《RAPID COMMUNICATIONS IN MASS SPECTROMETRY》：Chamber-by-Chamber Measurements of Planktonic Foraminiferal Mg, Sr, and Na to Ca Ratios With Femtosecond LA-ICP-MS
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本文推荐了一项利用飞秒激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（fsLA-ICP-MS）技术，对四种浮游有孔虫（如Trilobatus sacculifer、Globorotalia menardii等）进行房室级别的Mg/Ca、Sr/Ca和Na/Ca比率测定的研究。该研究优化了分析条件（如激光重复频率5-15 Hz，束斑直径≥30 μm），并比较了不同清洗方法（如氧化清洗H2O2–HClO4与超声清洗UPW-MeOH），发现氧化清洗显著提高了Mg/Ca测定的重现性（RSD <5%）。研究揭示了有孔虫房室元素比率与其生长迁移（如G. menardii房室间温差达~7°C）和形态（如T. sacculifer具囊状房室个体平均Mg/Ca温度低1.4°C）相关的古环境记录潜力，为高精度古海洋温度与水深重建提供了关键技术支撑。
1 引言
浮游有孔虫壳体被广泛应用于古海洋学重建，因为其物种特异性分布与水团、栖息水深和季节性繁殖相关。有孔虫壳体的微量元素与钙的比率（TE/Ca，如Mg/Ca、Sr/Ca和Na/Ca）记录了栖息环境参数，如水温、盐度和营养盐浓度。由于浮游有孔虫的分布模式与各水团和海洋盆地的物理化学条件变化相关，TE/Ca替代指标的校准方程必须针对每个研究区域仔细校准。
传统上，有孔虫的TE/Ca通过均质化少量至数十个个体的批量样品进行测量。批量分析的基本假设是，批量TE/Ca提供了相当于数周的海洋环境快照，整合了个体的整个生命史，而个体水平的测量则显示了反映季节性和生命史的个体内和个体间变异。事实上，有孔虫Mg/Ca、δ18O和δ13C的房室分析已成功估算了个体生命周期中每个房室形成（钙化）时的水温。
随着精确古海洋替代指标校准的进展，生物机制对壳内化学成分的影响已通过各种微分析技术得到验证。在亚微米空间分辨率下，电子微探针分析强调了壳内Mg浓度条带的存在，表明其反映了虫黄藻和宿主有孔虫生物活动的昼夜变化。随后的SIMS分析进一步显著促进了生物矿化机制的阐明，揭示了涉及多种元素的同步条带模式以及有机膜模板内Mg和Na的特异性富集。
此类元素组成的微尺度分析的准确性已经过测试并与批量分析进行了比较。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）作为一种定量、快速的微分析技术，已被应用于测量浮游有孔虫壳体的TE/Ca。飞秒LA-ICP-MS（fsLA-ICP-MS）的优点在于，对具有高冷凝温度的元素（包括Ca）的基质和仪器元素分馏效应较小，并且不太可能引起激光诱导的同位素分馏。fsLA-ICP-MS的应用是旨在获得更好准确度和精度的新古海洋学应用。
此外，用于溶液Mg/Ca分析的氧化试剂预清洗方案与LA-ICP-MS分析中使用的方案不同：后者使用去离子水和甲醇清洗，随后进行预剥蚀以去除表面污染物。用去离子水和甲醇清洗对于从地质样品中提取的有孔虫制备非常有效。残留的壳表面污染物随后可以通过TE/Ca深度分析去除。为了进一步评估由方案差异引起的测量元素比率在分析值以及个体间和个体内变异性方面产生偏差的程度，本研究报告了对经过氧化试剂清洗和溶液分析甲醇清洗的壳体进行LA-ICP-MS分析的效果。该策略旨在弥合溶液分析和激光分析方法之间的差距。
