突破技术瓶颈：81Kr 实现 1 kg 南极冰精准测年，助力古气候研究新突破

从冰芯中获取地球气候历史需可靠的冰芯定年法。研究人员开展81Kr 测年研究，利用光激发原子捕集痕量分析（ATTA）技术对 1 kg 南极泰勒冰川冰芯样本进行81Kr 测年，该成果有助于解决古气候学难题。

　　在探索地球气候演变的漫长征程中，冰芯宛如一部珍贵的 “气候史书”，默默记录着过去气候的万千变化。然而，要读懂这部 “史书”，精准确定冰芯的年代至关重要。传统的冰芯定年方法，像层计数、地层匹配和轨道调谐等，在面对复杂情况时却力不从心。比如，当冰芯底部地层受到干扰或冰层变薄时，这些方法就难以准确测定年代，导致大量冰芯底部的古气候信息因年代不明而无法被充分解读，这无疑成为了古气候研究前进道路上的 “绊脚石”。

⁸¹Kr（半衰期为 229 千年）作为一种理想的放射性同位素，本可为 3 万年至 100 万年以上的水和冰进行测年，但因其在环境中的同位素丰度极低（⁸¹Kr/Kr = (9.3 ± 0.3) × 10^-13 ），过去对其检测困难重重，所需样本量巨大，严重限制了⁸¹Kr 测年技术在冰芯研究中的应用。

为了突破这一困境，中国科学技术大学等机构的研究人员勇敢地迎接挑战，开展了一项具有开创性的研究。他们成功研发出基于光学激发的 ATTA 系统，用于分析水和冰样本中的⁸¹Kr 。研究结果令人振奋，该系统将⁸¹Kr 的背景降低了两个数量级，使所需样本量大幅降至 100 nL STP 的氪（可从约 1 kg 的极地冰中提取），同时显著扩展了⁸¹Kr 测年的年龄范围。研究人员通过分析已知地层年代的南极泰勒冰川 1 kg 冰芯样本，验证了该系统的准确性，测量得到的⁸¹Kr 年龄与地层对齐得到的气体年龄相符，且测量不确定性已接近 1 kg 冰中少量⁸¹Kr 原子的泊松统计所设定的基本极限。

这项研究成果意义非凡，它发表在《Nature Communications》上，为古气候研究带来了新的曙光。从此，研究人员能够以更高的深度分辨率对冰芯样本进行⁸¹Kr 测年，尤其是对那些因样本量限制此前无法测年的冰芯底部样本。这一突破有助于深入探究青藏高原冰川的演化、格陵兰和西南极冰盖的稳定性等古气候学关键问题，还能为寻找连续的、跨越中更新世过渡时期的南极冰芯提供有力支持，助力揭示气候变化的深层机制，为预测未来海平面上升等气候变化趋势提供关键依据 。

在技术方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是光学激发 ATTA 技术，通过光学激发产生亚稳氪原子，避免了放电激发带来的交叉样本污染，降低了⁸¹Kr 背景；二是气体分离技术，在普林斯顿大学对冰芯样本进行气体提取，去除非惰性气体后，在中国科学技术大学利用气相色谱法分离出氪气，以便进行后续分析；三是样本制备技术，通过电磁质量分离器制备出⁸¹Kr 和⁸⁵Kr 贫化样本，用于检测系统背景。

光学激发 ATTA 用于⁸¹Kr 分析

研究人员搭建了基于光学激发的 ATTA 系统。在该系统中，氪原子在源管中经液氮冷却至 - 160°C ，随后通过双光子跃迁（124 nm + 819 nm）激发到更高的中间能级，再自发衰变到亚稳能级，产生亚稳氪原子束。经过一系列激光冷却和捕获步骤后，单个⁸¹Kr 原子在磁光阱中被检测到。为校正检测效率的漂移，同时测量稳定的⁸³Kr 的加载速率进行归一化处理。整个真空系统采用涡轮分子泵循环配置进行差分抽气，以延长样本测量时间，同时使用 Zr - Al 吸气剂去除除惰性气体外的所有污染物。

验证测量

为验证光学激发 ATTA 系统对约 100 nL STP 样本量的测量准确性，研究人员使用了此前在放电激发 ATTA 系统上测量过的氪样本（样本量约 3 μL STP）进行对比。结果显示，在 0 至 100 pMKr（相对于现代大气氪的百分比）的范围内，两种方法测量得到的⁸¹Kr 丰度吻合良好。此外，研究人员制备了⁸¹Kr 和⁸⁵Kr 贫化样本，经检测，其⁸¹Kr 和⁸⁵Kr 丰度分别约为现代空气值的 0.13% 和 0.20%，这与真空系统中氪的增加速率相符，证实了现代空气对样本的污染可忽略不计。

⁸¹Kr 对南极泰勒冰川 1 kg 冰芯样本的测年

研究人员对南极泰勒冰川的 1 kg 冰芯样本进行⁸¹Kr 分析。这些样本的地层年代通过将大气甲烷、氧同位素组成和二氧化碳信号与南极冰芯的精确记录进行比对确定。在样本处理过程中，先在普林斯顿大学提取冰芯中的气体，去除非惰性气体后，将氪气分离出来送至中国科学技术大学的 ATTA 系统进行分析。测量结果显示，泰勒冰川样本的⁸⁵Kr 丰度略高于系统背景，经校正后对⁸¹Kr 丰度的影响小于 0.3%。利用放射性衰变定律和大气⁸¹Kr 历史，将校正后的⁸¹Kr 丰度转换为⁸¹Kr 年龄，测量得到的⁸¹Kr 年龄与地层对齐得到的气体年龄在测量不确定性范围内相符。

⁸¹Kr 测年的基本年龄不确定性

1 kg 现代极地冰中⁸¹Kr 原子数量极少，仅约 2500 个。由于样本中⁸¹Kr 原子数量的统计涨落遵循泊松分布，这使得⁸¹Kr 年龄的不确定性变得不可忽视。研究表明，对于 1 kg 冰样本，在 200 至 1700 千年的年龄范围内，基本年龄不确定性小于 5% ，虽小于当前的测量不确定性，但仍需考虑；而对于 0.1 kg 冰样本，在年龄小于 400 千年和大于 1100 千年时，基本年龄不确定性超过 10%，成为限制测年应用的重要因素。

在讨论部分，研究人员指出，光学激发 ATTA 技术在⁸¹Kr 检测方面的重大突破，使⁸¹Kr 测年能够应用于 1 kg 及更少的冰样本，逼近⁸¹Kr 测年的基本年龄不确定性极限，大幅扩展了⁸¹Kr 测年的年龄上限。样本量的减少使得⁸¹Kr 测年能够应用于更多场景，为解决古气候学中的诸多关键问题提供了有力工具。此外，⁸¹Kr 分析在地球科学的其他领域，如锆石的⁸¹Kr 暴露测年和暗物质探测器中超纯氙气中氪含量分析等方面，也展现出了巨大的应用潜力。未来，随着光学激发技术的进一步改进，⁸¹Kr 分析的测量不确定性有望进一步降低，从而推动相关领域的研究取得更大进展。