助力嫦娥探月，安捷伦串联无机质谱破解月球身世密码

月球背面探索——

封存月球早期历史的时间胶囊

2024 年 6 月 25 日，嫦娥六号返回器携 1935.3 克珍贵月壤稳稳着陆，完成人类首次月球背面采样返回。这次任务的采样点位于南极-艾特肯（SPA）盆地——月球上最大、最古老的撞击构造，直径约 2000 公里，形成于 43.3 亿年前。这次撞击几乎穿透月壳，直接将月球深部的地幔物质挖掘至表层，如同送给一只记录月球早期历史的"时间胶囊"。

此前，从阿波罗计划到嫦娥五号，人类所有月球样品均来自正面。而月球正反两面的强烈不对称始终困扰着科学界：正面遍布暗色月海，地壳较薄，火山活动持久；背面却地势崎岖，地壳厚度是正面的两倍，火山活动稀少且古老。这种差异究竟是月球诞生之初就已注定，还是后期演化的结果？嫦娥六号从 SPA 盆地采回的 28 亿年前玄武岩样品，首次为解答这一根本问题提供了来自背面的直接证据。

图 1. 嫦娥六号着陆器在月球背面工作示意图（图片来源：光明网/新华社）

超亏损地幔：

揭开月球深部演化的核心密码

来自中国科学院国家天文台与中国科学院地质与地球物理研究所等单位的联合研究团队，对 16 个玄武岩碎片进行系统分析研究后，在《Nature》发表了重磅成果：这些玄武岩源自一块极端超亏损的月幔源区，其亏损程度在已报道的月海玄武岩中处于最高水平。在这一探索性研究中，安捷伦 8900 ICP-MS/MS 提供了有力的检测手段。

01 什么是“超亏损”地幔？

45 亿年前，月球诞生之初，整个星体被深达数百公里的岩浆洋所覆盖。随着岩浆洋逐渐冷却结晶，密度较大的矿物不断下沉，形成了原始月幔，各类化学元素也在这个过程中发生了分异。

铷（Rb）、铯（Cs）、钾（K）和轻稀土等不相容元素，在熔融过程中会优先进入岩浆，很难留在造岩矿物的晶格中。当地幔发生高程度的熔融和熔体抽取时，这些元素会随着岩浆大量迁出，残留下来的地幔中的不相容元素就会变得十分 “贫瘠”，这就是地质上所说的 “亏损”。熔融程度越高，残留地幔中的不相容元素含量就越低，对应的同位素特征也就越 “亏损”。

而嫦娥六号玄武岩所揭示的 “超亏损” 状态，意味着其源区在地质历史中经历了极端高程度的熔体抽取，绝大部分不相容元素都已被迁出。

02 决定性证据：同位素与元素的双重印证

为了破解月幔的超亏损密码，研究团队搭建了多技术联用的完整分析体系：用电子探针（EPMA）与扫描电镜（SEM）解析矿物结构，X 射线荧光光谱（XRF）测定主量元素，热电离质谱（TIMS）完成 Sr-Nd 同位素的精准测定，而 8900 ICP-MS/MS 与飞秒激光剥蚀联用，则承担了高精度微量元素 “指纹” 的绘制工作。

TIMS 提供的同位素证据揭示，所获样品具有极低的初始 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 比值和极高的 εNd (t) 值（15.80–16.13）。εNd 值是衡量地幔亏损程度的标尺，正值越高代表亏损越强烈。嫦娥六号样品的 εNd 值高达 16 左右，是迄今为止所有月海玄武岩中最亏损的地幔端元之一。

元素证据来自 8900 LA-ICP-MS/MS：微量元素（除 Rb、K、P 外）丰度仅为碳质球粒陨石的 30–50 倍，显著低于月球正面的嫦娥五号玄武岩。稀土元素呈现独特的"中稀土富集、重稀土陡峭"配分模式（Sm/Yb 比值 1.7–1.9）。同时，Nb、Ta 等高场强元素的显著偏低，进一步佐证了源区经历过大规模熔体抽取。

同位素与微量元素两套数据相互印证，共同指向一个结论：SPA 盆地下方存在一块历史上经历了极端熔体抽取的超亏损地幔。

03 月球演化的双重密码

这块超亏损地幔的形成机制，直接关系到月球早期演化的根本路径。基于分析结果，研究团队提出了两种科学假说：

第一种

月球岩浆洋结晶的继承产物。如果这种亏损特征形成于 45 亿年前月球岩浆洋的早期结晶分异过程，就意味着月球正面与背面的深部地幔，在同位素组成上拥有相似的亏损端元。由此可以推断，如今我们观测到的月球正反两面不对称性，大概率是后期地质过程造成的次生结果。