本研究旨在解决以下问题：（1）通过应用基质匹配的标准样品优化fsLA-ICP-MS分析，并评估有孔虫化学清洗对TE/Ca的影响；（2）由附加生长房室组成的有孔虫方解石壳体中Mg、Sr和Na的房室和物种特异性掺入。选取了西太平洋暖池（WPWP）表层沉积物中四种有孔虫，它们具有与房室增加相关的潜在化学成分变化（Trilobatus sacculifer, Globorotalia menardii）以及具有均匀最终房室或方解石层、可用于方法验证的物种（Orbulina universa, Pulleniatina obliquiloculata），通过fsLA-ICP-MS进行房室和个体基础上的分析。
2 材料与方法
2.1 海洋学背景与有孔虫的深度迁移
WPWP是一个大型水团，其特征是海表温度（SST）高（>28°C）且温跃层较深。WPWP是一个重要的全球气候特征，通过洋流和大气系统向高纬度输送热量和水分，了解这一特征随时间的变化是我们理解长期气候动力学的核心。来自该区域的古海洋学重建使我们能够量化该区域物理化学变化的时空变化，并理解厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）变率、温跃层结构等的长期变化。
T. sacculifer和Globigerinoides ruber是WPWP贫营养水团的代表性物种，在西卡罗琳海盆，这两个物种以及P. obliquiloculata占沉积物中有孔虫总通量的10%以上。对来自热带大西洋和太平洋表层沉积物样品的δ18O和Mg/Ca温度数据的检查表明，G. ruber记录SST，而T. sacculifer记录混合层中略深处20-30米的水温。在马尼希基高原区域的WPWP，基于Mg/Ca的表观钙化深度表明G. ruber是最浅的物种，其次是T. sacculifer和P. obliquiloculata，随着深度增加。G. menardii被认为是比P. obliquiloculata栖息深度略深的种属垂直迁移物种。T. sacculifer表现出两种形态上不同的类型，具有古海洋学意义，通过其最外层是否附着囊状房室来区分。T. sacculifer中的囊状房室在配子释放前约24至48小时形成，作为即将形成配子的标志。
G. menardii的种群动态表明，大个体迁移到浅层；然后释放的配子下沉到更深的水域。最近在亚热带大西洋的浮游生物网研究，与成熟个体下沉然后配子上升的对比观察表明，种属垂直迁移的模式因区域和生态条件而异。P. obliquiloculata和G. menardii都出现在与上升流相关的丰富浮游植物和高生产力区域。物种间栖息深度的差异允许重建水团结构，例如，表层和温跃层物种（如G. ruber和P. obliquiloculata）之间的Mg/Ca差异可用于追踪上层水柱分层的变化。
2.2 有孔虫样品
在西赤道太平洋翁通爪哇高原（站点MR1402-PL04；2°03.00′N, 156°06.48′E，水深2447米）从一个 pilot-core 沉积物中获得样品。沉积物的主要岩性为浅灰色至浅橄榄灰色钙质软泥含硅质化石。样品取自两个层位：0–5.0厘米和5.0–8.5厘米，根据该区域的沉积速率，地表以下8.5厘米深度的沉积物年龄估计约为5000年前。沉积物样品通过63 μm筛网冲洗并在65°C下至少干燥过夜。从中挑选了四种物种：T. sacculifer（有和无囊状最终房室）、G. menardii、P. obliquiloculata和O. universa。前三种是热带水团的代表，最后一种适合使用多个分析点检查TE/Ca测量的重现性，因为其球形房室完全包裹了所有早期房室。在每个T. sacculifer、G. menardii和P. obliquiloculata标本中，识别房室并从最终（最新形成）房室到较年轻的房室编号为F0至F3。
