微量生物碳酸鹽ICP-OES元素分析中的儀器優(yōu)化

路 波, 于心科 常鳳鳴 仇曉華, 南青云

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049)

微量生物碳酸鹽ICP-OES元素分析中的儀器優(yōu)化

路 波1,2, 于心科1, 常鳳鳴1, 仇曉華1,2, 南青云1

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049)

為優(yōu)化電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測試微量生物碳酸鹽中元素含量的工作條件, 在Thermo-Fisher公司生產的iCAP 6300 Radial型ICP-OES上, 對1 050組儀器條件、32種不同組成的標準溶液、36個譜線對和兩種儀器校正工作曲線進行了測試; 借助開源科學計算軟件Scilab數據插值和可視化技術對測試數據進行了比較分析。結果表明, 該儀器測試微量生物碳酸鹽中Mg/Ca和Sr/Ca比值的最佳條件為： 霧化器, 0.1 mL/min同心霧化器; 冷卻氣流量, 缺省設置12 L/min; 輔助氣流量, 0.5 L/min; 霧化氣壓力, 0.24 MPa; 蠕動泵速, 16 r/min; RF功率, 1 000 W; 觀察高度, 15 mm; 譜線, Ca 373.690 nm, Mg 279.553 nm {121}, Sr 407.771 nm; 儀器校準工作曲線為強度-濃度工作曲線。

ICP-OES; Scilab; 生物碳酸鹽; 儀器優(yōu)化

生物碳酸鹽(珊瑚、貝殼、有孔蟲、鈣質超微化石和介形蟲等)廣泛存在于海洋沉積物中, 其主要化學成分為CaCO3, 并含有微量Mg、Sr等元素。近年來, 生物碳酸鹽中的元素比值Mg/Ca、Sr/Ca已被廣泛應用于古海洋環(huán)境的重建[1-10]。在生物碳酸鹽微量元素分析中, 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICPOES)因成本相對低廉、維護簡單、操作方便和可對多個元素快速同時測定等特點而被廣泛應用[2,5,11-14]。通常, 在對生物碳酸鹽進行 ICP-OES分析時, 所獲得的樣品量一般很少, 使得分析溶液中微量元素的濃度很低, 這對分析靈敏度提出了很高的要求; 同時由于生物碳酸鹽的樣品量常變化很大(以有孔蟲為例,常見固體樣品量約10～103μg), 使得分析溶液的濃度也變化不一, 形成明顯的Ca元素基體效應[2,15]。雖然de Villiers等[15]提出可通過使用強度比-濃度比工作曲線的方式消減, 但對此方法的實驗論證還很少,需進行更多的評估。

除此之外, 由于 ICP-OES儀器間性能的差異和選擇測試項目的不同, 分析之前常需優(yōu)化儀器參數(霧化氣壓力、蠕動泵速、RF功率和觀察高度, 譜線選擇等)以求取得最佳分析結果[16-17]。但是, 針對生物碳酸鹽 ICP-OES分析, 如何優(yōu)化分析儀器參數的報道尚不多見。本文就儀器參數變化對分析性能的影響進行了實驗, 并利用開源科學運算軟件 Scilab三維數據插值和可視化技術進行了直觀展示, 確定了最佳儀器參數組合。同時, 對影響分析結果的譜線對組合、工作曲線類型也進行了考察。實驗結果對生物碳酸鹽的微量元素分析有重要幫助, 對其他類型樣品的分析也有重要參考價值。

1 材料和方法

1.1 試劑和溶液

存放溶液的容器皆為 Nalgene公司生產的高密度聚乙烯(HDPE)瓶。使用前用 1 mol/L分析純硝酸浸泡1周以上, 重蒸餾水沖洗5遍, 去離子水(由重蒸餾水經 Pall?Purelab Classic型純水機制得, 電阻率≥18.2 MΩ)沖洗一遍, 60℃烘干或凍干備用。

標準溶液均按重量法配置。先將高純固體藥品CaCO3、SrCO3、MnCO3、Fe2O3、Mg(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O 和 Al(NO3)3·9H2O(美國 Sigma 公司生產)溶解于高純硝酸(質譜純級, 江蘇晶玻試劑有限公司)溶液中配置成高濃度單元素標液, 再按需要配置成不同組成的溶液系列(表1)。

