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中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心是我国地球与行星科学领域具有国际先进水平的综合性技术支撑服务平台，旨在通过技术方法研发和技术服务为科技创新提供关键技术支撑。为进一步加深所内外科研人员对我所公共技术中心的了解，深入推进技术交流与合作，提高支撑服务水平，促进大型科研仪器开放共享，科技平台处策划了“仪器平台巡礼”栏目，逐一系统介绍公共技术中心的仪器平台。 纳米离子探针实验室（NanoSIMS Lab）成立于2011年，引进的CAMECA NanoSIMS 50L是国内首台纳米离子探针质谱仪。 本实验室针对矿物、岩石、生物组织、材料切片等固体样品进行原位的同位素和微量元素分析，高质服务于国内
中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心是我国地球与行星科学领域具有国际先进水平的综合性技术支撑服务平台，旨在通过技术方法研发和技术服务为科技创新提供关键技术支撑。为进一步加深所内外科研人员对我所公共技术中心的了解，深入推进技术交流与合作，提高支撑服务水平，促进大型科研仪器开放共享，科技平台处策划了“仪器平台巡礼”栏目，逐一系统介绍公共技术中心的仪器平台。
纳米离子探针实验室（NanoSIMS Lab）成立于2011年，引进的CAMECA NanoSIMS 50L是国内首台纳米离子探针质谱仪。
本实验室针对矿物、岩石、生物组织、材料切片等固体样品进行原位的同位素和微量元素分析，高质服务于国内外的地球科学、比较行星学、生物科学和环境科学等领域研究。
图1 （a）和（b）样品托照片，分别可装入直径为1英寸、1/2英寸和10mm的圆形样品靶；（c）生物组织切片SEM图和离子图像（Feng et al., 2015, Plant Sci.）；（d）包埋在树脂中的锆石（Yang et al., 2016, CMP）；（e）合金靶和包埋在其中的矿物颗粒（Zhang et al., 2019, JAAS）。
纳米离子探针最大的特点在于可在纳米尺度进行元素和同位素分析（≤50 nm），这一特点在生物及环境领域得以充分应用。然而，对于地球和行星样品的研究往往需要高精度的元素和同位素分析，通常需要牺牲空间分辨来保障分析精度，使得常规方法的空间分辨无法到达纳米水平，制约了在微细珍贵样品和复杂环带样品中的应用。由此可见，兼得高精度和高空间分辨是纳米离子探针分析技术革新面临的关键点。本实验室通过应用和优化图像模式、改进基体效应矫正方法等措施，建立了一系列的国际领先的高空间分辨分析技术：
本实验室将锆石U-Pb/Pb-Pb定年方法的空间分辨从3μm提升到500nm（精度2-3%）（Hao et al., 2021, JAAS），使得微小的（1~2μm）含锆矿物依然能够进行年龄分析，该方法已成功应用于微细的陨石样品（Hao et al., 2021, JAAS）和嫦娥五号月球返回样品（Hao et al., 2024, Lithos）的年代学分析中（图2）。
图2 嫦娥五号样品中微细含锆矿物元素图像及定年结果（Hao et al., 2024, Lithos）。
本实验室建立了空间分辨为100nm的S同位素分析方法（精度1‰）（图3a;Hao et al., 2023, Front. Chem.），相较其他实验室的分辨率提升了5~10倍，能够精细刻画黄铁矿、黄铜矿等硫化物的S同位素分馏趋势。该方法已成功应用于矿床样品（Wang et al., 2021, Geology）和嫦娥五号月球样品（Liu et al., 2022, GRL）的硫化物S同位素分析（图3b, c），对揭示成矿来源和月球岩浆演化过程提供了关键制约。
图3 （a）S同位素分析方法束斑尺寸测量为100nm（Hao et al., 2023, Front. Chem.）；（b）埃迪卡拉纪沉积黄铁矿S同位素分析结果（Wang et al., 2021, Geology）；（c）嫦娥五号样品中陨硫铁SEM图像及S同位素分析结果（Liu et al., 2022, GRL）。
凭借纳米级空间分辨的优势，纳米离子探针可以对微小区域内元素和同位素的分布进行扫描成像，通过对离子图像的处理可以获得任意点、线、面上的元素和同位素变化，可用于矿物、岩石和生物等样品的分析。例如，对石英的高空间分辨成像，可解析高时间分辨的地质过程，解读成矿过程和地球演化历史（图4a;Li et al, 2023, Geology）；对砗磲壳体的元素含量分析，可揭示小时级的环境温度变化、重建古环境气候（图4b;Yan et al., 2020, PNAS; Yan et al., 2021, EPSL; Liu et al., 2022, EI）。