通过重复测量10个O. universa个体以及3个P. obliquiloculata个体（其最终房室和最终光滑方解石易于识别）来确认元素比率分析的重现性。需要注意的是，O. universa和P. obliquiloculata实验仅旨在检查房室内分析重现性，因为其生态史的个体差异会影响个体间TE/Ca变异。
2.3 有孔虫壳体的TE/Ca测量制备
在TE/Ca测量之前，通过去除附着在壳表面和包含在壳内的其他钙质材料（如钙质超微化石、粘土和自生沉淀物）来清洗有孔虫壳体。本研究采用了两种不同的清洗方法进行fsLA-ICP-MS分析。第一种是通过超声处理用甲醇去除附着材料，然后用超纯水冲洗。将多个有孔虫壳体放入2 mL酸清洗管中，加入1 mL甲醇。将这些管子漂浮在装满水的100毫升烧杯中，以避免超声处理过程中壳体损坏。将此过程重复几次，直到所有显微镜下可见的松散材料（钙质超微化石）被去除。
第二种清洗方法修改自Barker等人首次开发的氧化化学清洗方案，该方案使用30% H2O2、1 M NaOH、1% HClO4和超声处理。在本研究中，我们将试剂稀释两倍，并使用KOH代替NaOH，以避免添加的钠对Na/Ca测量的影响。将样品浸入等体积的15% H2O2和0.5 M KOH混合物中，并进行两次连续的5分钟超声处理。然后用等体积的15% H2O2和0.5% HClO4混合物冲洗样品一次以去除有机物（此后称为H2O2–HClO4清洗）。在清洁工作台干燥后，对在化学清洗过程中房室保持完好的个体进行飞秒LA-ICP-MS的TE/Ca（Mg/Ca、Sr/Ca和Na/Ca）测量。
此外，为了验证该方法与常规使用的NaOH的兼容性，将与样品相同层位的批量沉积物分选成古海洋学研究常用的63–150 μm和150–250 μm粒级。通过仅更换上述程序中的碱试剂对每个粒级进行清洗实验。在每个步骤收集上清液并通过ICP-MS测量。对碳酸盐组成元素和经常在碎屑和自生污染物中发现的杂质元素（Ca、Mg、Sr、Ba、Al、Ti、Mn、Fe和Pb）进行定量。由于上清液中存在浓缩液，钠和K被排除在测量目标之外。
2.4 飞秒LA-ICP-MS
使用配备波长范围为200/266 nm的fsLA系统的四极杆ICP-MS（iCAP-Q, Thermo Fisher Scientific）分析痕量元素比率。目标是通过激光照射圆形轨迹稳定地测量每个房室的整体TE/Ca。因此，我们fsLA系统的剥蚀速率与使用相同分析模式的先前研究类似，并且与之前发表的其他系统（例如使用具有快速冲洗时间的池设备）进行剥蚀速率的直接比较是不可能的。剥蚀产生的样品气溶胶由氦气流输送至内部体积为150 mL的全氟烷氧基烷烃（PFA）缓冲室，在那里与氩补充气混合并共同注入ICP-MS以实现稳定信号。我们还采用了5 Hz或更高的重复频率，这对微观结构效应较不敏感，尽管空间分辨率（即壁内元素变化）降低了。这种分析策略不同于先前的研究，那些研究使用较低重复频率（例如主要为1–3 Hz）和具有快速冲洗时间的池设备报告了对应于壳体微观结构的TE/Ca深度剖面。
有孔虫壳体的剥蚀在氦载气层流下的小体积剥蚀池（内部体积约20 cm3）中进行。选择266 nm波长用于所有分析。激光脉冲宽度和样品表面的激光注量分别小于300 fs和约12 J cm?2。激光剥蚀点的尺寸和形状为圆形，直径为40–60 μm。剥蚀的样品气溶胶通过He气流传输到内部体积为150 mL的PFA缓冲室，与Ar补充气混合并引入ICP-MS。Ca信号的冲洗时间约为20秒，为测量设定了至少1分钟的整体池冲洗时间。选择的同位素为23Na、25Mg、43Ca和86Sr。
