質量分析計

隕石

超高圧地球化学

KU

 

周期律用の殆どの元素は複数の同位体から構成されています。よく知られているのは、水素(1H)と重水素(D)、あるいは16Oと18Oなどです。岩石や海水、河川水、さらには地球外からやってくる隕石に含まれる元素の同位体組成を調べることで、試料が形成した物理化学的環境や試料が経てきた様々な地質学・地球化学的イベントに関する情報を引き出すことができます。例えば、鉛(Pb)の同位体組成を調べることで試料の年齢(試料が形成された年代)を調べることができます。試料の年代情報を調べることで、地質学的イベントの前後関係が決定づけられますし、また世界各地の様々な試料の年代値を比較することで、その地質学的なイベントの「特異性」あるいは「地球規模での普遍性」に関する議論も可能となります。この他に、元素の同位体組成を通じて、元素の起源(超新星爆発や恒星内部での元素合成過程の情報)や太陽系形成過程での物質循環、惑星形成史、地球内部での物質循環、さらには46億年にわたる地球表層環境の変化などに関する知見も引き出すことができます。相関地球化学では、超微量元素分析と同位体組成分析を通じて、地球や太陽系、生命がどのように誕生し、進化してきたかを調べようとしています。またこうした研究を推進するのに重要な分析法の開発にも力を入れています。既存の技術を応用するだけではなく、新しい化学分析法の導入や、微量元素分析のための質量分析法の独自開発も進めています。私たちが独自の分析技術をもつことは、世界でここでしか得られない情報を入手できることを意味しますから、自らも研究の目的に特化した分析手法開発に力を入れる重要性の本質的な理由がここにあります。

Several isotopic geochronometers, including Rb-Sr, Nb-Zr, Lu-Hf, Hf-W and U-Pb isotopic systematics, have been developed to decode the early growth history of the Earth.  Precise chronological data produced by the multiple collector-ICPMS technique can provide us key information about the accretional sequence of the Earth, timing of core-mantle segregation, and/or geochemical evolution of the continental crust.  Another important application achieved by the multiple collector-ICPMS technique is stable isotope geochemistry using heavy elements.  Series of isotopic study have been made so fat five years, and the data obtained here suggested that isotopic fractionation was common for heavy elements including Ca, Fe, Zn or Sr.  This indicates that almost all elements in the periodic table can be applied for the stable isotope study.  Another important extension of the capability of the ICP-MS technique is to accept dry sample aerosols generated by a laser ablation technique, and this has opened up a completely new research field in the Earth Sciences where high spatial resolution is required.


Laser ablation utilizing UV-light (frequency quadrupled 266-nm or quintupled 213-nm Nd:YAG laser, or ArF Excimer laser operating at 193-nm DUV wavelength) can provide precise and reproducible signal intensity data from a small sampling area, and is now the most widely used system for the LA-ICPMS technique.  This is well demonstrated in zircon U-Pb chronology.  The resulting precision in 238U-206Pb ages determination is now almost comparable to that achieved by the ion microprobe technique which has been thought to provide “bench mark” age data.  However, even with the UV lasers, serious elemental fractionation occurs during laser ablation.  It is recognised that the differences in elemental volatility, or time-dependent changes in particle size distribution can cause elemental fractionation.  Although many efforts have been made to reduce the elemental fractionation, the complexity in the physical and chemical processes related to the laser ablation of solid samples has prevented a detailed understanding of the elemental and isotopic fractionation induced by laser ablation, and therefore, the reduction of elemental fractionation through the analysis was still a key issue to improve the data quality.  Faced with this problem, we have measured aspect ratio of the ablation pit obtained by fs-laser ablation and conventional nanosecond laser (ArF Excimer laser operating at 193 nm wavelength) ablation techniques, and all the analyses were made using the same ablation cell geometry and the identical ICPMS instrumental setup.

