水是人们再熟悉不过的物质了，它不仅以看得见摸得着的形式流动在天地间，也以肉眼无法察觉的状态赋存于岩石和矿物中。无论以何种形式存在，水都对行星的演化具有至关重要的作用。矿物中的水含量随矿物种类的不同而变化迥异，依据矿物中的水含量和赋存形式，可区分出含水矿物和名义无水矿物。相较而言，名义无水矿物（nominally anhydrous minerals, NAMs）是指分子化学式中不含氢元素的矿物，如橄榄石、辉石、石英、长石、石榴子石等，但它们的晶体结构缺陷中通常可以含有微量的氢（几个至数千个ppm，通常以羟基水的形式表征）。水在NAMs中的含量变化和空间分布受控于岩石样品所经历的地质过程，如岩浆分异、去气、地幔交代作用，乃至小行星上的陨石撞击和太阳风注入过程。因此，NAMs的水含量经常作为一个重要的地球化学参数，被广泛地应用在地质过程和行星演化的研究之中。
橄榄石是行星地幔中最丰富和最基本的矿物成分，许多研究聚焦于橄榄石的水含量及分布特征开展分析。由于橄榄石的水含量极低，且多发育成分环带（典型宽度为5～20 μm），因此精准测定橄榄石中的水含量及分布特征需要具有低测试本底和高空间分辨的原位分析方法。凭借着原位、微区和无损的优势，二次离子质谱（secondary ion mass spectrometry，SIMS）逐渐成为NAMs水含量分析的常用分析方法。在SIMS的高真空（10-9～10-10 torr）环境下，一次离子束（Cs+）轰击样品表面会溅射出含氢的二次离子，不同质荷比的二次离子经过质谱系统发生分离，接着由接收器进行测定。对于SIMS的水含量分析而言，测试本底受一次离子束强度和真空度的影响，离子束强度越高、真空越好，则本底越低；空间分辨主要取决于一次离子束的束斑大小，一次束流强度越低，则束斑越小、空间分辨越高。截至目前，即使对于以空间分辨极高而著称的纳米离子探针（NanoSIMS），当满足低本底（H2O<10ppm）条件时，空间分辨也只能做到10～20 μm。由此可见，同时获得低本底和高空间分辨具有极大的挑战性。
近日，中国科学院地质与地球物理研究所的李瑞瑛工程师、郝佳龙高级工程师和杨蔚研究员联合中国科学院广州地球化学研究所的夏小平正高级工程师和张万峰工程师，采用CAMECA NanoSIMS 50L建立了低本底和高空间分辨的橄榄石水含量分析方法，相比以往方法将空间分辨提高了约2倍。
为确保低的测试本底，他们在中科院仪器功能开发项目的支持下对Nano SIMS的真空系统进行改造，升级了Airlock冷阱、分析腔冷阱、吸附泵及残气分析（图1），将分析腔的真空环境维持在（1～2）×10-10 torr。在仪器硬件升级的前提下，优化了Nano SIMS的一次离子束条件和分析参数，经过一系列的条件测试，最终采用2nA的Cs+离子束和4×4 μm2的分析光栅面积作为优选分析条件；将San Carlos橄榄石（H2O = 1.42 ppm）作为空白样品监测本底，测试了橄榄石标准样品KLB-1（H2O=11.2 ppm）、ICH-30（H2O=28.9 ppm）和Mongok（H2O=70.6 ppm）的水含量。结果显示，该方法的测试本底为6±2 ppm，空间分辨为6 μm，是当前低本底（<10 ppm）水含量原位分析方法中空间分辨最优者（图2）。另外，长期测试结果表明该方法的分析重现性优于13%，重现性良好。
图1 纳米离子探针仪器主体及升级的真空系统（暗红色标注）
图2 二次离子质谱仪水含量分析方法的本底和空间分辨对比图
整体而言，该方法的空间分辨比以往的研究报告提高了约2倍，有利于橄榄石微细目标的水含量和分布特征分析，并可借鉴于其他名义无水矿物的水含量分析中。目前，这一方法已应用于嫦娥五号月壤样品中橄榄石的水含量和分布特征分析，对这些珍贵样品的进一步分析将推动月球演化规律的研究。
研究成果发表于国际学术期刊Atomic Spectroscopy（李瑞瑛, 郝佳龙*, 胡森, 张万峰, 夏小平, 林杨挺, 杨蔚*. High-Spatial-Resolution Measurement of Water Content in Olivine Using NanoSIMS 50L[J]. Atomic Spectroscopy, 2022, DOI:10.46770/AS.2022.005）。研究受中国科学院战略性先导研究计划项目，国家重点研发计划项目，中国科学院重点科研计划项目，中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目和国家航天局民用航天技术预研项目资助。