用于校准元素比率的标准样品是来自珊瑚的JCp-1和来自砗磲的JCt-1，两者均由日本产业技术综合研究所发布，JCp-1和JCt-1的Mg/Ca共识值分别为4.199 ± 0.065 mmol/mol和1.289 ± 0.045 mmol/mol，Sr/Ca分别为8.838 ± 0.042 mmol/mol和1.680 ± 0.026 mmol/mol。由于未对Na/Ca进行联合比较，我们根据Okai等人的值计算了数值。Hathorne等人和Okai等人之间的TE/Ca差异大约为2%，这是同一壳体Na/Ca重复分析重现性的三分之一到八分之一。一些先前的研究使用NIST玻璃标准物质制作校准曲线，但已报道fsLA-ICP-MS在NIST玻璃和MACS3、JCp-1和JCt-1碳酸盐上的分析精度不受材料差异引起的分馏效应影响。鉴于fsLA-ICP-MS校准的元素比率高线性度得到上述国际标准物质的保证，本研究使用与有孔虫壳体基质相似的JCp-1和JCt-1来创建线性校准曲线进行定量。
Jochum等人提出使用纳米加工的认证标准物质测定痕量元素浓度对于LA-ICP-MS测量更可取。然而，由于JCp-1和JCt-1中相对丰富的组成元素Na、Mg、Sr、U和Ba落在天然碳酸盐的不确定度范围内，并且不一定受到纳米加工的影响，因此将JCp-1和JCt-1的原始粉末在压片机中压缩形成均匀光滑表面，并用碳双面胶固定，使样品高度与有孔虫壳体大致相同。对于校准曲线，每个标准样品重复测量约10次，并且排除可能来自压片模具不锈钢的Fe（以及Al）高强度的测量点数据。
3 结果与讨论
3.1 fsLA-ICP-MS分析
为了优化分析参数，我们首先使用JCp-1检查了激光重复频率和剥蚀轨迹（与有孔虫相同）。激光重复频率从1改变到10 Hz，束斑尺寸从30改变到70 μm。在这种条件下，信号计数比波动大约一个数量级。如图所示，无论Ca引入量如何变化，都获得了稳定的信号强度比。此外，仅独立改变束斑尺寸和重复频率，但没有特定条件引起强偏差，除了随着信号强度增加重复性提高的趋势。
改变激光重复频率和激光直径来检查每次测量对Mg和Sr与Ca的信号强度比标准偏差大小的影响。总体趋势是测量稳定性随着频率和激光直径的增加而提高。对于10 μm的最小激光直径，标准偏差比大直径分析增加了2到3倍。在30、50和70 μmφ的条件下，SD值在频率高于10 Hz时稳定。
基于相同分析时段内碳酸盐标准物质的元素比率对碳酸盐标准物质和玻璃标准物质的Mg/Ca数据进行量化，确认分别与文献值存在1:1关系。未观察到由于材料差异引起的元素分馏。
3.2 使用不同碱性试剂的清洗方法验证
我们制备了三个重复样品，每个包含约4 mg的两种粒径级分（63–150 μm和150–250 μm）。关于沉积物样品特征，有孔虫和钙质超微化石是这些沉积物中最丰富的组分。显微镜分析表明，有孔虫和钙质超微化石的丰度分别占沉积物总量的23%–56%和36%–65%。粘土矿物也普遍存在，在涂片制备中占7%–13%，硅质微体化石（如放射虫和海绵）以痕量存在并散布在整个岩心中。大多数超微化石和粘土等细粒组分（有孔虫除外）通过使用超纯水和甲醇的预清洗去除。随后在显微镜下提取小的硅质材料。接着用试剂进行清洗。