超高感度プラズマイオン源質量分析計:相関地球化学分科での分析手法の主役はプラズマイオン源質量分析計です。1フェムトグラムレベルの超微量元素分析を目指します。研究室の学生は、分科が主体となって開催する質量分析計講習会や実技トレーニングを通して専門知識と分析技術の習得を行い、その後各自のテーマにむけ研究を進めます。

超高圧地球化学~地球中心核の化学進化:地球の中心部は鉄・ニッケル合金からできています。しかし、その正確な化学組成や超高圧条件下での元素分配挙動は明らかにはなっていません。相関地球化学では、これまで分析が難しかった金属試料中の微量元素分析法を実用化し、それを超高圧実験試料に応用することで地球中心核の化学組成や元素分配挙動を明らかにしようとしています。これにより全地球規模での元素循環が初めて明らかになります。左の写真は金属質隕石を超高圧条件下で部分溶融させたものです(大きさ200ミクロン)。

隕石年代学~太陽系形成初期の年代学:原始太陽系星雲が重力収縮し始めてから、地球の原型となる天体ができあがるまでわずか1000万年程度です。相関地球化学では隕石の同位体年代学を駆使して太陽系形成初期の最もダイナミックな物質科学進化を明らかにしたいと考えています。より微少量の隕石試料から正確な年代情報を引き出すために、独自に開発した超高感度質量分析法を利用します。

生体金属支援機能化学(メタロミクス):生体内では様々な化学・生体反応が進行しています。その反応を制御している酵素の活性には金属元素が深く関係しています。生体機能維持機構を理解するためには金属元素の役割・代謝機構を調べることが重要となります。こうした生体金属支援機能化学(メタロミクス)を、私たちは重元素安定同位体地球化学という新しい手法を用いて開拓していきます。

最近は、試料の小さな領域の化学分析(局所分析)が重要になっています。相関地球化学分科では、レーザーサンプリング法を用いた局所分析法の開発に取り組んでいます。紫外線レーザーを使った装置で100ミクロン以下の小さな鉱物の年代決定を行ったり、あるいは今後の10年をみすえた次世代フェムト秒レーザーを用いた分析装置の開発も進めています。金属、石英、鉱床、これまで分析が難しかった試料にも対応した分析システムの構築を目指します。 研究室は、隕石、岩石試料、鉱物試料の化学組成・同位体組成分析を行う学生から、生体試料中の元素同位体分析、装置開発を集中的に取り組む学生が混在します。各人が相互の研究内容やその意義を認識し、相互に意見交換しながら研究を推進できるよう心がけています。

Publication List (-2000)Publication.html

Publication List (2000-Present)

So why is it important to know the Age of the Earth?

ever since the dawn of civilisation, people have not been content to see events as unconnected and inexplicable.  They have craved an understanding of the underlying order in the world...  our goal is nothing less than a complete description of the universe we live in.


Stephen Hawking in “The Dating Game” by Cherry Lewis (2000)

Atmospheric pressure inductively coupled plasmas (ICPs) are flame like electrical discharge that have revolutionised the practice of elemental and isotopic ratio analysis.  The high temperatures available at atmospheric pressure in the plasmas make them very efficient excitation and ionisation sources.  The ionisation efficiency to the singly charged state for most elements is approaching >20% (Gray, 1985; Niu and Houk, 1996; Montaser, 1998), indicative of very attractive characteristics as ion sources (Adams, 1988; Montaser, 1998; Taylor, 2001).  The mass spectrometer utilising an atmospheric pressure plasma as an ion source (ICP-MS) is likely to become a significant and cost-effective tool for many isotopic measurements.  It is also much more versatile, permitting isotopic analysis for the elements which have been thought intractable, and allowing the in-situ isotopic analysis on small grains.  Recent progress in the ICP-MS technique is dramatic improvements in precision and accuracy of the isotopic ratio measurements.  This was achieved by a coupling of the powerful ICP ion source and a high sensitivity magnetic sector mass spectrometer coupled with multiple collector arrays.

Research

生体金属支援機能科学

Material
Safety
Data
SheetMSDS.html
List of Meteorite 20012Meteorite_List.html