146Sm 通过α 衰变成142Nd,其半衰期(68Ma)与地球、月球、以及其他行星的壳-幔分异时间近似在同一尺度上,因此,146Sm-142Nd 体系是研究地球早期演化、月球等行星壳-幔分异的最有效手段之一。然而,142Nd/144Nd比在不同化学群陨石、地球样品、月岩、以及火星岩石之间的差异很小(<40ppm),测定由146Sm衰变造成的142Nd/144Nd变化对分离和测试技术有极高的要求。它们主要表现在:1、Ce-Nd和Sm-Nd必须完全分离;2、142Nd/144Nd测定准确度必须优于10 ppm。
目前,新一代高精度热电离质谱仪Triton是进行该项工作的首要选择,已报道的所有142Nd/144Nd相关数据几乎都由Triton测定,测定精度一般可优于6 ppm。然而,进行质谱测定前,样品纯度要求极高,特别是Ce-Nd分离要求极为苛刻,一般140Ce/144Nd需小于0.00002,前人的分离方案一般采用液-液微萃技术结合多步离子交换技术完成,其中关键的除Ce步骤是采用HDHEP液-液微萃技术完成,液-液微萃技术操作繁琐、有机物残留高、通常需要反复6次(3次微萃+3次清洗)才能获得满意的结果。此外,为消除溴酸钠氧化剂中Na盐干扰,还需采用专门的阳离子柱分离Na,这些繁琐的操作直接导致了低的Nd回收率(60~70%),对于高精度142Nd/144Nd测定极为不利。
中科院地质地球所固体同位素实验室李潮峰高级工程师及其合作者经过大量实验研究,发现HEHEHP树脂对Ce+4具有优秀的吸附性能,特别是采用固相微萃串联技术可快速完成Ce-Nd分离,分离后样品的140Ce/144Nd小于0.00001。此外,HEHEHP树脂还可以一步从Na和REEs混合物中分离出高纯Nd,简化了传统的两次过柱除Na和分离Sm-Nd的方案。为验证分离技术的可靠性,他们研究分析了基体组成变化较大的一系列岩石标样,均获得了好的分离效果,所有岩石标样的142Nd/144Nd测定精度均优于5ppm。
图1 传统分离技术与本技术方案类比
以上研究成果近期发表在国际知名质谱分析期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry(Li et al. Ce–Nd separation by solid-phase micro-extraction and its application to high-precision 142Nd/144Nd measurements using TIMS in geological materials. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2015, 30: 895-902)。
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