水是地球演化的重要介質。名義上無水礦物中的水含量對巖石礦物的物理化學性質有深刻影響，是重要的地球化學指標，氧同位素對礦物本身以及水的來源也具有重要指示意義。這兩個指標的同時測試，不僅能拓展儀器功能，使大型二次離子質譜（SIMS）儀器的使用效率提升一倍，還可避免因地質樣品中廣泛存在的不均勻性而導致的數據解耦，保證實驗數據正確的科學解釋。
SIMS雖被廣泛應用於名義上無水礦物的水含量分析，但此前僅限於CAMECA IMS 3-7f系列、NanoSIMS等小型儀器，因為水在真空中極難去除，只有極高的真空才能將水的背景值降低到10ppm以下。這類儀器腔體小，較易獲得高真空，但無法獲得高精度氧同位素信息。大型SIMS具有同時測量礦物水含量和氧同位素的能力，但腔體大，真空度難以跟小型SIMS相比。國際上以往利用大型高精度SIMS測試水含量的背景值高達40ppm，難以滿足低水含量樣品測試要求。
鋯石是地球科學研究中應用最廣泛的一種名義上無水礦物，可以進行U-Pb定年、Li-O-Hf同位素體系和Ti溫度計等研究，並已形成專門的學科——鋯石學。已有研究表明，結晶鋯石中含有一定量的水，其水含量的多少對地球動力學過程研究有重要意義。鋯石水含量的SIMS測試面臨著儀器背景值高、鋯石水含量標準物質缺乏等難題。若要成功實現同時測試鋯石中水含量和氧同位素，標準樣品的開發與降低儀器背景值兩個方面缺一不可。
針對以上問題，中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室研究員夏小平團隊與中國科學技術大學、南京大學合作，利用CAMECA IMS 1280-HR型二次離子質譜儀開展研究。經過大量的對比研究和條件實驗，該研究找到一種熔點在90-110℃、Brinell硬度約為20的不釋氣錫鉍合金，以取代在高真空環境中會釋氣破壞真空的環氧樹脂制靶。得到的合金靶可以跟樹脂靶一樣打磨拋光，克服了銦靶等其他金屬靶需要事先打磨拋光樣品的缺陷，使小顆粒樣品制樣成為可能。該方法得到的樣品靶面平整度可與傳統的環氧樹脂靶相媲美，保證了氧同位素的分析精度。該研究還自主研製了一套適用於SIMS樣品室冷卻系統的液氮自動加注裝置，克服了儀器本身需要頻繁加注液氮（約4小時一次）的不足，使儀器樣品分析室可長期穩定地保持2×10-9 torr以下的高真空，從而在國際上首次將大型高精度SIMS測量水含量的背景值降到了10ppm以下。在此基礎上，該研究將20顆寶石級的鋯石顆粒，包含一些經常使用的U-Pb定年以及氧同位素測試標樣，在中國科大地球與空間科學學院進行FTIR測試，驗證其水含量的均一性，最終成功挑選出8顆水含量均一鋯石碎片進行下一步的SIMS測試。
紅外光譜測試結果顯示，分析的鋯石碎片只遭受了低程度的放射性破壞，均為非退變質鋯石，水含量較為均一。經過多次重複SIMS測試，鋯石顆粒16O1H/16O比值大部分的內部精度好於0.3‰，且外部精度好於5%（2SD），具有較高的精度以及重現性，部分內部精度交差的分析點呈現出離群特性，可能是樣品內部的微小的富水包體影響所致。得到的鋯石樣品的氧同位素數據與常規的二次離子質譜測試氧同位素具有基本相當的分析精度，其內外精度均好於0.4‰（2SD）。FTIR測試得到的水含量與SIMS測試的16O1H/16O比值線性擬合建立了二次離子質譜測試鋯石水含量的校正曲線，得到的擬合相關係數R2=0.996，顯示兩者之間具有極好的線性關係。
相關成果以「封面文章」形式發表於Journal of Analytical atomic spectrometry上，審稿人認為這是目前最好的名義上無水礦物水含量數據。該研究提出的方法還獲授權國際發明專利一項「一種基於大型二次離子質譜對鋯石中水含量和氧同位素進行同時分析的方法」（專利號201711103811.4）。
實驗中用到的寶石級鋯石樣品
鋯石紅外光譜圖
SIMS測試鋯石水含量的校正曲線
SIMS測試結果16O1H/16O
期刊封面
[ 責編：戰釗 ]