第二种

SPA 巨型撞击触发的熔体抽取。43.3 亿年前形成 SPA 盆地的巨型撞击，释放的巨量能量可能引发了月幔大范围熔融，大规模抽走了其中的易熔不相容元素，最终造成了局部地幔的极端亏损。如果这一假说成立，将证明增生期后的巨型撞击事件，不仅能改造行星的表面地形，更能深刻重塑行星的内部结构，甚至在类地天体的早期壳幔分异中发挥了此前被低估的关键作用。

无论哪种路径最终被证实，嫦娥六号的这项发现，都为破解月球正反不对称性的世纪谜题，提供了来自月球背面的全新证据。

8900 ICP-MS/MS：精准检测微量元素，描绘元素指纹

要解月球玄武岩中微量元素的指纹密码，离不开尖端分析技术。面对仅 4 个碎片质量超过 30 毫克的珍贵样品，研究团队面临三大挑战：

挑战一：样品稀缺。16 个玄武岩岩屑中，仅 4 个可用于全岩高精度分析，可谓"克克千金"。传统溶液法前处理复杂，样品利用率低。

挑战二：基体质谱干扰严重。月壤富含 Ti、Fe，在质谱分析中产生大量多原子离子干扰（如 ⁴⁷Ti¹⁶O⁺ 干扰 ⁶³Cu⁺）。轻稀土的氧化物、氢氧化物（如 ¹⁴¹Pr¹⁶O）还会干扰重稀土测定。

挑战三：含量跨度大。微量元素含量从 ppm 到 ppb 级跨越，要求仪器同时具备 ppt 级检出限和超宽线性范围。

精密破局：8900 ICP-MS/MS

联用技术攻克月壤分析三大挑战

1. 破解样品稀缺难题

激光联机技术，适配微量样品的高精度分析。相比传统纳秒激光，飞秒激光的元素分馏效应更低，能保证不同元素剥蚀效率的一致性，大幅降低分析结果的相对标准偏差，完美适配微量月壤样品的高精度分析需求。针对样品稀缺的特性，研究团队将毫克级的月壤样品与锂硼酸盐熔融，制成均一的玻璃压片，采用飞秒激光剥蚀与 8900 ICP-MS/MS 联用技术完成测试。

正是这套技术组合，让 30 毫克珍贵样品发挥出最大科学价值，构建起 SPA 盆地深部地幔的完整地球化学画像。

2. 破解基体干扰困局

安捷伦 8900 ICP-MS/MS 凭借其核心技术优势，完美攻克了上述挑战，成为本次研究的关键技术支撑。

MS/MS 串联四极杆技术，实现干扰的高效消除。8900 采用串联四极杆质谱设计：第一级四极杆（Q1）筛选目标质量数；通过八极杆反应池（ORS）进行碰撞反应，经过质量转移或原位干扰消除后；第二级四极杆（Q2）二次筛选目标离子。该模式可有效消除元素间相互质谱干扰，确保微量元素和全稀土元素的精准定量，特别是 Eu、Yb 等关键元素的准确测定。

Agilent 8900 ICP-MS/MS

图 2. 串联质谱通过两次质量筛选和氨气原位反应，消除 Gd 和 Ba 的干扰，准确测定 Yb

3. 破解含量跨度壁垒

超高灵敏度与稳定性，覆盖多数量级含量测试。8900 具备双涡轮分子泵，保障碰撞反应池通入反应气时仍具有高真空度。叠加双提取透镜和高效离子传输系统，具有极高的灵敏度。检测器具备 11 个数量级的超宽线性范围，可同时覆盖 ppm 至 ppb 级的含量跨度。

技术展望：拓展检测边界，

助力地质和深空探索

近年来，ICP-MS/MS 已成为地质与行星科学领域元素分析的重要装备。从月壤研究到陨石分析，从地球深部过程示踪到行星形成演化，其创新的干扰消除设计不断拓展科学边界。

随着嫦娥后续任务、火星采样返回、小行星探测等工程推进，地外样品元素分析要求越来越高。8900 LA-ICP-MS/MS 的微区原位痕量分析能力，可实现微量矿物颗粒、微米级流体包裹体的精准定量，成为深空样品分析的得力工具。

在地球科学领域，其 MS/MS 反应模式还能有效消除同质异位素干扰，从而可拓展应用于传统单四极杆质谱无法完成的 Lu-Hf、Rb-Sr 等定年研究，实现独居石、云母等矿物的"微量元素+同位素"的多维度分析。

从地球的峻岭深海，到地外遥远的天体，未来，安捷伦 ICP-MS/MS 所引领的无机技术，还将在地质与深空探测领域扮演重要角色，帮助科研工作者揭开更多天体与地球的演化谜题，推动行星科学与地球科学的持续发展。

本文核心文献参考

Zhou Q, Yang W, Chu Z, et al. Ultra-depleted mantle source of basalts from the South Pole–Aitken basin[J]. Nature, 2025, 643: 371-375.