表1 實驗中用到的標準溶液Tab. 1 The standard solutions in experiments

1.2 儀器介紹

實驗中所用ICP-OES系賽默飛世(Thermo-Fisher)公司生產的iCAP 6300 Radial型。儀器為徑向觀測方式, 配備中階梯光柵和電荷注入式固體檢測器(CID),檢測波長為166 ～ 847 nm。27.12 MHz高頻固態(tài)發(fā)生器的功率在750 ～ 1 500 W范圍內連續(xù)可調, 蠕動泵在0 ～ 125 r /min范圍內連續(xù)可調。分析時選用Ar氣為工作氣體, 冷卻氣固定為12 L/min, 輔助氣0.5 L/min, 霧化器為GE公司生產的0.1 mL/min的微量玻璃同心霧化器。

1.3 Scilab介紹

Scilab軟件由法國國立信息與自動化研究院(INRIA)和法國國立橋梁學院(ENPC)開發(fā), 于 1994年開始向外界提供完全開放的源代碼, 于2001年起由中法聯(lián)合實驗室在中國推廣, 具有矩陣運算、數值運算、程序設計和豐富的繪圖功能等。本研究使用該軟件完成了儀器參數優(yōu)化環(huán)節(jié)中對測試數據的數據插值和三維圖示。

2 結果與討論

2.1 儀器參數優(yōu)化

在利用 ICP-OES分析時, 霧化氣壓力(NP)、觀察高度(VH)、高頻發(fā)生器功率(RF)和蠕動泵速(PS)的變化對分析性能影響顯著, 可以用譜線強度(INT)和信背比(IBR)來考察。

INT指譜線的強度, INT越高, 說明對分析元素濃度變化的響應越靈敏, 檢測限也低; 但 INT太高也意味著對其他譜線的干擾增強, 有時過高將出現(xiàn)溢出檢測器檢測能力而使分析失敗的現(xiàn)象, 即信號過飽和問題。IBR為譜線強度和背景強度的比值, 值越高, 則背景相對影響越小, 越有利于分析的準確性和精確性; 反之, 則分析的準確性和精確性越低。

霧化氣在霧化器處和分析溶液一起形成氣溶膠,隨后經霧室、矩管進入等離子體。當NP增大時, 單位時間內被攜帶進入等離子體的氣溶膠增多, 分析元素相應譜線的INT增強, IBR升高。但當NP過高時, 氣溶膠將很快穿過等離子體, 會因停留時間過短來不及被充分激發(fā); 另一方面則因氣溶膠的冷卻作用進一步降低被激發(fā)的比例, 從而造成譜線 INT升高到一定峰值后下降, 但是IBR卻會一直增大。

VH為分析譜線在等離子體上的采集位置。隨VH增加, 譜線INT將減小, 但IBR增大。

高頻發(fā)生器為等離子體提供能量。RF越大, 元素被激發(fā)的比例越高, 譜線 INT越高; 但是增高到一定值后, INT隨RF增加而增加的幅度將逐漸減小,直至幾無變化。同時由于干擾譜線強度增加、背景輻射增強等原因, IBR將持續(xù)減小。

蠕動泵將分析溶液提升至霧化器處, 當PS增大時, 溶液提升量增加, 氣溶膠中液滴濃度將增加, 此時的譜線INT增強, IBR升高。但PS過大, 霧化效率降低, 氣溶膠對等離子體的冷卻作用增強。此時,INT、IBR隨PS升高的幅度將減小。如果繼續(xù)增大PS, INT、IBR將不增反降。

為考查NP、VH、RF、PS對INT和INT、IBR的影響, 并針對生物碳酸鹽的元素組成特點, 配置了 Ca濃度為16.20 μg/g、Mg濃度19.39 ng/g、Sr濃度45.04 ng/g的標準溶液(33)(表1)考察了不同NP、VH、RF、PS條件下INT和IBR的變化情況。實驗中選擇了譜線Mg27951(279.553 nm, 121級次)、Sr4077(407.771 nm)[11]和 Ca3736(373.693 nm)為分析譜線, 共考察了NP在0.16～0.24 MPa之間、PS在8 ～ 24 r/min之間、RF在1 000～1 300 W之間、VH在9～19 mm之間的儀器參數組合, 共計1 050(5×5×7×6)種(表2)。

