同位素双稀释剂技术的数值模拟与应用

近年来,非传统稳定同位素地球化学已成为新兴发展的研究领域,同位素双稀释剂技术是该领域的主流分析方法之一,但始终存在的困扰问题是如何进行同位素双稀释剂间以及稀释剂与样品间的最优混合。这两种混合比严重制约着同位素比值测试的准确度、精度和重现性。本文从同位素双稀释剂技术的数学原理出发,以Cr、Mo同位素为例,结合MonteCarlo误差模型,深入讨论和分析了两单稀释剂间比值(λ)及双稀释剂与自然样品间比值(p)的最优化数值模拟,得到了以双稀释剂~50(Cr)-~54(Cr)、~97(Mo)-^(100)Mo为例的λ、p值的最优取值范围。该数值模拟可适用于所有能够利用同位素双稀释剂技术的元素。在此基础上,就数值模拟结果如何应用于同位素双稀释剂的选择和组成标定也给予了详细说明,这为我国开展和使用同位素双稀释剂技术提供了基本思路和需要注意的关键问题,有助于推动同位素双稀释剂技术在我国地学界的广泛应用和发展。

同位素双稀释剂法的原理与应用Ⅰ:原理部分

随着MC-ICP-MS的推广使用,同位素双稀释剂法在国际上已被广泛用于非传统稳定同位素领域中低浓度元素同位素组成的高精度分析,其可有效校正化学纯化和质谱测定过程中的同位素质量分馏,但该方法在国内还未得到全面应用。制约该方法使用的关键在于难以掌握两单稀释剂间(λ)以及双稀释剂与样品之间(p)的最优配比值。本文以Siebert等(2001)的几何迭代算法为例,详细说明了双稀释剂法的计算流程,提出了定性和定量双稀释剂的选择原则,并以硒同位素为例,说明了两单稀释剂间和双稀释剂与样品间最佳配比值的优化步骤,最后简要说明了双稀释剂组成的标定方法、双稀释剂法的优缺点,以及可用于同位素非质量分馏研究的发展趋势。

同位素双稀释剂法的原理与应用Ⅱ:应用部分

为了使国内研究人员更为深入的了解双稀释剂法的原理和应用,本文以^(74)Se+^(77)Se双稀释剂为例,详细介绍了双稀释剂法在应用过程中所涉及的双稀释剂配比优化、标定及高精度数据获取的方法和流程。并分别通过蒙特-卡洛数值优化方法和实测数据对^(74)Se+^(77)Se双稀释剂进行了配比的优化,得到了两单稀释剂间和双稀释剂与样品间最佳的取值范围:当^(74)Se_(spk)/^(77)Se_(spk)≈1时,^(77)Se_(spike)/^(78)Se_(sample)≈2为最优配比值,但^(77)Se_(spike)/^(78)Se_(sample)在1~4范围内,硒同位素的分析精度不受影响。基于双稀释的优化结果,对NIST SRM 3149、MH495、GBW(E)080215三种Se的标准溶液进行长期测定,相对于NIST SRM3149,δ^(82/76)Se值分别为0.00‰±0.10‰(2SD,n=65),-3.44‰±0.08‰(2SD,n=21)和-7.90‰±0.10‰(2SD,n=21)。通过与标准-样品匹配法和元素内标法获取的数据进行对比,双稀释剂法获取的数据具有更高的准确度和精密度,这为自然界微小同位素分馏过程的研究奠定了基础。

元素硒的无机氧化动力学研究Ⅱ：硝酸与二氧化锰的氧化

地球表生环境中还原态硒的氧化释放是生物可利用态硒的重要来源,为了解元素Se氧化至硒氧离子过程的反应动力学机制和规律,使用^(74)Se-^(77)Se同位素双稀释剂硒浓度测定技术,开展了HNO_3、MnO_2氧化元素Se的实验研究。结果表明,两者均可将元素Se氧化为Se^(4+),且产物较为单一。HNO_3和MnO_2氧化元素Se的过程可分别用拟一级和零级动力学方程描述,其反应速率常数分别为0.0045h^(-1)和0.033μg·m L^(-1)·h^(-1)。从实验数据和动力学模拟推测,NO_3^-离子向固体元素Se内部扩散是NO_3^-氧化元素Se反应的控制步骤,固体MnO_2与元素Se的反应则主要与Se表层原子活化的量密切相关。