二次离子质谱法

一、内容概述

离子探针（Ion Microprobe）全称为二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）。离子探针技术问世于20世纪60年代，70年代后开始应用于地球科学，在阿波罗登月和太空研究计划的基础研究中发挥了非常重要的作用。经过40多年的努力，离子探针技术得到日趋完善。目前，大型离子探针能够分析元素周期表中除稀有气体以外几乎全部元素及其同位素。最新一代仪器在原有的仪器性能基础上，针对非传统稳定同位素组成的特点和快速发展需求，在离子传输系统和磁场控制等方面进行了显著的改进和提高，大幅度提高了传输效率和仪器灵敏度。迄今为止，全球已经有数十个实验室装备了17台SHRIMP 系列离子探针、23台 Cameca-IMS 1270/1280/1280HR大型离子探针和31 台Cameca NanoSIMS，涉及的研究领域包括地球早期历史与古老大陆演化、造山带构造演化、岩石圈演化与地球深部动力学、天体化学与比较行星学、全球变化与环境、超大型矿床形成机制等。

Cameca IMS-1280（HR）离子探针是国际新型的大型二次离子质谱仪。装备有氧和铯2个一次离子源，具有先进的离子透镜系统，高离子传输效率；采用大半径磁场与静电场分析器实现二次离子的双聚焦，分辨率最高达40000。配备有5个检测器系统（法拉第杯或电子倍增器）和1个CCD。

Cameca NanoSIMS 50L型纳米离子探针把原来的一次离子倾斜入射改成垂直入射，并使一次离子流和二次离子流共同使用一套共轴透镜系统。一次离子流垂直入射可达到缩小束斑直径，最小达到50nm水平，独特的接收器系统，可同时分析7种元素或同位素。同时测量的最大元素与最小元素的质量比可达到22，即Mmax/Mmin＝22。高空间分辨功能可用于生物样品和地外样品的元素/同位素分布图像研究。

二、应用范围及应用实例

（一）离子探针U-Pb体系精确定年

离子探针U-Pb定年可以应用于多种副矿物，测量U-Pb年龄需要相应的矿物标准。采用Cameca IMS-1280的大半径磁性多接收系统和样品表面吹氧技术，可实现对显生宙样品²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁶ Pb的分析精度＜0.2%或更好，这样不需要U-Pb年龄标准，就将SIMS法测量样品Pb/Pb 年龄的应用极限从前寒武纪推进到了中生代。样品表面吹氧技术降低了斜锆石的“光轴效应”，可以测量斜锆石的U-Pb年龄（图1）。

应用Cameca IMS-1280型离子探针特有的一次离子束高斯照明模式，代替常规离子探针定年中使用的平行光照明模式，获得了5 μm直径的锆石U-Pb高精度定年结果（图2），实现了国际离子探针高精度高空间分辨微区原位定年技术的突破。

图1 中生代斜锆石样品的Pb-Pb和U-Pb年龄高精度测试

图2 低于5μm尺度高精度锆石U-Pb定年

（二）纳米离子探针太阳系外物质的发现

太阳系外物质是非常微小的，只有陨石在宇宙中穿行时可能吸附极其微量的样品。纳米离子探针可以分析极其微小物质的元素和同位素组成（图3）。通过对比研究，可以识别出微量太阳系外物质的存在。

（三）IMS-1280HR法锆石精确定年

该法可以直接测量²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁶ Pb同位素比值，不需要U-Pb年龄标准。SIMS法通常情况下可以用来研究锆石和其他老于1.0 Ga的富铀矿床的Pb/Pb 年龄，但因为分析精度的限制，很难用于相对年轻的样品（＜1.0 Ga，尤其是显生宙）。IMS-1280HR的大半径磁性多接收系统，核磁共振磁体控制器和氧源注氧技术实现了显生宙锆石²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁶ Pb的分析精度＜0.2%或更好（图4）。

（四）IMS-1280HR法分析稳定同位素Mg和C

微米级高精密镁（Mg）同位素分析在研究有关太阳系早期事件的时间方面可以提

图3 微区C/N同位素识别出太阳系外物质

图4 Qinghu锆石的U-Pb SIMS分析谱图

图5 镁橄榄石中的同位素分析

（δ²⁵Mg和δ²⁶Mg比值，重现性为0.2～0.3（1δ），MRP（50%）：5000～8300）

供大量有用的信息。IMS-1280HR多接收模式下对镁及其稳定同位素的质量分辨能力（MRP）＞5000（图5）。

三、资料来源

Bowman J R，Moser D E，Valley J W et al.2011.Zircon U⁃Pb isotope，δ¹⁸ O and trace element response to 80 m.y.of high temperature metamorphism in the lower crust；sluggish diffusion and new records of Archean craton formation.American Journal of Science.in Press

http://www.cameca.com/instruments⁃for⁃research/ims1280.aspx

Li Q L，Li X H，Liu Y et al.2010.Precise U⁃Pb and Pb⁃Pb dating of Phanerozoic baddeleyite by SIMS with oxygen flooding technique.J.Anal.At.Spectrom.，25，1107～1113

Li X H，Liu Y，Li Q L et al.2009.Precise determination of Phanerozoic zircon Pb/Pb age by multi⁃collector SIMS without external standardization.Geochem.Geophys.Geosyst.，10，Q04010，doi：10.1029/2009 GC002400

Lin Y，Amari S，Pravdivtseva O.2002.Presolar grains from the Qingzhen（EH3）meteorite.Astrophysical Journal，575：257～263

Liu Y，Li X H，Li Q L et al.2011.U⁃Pb zircon dating at a scale of ＜5 micron by the CAMECA 1280 SIMS using a Gaussian illumination probe（2011）.Anal.At.Spectrom.，26：845

Villeneuve J，Chaussidon M，Libourel G.2009.Homogeneous Distribution of ²⁶ Al in the Solar System from the Mg Isotopic Composition of Chondrules.Science，325：985～988

SIMS全称二次离子质谱（SecondIonMassSpectroscopy）是一种前沿的表面分析技术，原理通过利用一次离子束不断地轰击靶材，使靶材表面的原子层出现溅射，溅射出正离子(团)，负离子(团)，中性粒子和光(电)子等，通过收集特定荷质比的带电粒子得到我们想要分析的表面元素信息；其超高的灵敏度，对某些元素的检测极限能够达到PPB的数量级。
不同类型的 SIMS 一次离子枪在构造上，最终的目的都是为了得到稳定可控的离子束流，根据二次质谱分析器的不同，通常可以分为三类，分别是磁质谱分析器，四极杆质谱分析器和飞行时间质谱分析器。希望可以解答你的问题！