表2 ICP-OES優(yōu)化中部分參數考察范圍Tab. 2 Range of experimental parameters in ICP-OES Optimization

對應每一條譜線, 得到1 050個INT(IBR)值, 先按NP取值分為5組, 每組包括210(5×7×6)個PS、RF和VH組合下對應的INT(IBR)值。在Scilab中以PS、RF、VH為坐標軸構建三維空間, 將NP分組中每組210個INT(IBR)值在此空間中插值求出一定間隔等值點的 PS、RF、VH坐標, 并連接成面得到在PS、RF、VH三維空間中INT(IBR)等值面的分布(源代碼修改自 Roberts[18])(圖 1)。INT等值面以紅色曲面表示, 紅色越深, INT越高。IBR等值面以藍色曲面表示, 顏色越深, IBR越高。

圖1 IBR和INT等值面隨NP、PS、RF和VH變化的情況Fig. 1 Isosurfaces of IBR and INT relative to varying NP, PS, RF and VH

Ca3736、Mg27951和Sr4077的INT、IBR等值面(圖 1)與 PS、RF、VH 三個坐標軸都相交, 說明INT(IBR)受多個儀器參數綜合作用的影響。但是Ca3736、Mg27951和Sr4077的INT(IBR)等值面形狀和位置各不相同, 說明NP、PS、RF和VH對不同元素譜線的影響也不相同。

由于生物碳酸鹽樣品以碳酸鈣為主要組成, 故元素Ca成為分析時的基體元素, 其INT和IBR值總是很高。為降低其基體效應, 應選擇 Ca譜線的INT較低的儀器參數組合。而 Mg、Sr等元素含量低, INT和IBR值總是很低。為了分析結果的準確和精確, 在Mg、Sr譜線的INT高于一定值時, IBR應越大越好。此外, 由于實際分析中生物碳酸鹽樣品量微少, 應控制分析時溶液消耗量, 即PS值越低越好。對元素組成接近生物碳酸鹽的標準溶液(33)來說, 當NP為0.24 MPa, VH為15 mm, RF為1 000 W, PS為16 r/min時, 連續(xù)3次曝光測量的溶液消耗不超過1 mL。同時Ca3736譜線INT為13 179.1 cts/S,IBR為18.7; Mg27951譜線INT為412.6 cts/s, IBR為6.6; Sr407譜線INT為4018.8 cts/s, IBR為6.4, 滿足微量碳酸鹽樣品的分析要求, 因此確定為最佳儀器參數。

2.2 譜線選擇

由于生物碳酸鹽樣品的組成和樣品量多變, 進行ICP-OES分析時的溶液組成常常變化不一。為了考察溶液組成變化對不同譜線的影響, 選擇出受組成變化影響最小的譜線組合, 對組成不同的32種溶液(Blank、溶液(1)～(31), 見表1)進行了測定和比較。其中, (1)～(11)Mg/Ca、Sr/Ca 不變, 但 Ca、Mg 和 Sr濃度連續(xù)增加; (12)～(21)Ca濃度變化不大, Mg、Sr濃度逐漸增加; (22)～(31)Mg、Sr濃度變化不大, Ca濃度逐漸增加。

實際應用中, 分析結果多表達為元素與Ca的比值(如珊瑚 Sr/Ca, 有孔蟲、介形蟲 Mg/Ca)。為了便于比較, 本實驗選擇了以譜線對靈敏度比值為衡量指標, 并對其進行了標準化(表3)。