图4 （a）内蒙维拉斯托脉状钨锡矿中石英CL图像、离子图像呈现的Al环带及计算的扩散剖面（Li et al., 2023, Geology）；（b）砗磲壳体Sr/Ca和Fe/Ca比值剖面（Yan et al., 2020, PNAS）。
挥发分元素（如H、Cl、F、C等）能够揭示行星演化过程。然而，挥发分的分析直接受仪器真空及本底的影响，尤其对于低含量（<10 ppm）的挥发分分析更是挑战。本实验室有针对性的升级了仪器的真空系统，研发了后置冷阱等技术，将分析腔真空提升到优于2×10-10mbar，依托此建立了低本底、高空间分辨的水含量和Cl同位素分析技术。
本实验室的水含量分析方法可以兼得低本底（4ppm）和高空间分辨（6μm）特点（图5a;Li et al., 2022, AS），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。该方法不仅支撑了嫦娥五号样品的水含量及H同位素分析（图5b-d），揭示了嫦娥五号玄武岩岩浆演化过程及源区低水含量（Hu et al., 2021, Nature），及月壤矿物颗粒（Xu et al., 2022 PNAS; Zhou et al., 2022, NC）和撞击玻璃珠（He et al., 2023, NG）表层有高含量的太阳风成因水；还应用于名义无水矿物——斯石英的水含量分析工作中，为揭示二氧化硅在地幔深部的储水机制提供了支撑（Hu et al., 2023, SA）。
图5 （a）水含量分析方法的本底及空间分辨对比图，红色点为本实验室建立的方法（Li et al., 2022, AS）；（b）嫦娥五号磷灰石和熔体包裹水含量及H同位素结果（Hu et al., 2021, Nature）；（c）嫦娥五号矿物颗粒的水含量深度剖面（Xu et al., 2022, PNAS）和（d）撞击玻璃珠水含量及H同位素横向剖面（He et al., 2023, NG），揭示嫦娥五号月壤颗粒的高含量太阳风成因水。
本实验室建立的磷灰石Cl同位素分析方法能满足100nm空间分辨时，分析精度优于1‰；4μm空间分辨时，分析精度优于0.1‰，可精细刻画磷灰石的Cl含量和同位素组成，对研究岩浆去气、元素迁移和成矿作用等地质过程提供技术支撑（Hao et al, 2022, AS）。该方法已成功应用于嫦娥五号样品的磷灰石分析，揭示了岩浆结晶晚期的局部去气过程（图6;Ji et al., 2022, EPSL）。
图6 嫦娥五号样品中磷灰石的Cl含量、同位素组成及元素分布剖面（Ji et al., 2022, EPSL）。
图7 纳米离子探针质谱仪照片（CAMECA NanoSIMS 50L）
纳米离子探针利用铯或氧离子源发射正或负极性的一次离子，加速形成能量为1-20KeV的一次离子束轰击固体样品表面，可产生除稀有气体外的绝大多数元素的二次离子，利用电场和磁场分离具有不同极性和质荷比的二次离子，然后用法拉第杯或电子倍增器测量二次离子的信号强度，最后通过测量值计算固体表面所含元素及同位素的丰度。
（1）空间分辨的U-Pb/Pb-Pb定年
样品类型：锆石或斜锆石（岩石薄片中或包埋于树脂中）
适用范围：老于2.0 Ga的样品
样品类型：矿物、玻璃等样品（岩石薄片中或包埋于树脂中）
适用范围：待测元素含量 > ppm
（3）生物、环境样品元素及同位素图像分析
样品类型：组织冷冻切片、细菌或土壤颗粒（可用硅片承载）
适用范围：C、N、O、Si、S元素或同位素，F、Cl、Ca、Mg、Fe等元素
（4）磷灰石和硅酸盐玻璃的水含量及H同位素分析
样品类型：磷灰石、硅酸盐玻璃（矿物或岩石包埋于金属中）
（5）磷灰石挥发分含量和Cl同位素分析
样品类型：磷灰石（矿物或岩石包埋于金属中）
（6）高空间分辨的C-O-S同位素分析
S同位素：黄铁矿、黄铜矿（岩石薄片中或包埋于树脂中）
O同位素：石英、橄榄石、锆石、方解石（岩石薄片中或包埋于树脂中）
C同位素：石墨、金刚石（岩石薄片中或包埋于树脂中）
联系电话：010-82998009
邮箱：sean_hao@mail.iggcas.ac.cn
实验室地点：北京市朝阳区北土城西路19号地3楼149室
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