发布时间：2025-06-18浏览次数：10
锡（Sn）是战略性关键金属元素，因质子数为“幻数”而具有元素周期表中最多的稳定同位素（n=10）和最多的稳定磁性同位素（n=3：115Sn、117Sn、119Sn）。稳定锡同位素在行星科学、岩石学、矿床学、考古学等领域应用广泛，在示踪锡的循环等方面取得了许多重要进展，但在大气和水体过程中的地球化学行为，特别是与光照、磁场的相互作用等关键科学问题还不明确。
关键元素的同位素非质量分馏效应，如硫、汞等，被广泛应用于研究早期地球环境、行星过程、物质循环等重大科学问题，取得良好效果，主要出现于奇数的磁性同位素（如33S、199Hg、201Hg）。前人研究也发现锡的磁性同位素具有非质量分馏效应，展现出重要的应用潜力。但关于锡的磁性同位素的非质量分馏效应机理存在巨大争议。法国巴黎地球物理研究所Moynier教授团队提出“核体积效应”说，英国国家计量实验室的Malinovsky博士提出“磁同位素效应”说，日本的Fukami博士等人则主张“磁同位素效应”和“核体积效应”同时存在。以上前人工作均基于非自然条件的特殊室内实验，因此虽然观察到锡同位素非质量分馏效应，但无法直接应用于天然样品研究，领域研究存在空白。
针对以上问题，南京大学地球科学与工程学院关键地球物质循环与成矿全国重点实验室骨干李伟强教授指导博士后佘加新，与环境学院张淑娟教授和谷成教授团队合作，通过系统的实验室紫外线辐照和太阳光照射实验，全面深入揭示了锡的磁性同位素在紫外线及磁场作用下的非质量分馏行为，首次建立了锡同位素非质量分馏强度与磁场强度之间的关系曲线，证明了“磁同位素效应”是光化学反应中锡同位素非质量分馏的核心机理，并提出在太古代地质样品中寻找锡同位素非质量分馏信号的可行性。研究成果以“Sensitivity of mass-independent Sn isotope fractionation to UV radiation and magnetic fields”为题在线发表于国际综合性顶级期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS，美国科学院院刊）。
李伟强教授团队通过多年努力，在南京大学关键地球物质循环与成矿全国重点实验室建成了国际一流的Nu sapphire 1700多接收质谱实验平台。得益于仪器强大的分析能力，突破了前人只能测117Sn、119Sn同位素非质量分馏信号的局限，首次对115Sn、117Sn、119Sn三个磁性同位素的信号进行了高精度全分析。发现在地球磁场条件下，紫外光分解甲基锡时，所有奇数锡同位素均出现了巨大的非质量分馏，且奇数同位素的非质量分馏斜率与核磁矩比值匹配（图1），而偶数同位素没有非质量分馏，从而排除了“核体积效应”。通过电子顺磁共振直接检测到光化学反应中有甲基自由基（•CH₃）生成，且自由基捕获剂可抑制非质量分馏，证实磁同位素效应涉及自由基的产生。进一步自主设计制造了可调控的磁场设备（图2），首次观察到锡同位素非质量分馏效应与磁场强度呈非单调相关，发现地球磁场条件有利于锡同位素非质量分馏信号的产生（图2）。尤其在太阳光分解实验中，观测到非质量分馏完全消失，但质量相关锡同位素分馏放大（图3），证明现代大气臭氧层遮挡了可导致锡同位素非质量分馏的紫外线。
图1光分解实验锡同位素非质量分馏斜率关系
图2光分解实验锡同位素非质量分馏与磁场强度关系，右下为自主设计制造的磁场调控设备。
3光分解实验锡同位素非质量分馏与质量分馏关系
据此提出，锡的磁性同位素非质量分馏信号可作为光化学“指纹”，有应用于追溯大氧化（GOE）事件前后大气环境转变的潜力。在太古代低氧环境中，短波长紫外线可穿透大气层，使水体和大气中的有机锡产生非质量同位素分馏；大氧化事件后，臭氧层的形成屏蔽了短波长紫外线辐射，导致非质量分馏信号消失。这为示踪早期地球环境演变提供了全新思路和技术途径。
关键地球物质循环与成矿全国重点实验室李伟强团队多年来一直坚持自主创新，开发、建立了系列高精度地质样品锡同位素分析方法，拓展了锡同位素在岩浆岩和锡矿床研究中的应用。此项锡的磁性同位素非质量分馏研究论文的发表，标志着关键地球物质循环与成矿全国重点实验室在锡同位素领域又有新的提升。南京大学地球科学与工程学院博士后佘加新为论文第一作者，李伟强教授为通讯作者。合作者包括南京大学环境学院张淑娟教授、谷成教授、陈希汝博士、郑宏岑博士，以及地球科学与工程学院研究生徐诚、刘伟。此外，实验过程中还得到地球科学与工程学院李永祥教授的帮助，一并致谢。研究得到国家自然科学基金、江苏省卓越博士后计划、关键地球物质循环前沿科学中心“GeoX”交叉项目及国家航天局项目的资助，得到南京大学关键地球物质循环与成矿全国重点实验室的支持。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504065122