所述自动进样器引入所述陶瓷反应管中，其中，所述容器为银杯或锡杯；
[0013]所述微体积转化进样装置包括连通所述气相色谱柱的气体收集环、锥形罩、第一热导性连接管和第二热导性连接管，其中，所述第一热导性连接管内设置有热导性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅酸盐氧同位素测试系统，其特征在于，该系统包括依次连接的元素分析仪、富集装置、气相色谱柱、微体积转化进样装置和同位素质谱仪，其中，所述元素分析仪包括自动进样器和陶瓷反应管，所述自动进样器在扣合状态下内部是密闭的，所述自动进样器内部设置有若干个样品孔，所述样品孔用于容纳封装有待分析样品的容器，所述封装有待分析样品的容器由所述自动进样器引入所述陶瓷反应管中，其中，所述容器为银杯或锡杯；所述微体积转化进样装置包括连通所述气相色谱柱的气体收集环(11)、锥形罩(12)、第一热导性连接管(13)和第二热导性连接管(15)，其中，所述第一热导性连接管(13)内设置有热导性毛细管路，所述第二热导性连接管(15)内设置有螺旋状热导性毛细管(14)，所述第一热导性连接管(13)内的热导性毛细管路的一端与所述气体收集环(11)中的管路连通，另一端与所述螺旋状热导性毛细管(14)连通，所述螺旋状热导性毛细管(14)与所述同位素质谱仪的进样口连通，所述锥形罩(12)环绕所述第一热导性连接管(13)的进气端设置，并且所述锥形罩(12)内设置有浸入式加热器元件，所述第二热导性连接管(15)内设置有加热元件。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述元素分析仪中，所述自动进样器包括上盖、样品盘、卡扣和用于连通所述陶瓷反应管的通道，所述样品孔设置于所述样品盘内，所述卡扣设置在所述样品盘的外周，通过扣合所述卡扣能够使所述上盖与所述样品盘密封锁住。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在所述陶瓷反应管内，最低端为打底层，所述打底层上面放置玻璃管，所述玻璃管上方放置陶瓷坩埚，其中，所述打底层从下到上依次填充有银丝、石英棉和玻璃碳颗粒，所述玻璃管内从下到上依次填充有银丝和玻璃碳颗粒。4.一种硅酸盐氧同位素测试方法，其特征在于，该方法在权利要求1
‑
3中任意一项所述的系统中实施，该方法包括：(1)硅酸盐样品、CoF3和石墨碳混合研磨，压制成薄片，并将薄片置于所述容器内进行封装；(2)将封装有薄片的容器放入自动进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪伟，冯连君，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：