X-OH（其中X表示NH4、Na或K）/H2O2混合物上清液中Ca、Mg、Sr、Fe、Mn、Ba、Al、Ti和Pb的溶解行为如图所示。顺序清洗从左到右跨每个面板进行。总体而言，X-OH/H2O2在第一次清洗步骤中显示大多数元素含量高，一些样品出现浓度峰值。在第二次X-OH/H2O2清洗期间，总体洗脱量减少。这些行为被认为源于有孔虫壳体表面和颗粒之间存在的细碳酸盐杂质（如超微化石）和粘土矿物。
对于较小的粒径（63–150 μm），Ca洗脱更高，可能反映了由于尺寸依赖性导致与溶液接触的表面积更大。测量的Mg/Ca比率以及指示杂质贡献的Al/Ca、Mn/Ca和Fe/Ca在X-OH/H2O2清洗溶液中显示出高度可变和升高的值。然而，在HClO4/H2O2中，这些值降低了多达一或两个数量级，清楚地表明大多数杂质被有效去除。其他元素要么表现出与这四种比率相似的行为，要么显示出较小的变化。
最后，展示了经过每种试剂清洗后有孔虫壳体和残留物的元素组成。对于NaOH方法中的Na/Ca和KOH方法中的K/Ca，试剂的潜在残留是令人担忧的。我们还评估了每种试剂是否可能引起Mg/Ca和Sr/Ca的可测量偏移。对两个粒径级分（63–150 μm和150–250 μm）清洗后壳体的分析表明，三个标本计算的平均值在NaOH清洗后Na/Ca增加，在KOH清洗后K/Ca增加。Na/Ca增加相对较小（2%–4%），而K/Ca的潜在污染相当大（约64%–96%）。因此，这种记忆效应对钾来说要强得多，尽管在其他测量参数中未检测到影响。
值得注意的是，三种试剂（NH4OH、NaOH和KOH）之间在Mg/Ca或Sr/Ca（关键的古海洋替代指标）上没有观察到差异。NaOH和KOH的残留物在H2O2–HClO4清洗溶液中也明显。尽管如此，Mg/Ca和Sr/Ca比率倾向于趋近于溶解和更纯化的壳体材料特征值。因此，虽然清洗试剂的选择对Mg/Ca和Sr/Ca的影响极小，但当同时测量最近作为地球化学替代指标受到关注的Na/Ca和K/Ca时，推荐使用NH4OH清洗。因此，任何试剂都可以达到等效的清洗效果，允许根据目标测量（如Na/Ca、K/Ca或δ41K）进行选择。
3.3 有孔虫TE/Ca的重现性和不同清洗方案
有孔虫壳体TE/Ca分析的校准曲线是在重复分析标准品以覆盖样品信号强度范围后创建的。将JCp-1和JCt-1的不同Mg/Ca值与其国际共识Mg/Ca值进行比较，并为每个元素使用JCp-1和JCt-1生成校准曲线。
O. universa的球形形态已被报道适合确认TE/Ca组成和激光测量条件的重现性，因为壳体深度方向的元素分布已被报道显示出高重现性。从0到5厘米和5到8.5厘米地层水平获取了多个O. universa个体，每个个体被认为在沉积物中遭受相同程度的污染。因此应用了两种不同的清洗方法来测试当同一房室被多次测量时是否会出现分析值重现性的差异。O. universa和P. obliquiloculata的重复测量结果如表所示。经过H2O2–HClO4清洗的O. universa最终球形房室的Mg/Ca比率显示出优异的均质性，相对标准偏差（RSD）值在3.7%–6.1%以内。
使用H2O2–HClO4方法清洗的不同O. universa个体的Mg/Ca值范围从4.73到8.90 mmol/mol。超声UPW-MeOH清洗导致0.0–5.0厘米处的两个O. universa个体样品的Mg/Ca误差大了2-3倍，分别为13.0%和8.3%。氧化清洗产生的Mg/Ca、Sr/Ca和Na/Ca的平均相对标准偏差分别为3.9%、3.4%和10.0%。
对所有UPW-MeOH清洗的O. universa和P. obliquiloculata个体的Mg/Ca RSD值进行平均，产生的异质性（7.5%）大约是氧化清洗（3.9%）的两倍。Sr/Ca分析与清洗和污染物量程度无关（UPW-MeOH和H2