表3 標準化的譜線對靈敏度比值Tab. 3 Normalized sensitivity ratios of element pairs

譜線靈敏度為元素譜線強度與溶液濃度比值,譜線對靈敏度比值為相應譜線的靈敏度比值。以接近生物碳酸鹽樣品平均組成的標準溶液(5)為基準,將其余溶液的譜線對靈敏度比值與溶液(5)作商, 即得標準化后的譜線對靈敏度比值。分別考察了譜線Ca3158、Ca3179(317.933 nm)、Ca3706(370.603 nm)、Ca4226(422.673 nm)、Ca4454(445.478 nm)、Mg27950(279.553 nm, 120級次)、Mg27951、Mg2802(280.270 nm)、Mg2852(285.213 nm)、Sr4077 和 Sr4215(421.552 nm)。對溶液(1)～(31)的統(tǒng)計顯示(表 3), 譜線對Mg27951/Ca3736、Sr4077/Ca3736靈敏度比值隨溶液組成變化的相對標準偏差最小, 分別為 0.95 % (1σ)和 2.47 % (1σ), 說明譜線 Ca3736、Mg27951和Sr4077受溶液變化的差異影響最小, 可以選擇為分析用譜線。

2.3 工作曲線比較

使用ICP-OES分析碳酸鹽元素組成時, Ca的基體效應一直受到關注[2,15]。de Villers等[15]提出可以通過建立強度比-濃度比工作曲線(即以元素濃度比值為橫坐標、以相應譜線對的強度比值為縱坐標在笛卡爾坐標系中通過最小二乘法擬合建立的工作曲線)的方式消減。為了評估其適用性, 選用了有孔蟲Mg/Ca、Sr/Ca分析中工作溶液(62)前后 4個月的測試數據, 共計12批次, 1021個測量值, 將強度比-濃度比工作曲線與傳統(tǒng)強度-濃度工作曲線(即以元素濃度為橫坐標、以相應譜線的強度為縱坐標在笛卡爾坐標系中通過最小二乘法擬合建立的工作曲線)下的Mg/Ca、Sr/Ca計算結果進行了比較。

其中, 強度-濃度工作曲線根據標準溶液(52)、(63)、(54)～(56)建立, 強度比-濃度比工作曲線根據標準溶液(58)～(61)建立。對于 Mg/Ca, 強度-濃度工作曲線下計算結果的相對誤差為 0.604 %, 精確度為0.515 %(1σ RSD); 強度比-濃度比工作曲線下相對誤差為-0.937 %, 精確度1.035 %(1σ RSD)。對于Sr/Ca分析, 強度-濃度工作曲線下計算結果的相對誤差為-0.924 %, 精確度為 0.818 %(1σ RSD); 強度比-濃度比工作曲線下相對誤差為-1.680 %, 精確度0.898 %(1σ RSD)。這說明在 iCAP 6300 Radial平臺上, 建立強度比-濃度比工作曲線并不能提高分析的準確度和精確度。

3 結論

在iCAP 6300 Radial型ICP-OES上, 通過考察不同儀器參數、不同譜線和工作曲線對分析結果的影響, 可以得出如下結論：

(1) 元素譜線強度和信背比受多個儀器參數綜合影響; 選擇儀器參數時, 可利用Scilab的數據插值和可視化技術方便地確定儀器參數組合。利用iCAP 6300 Radial型ICP-OES分析生物碳酸鹽的Mg/Ca、Sr/Ca時, 最佳儀器參數為： 霧化器, 0.1 mL/min同心霧化器; 冷卻氣流量, 缺省設置12 L/min; 輔助氣流量, 0.5 L/min; 霧化氣壓力, 0.24 MPa; 蠕動泵速, 16 r/min, 高頻發(fā)生器功率, 1 000 W; 觀察高度, 15 mm。

(2) 進行元素比值分析時, 可利用標準化后的元素譜線對靈敏度比值衡量溶液組成變化對分析結果的影響, 確定最佳元素譜線組合。利用iCAP 6300 Radial型ICP-OES分析生物碳酸鹽的Mg/Ca、Sr/Ca時, 譜線Ca 373.690 nm、Mg 279.553 nm {121}和Sr 407.771 nm是最佳譜線組合。

(3) 進行元素比值分析時, 強度比-濃度比工作曲線下計算結果并不總是優(yōu)于傳統(tǒng)強度-濃度工作曲線下計算結果。利用iCAP 6300 Radial型ICP-OES分析生物碳酸鹽的Mg/Ca、Sr/Ca時, 最佳工作曲線為強度-濃度工作曲線。

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Optimization of ICP-OES for analysis of micro-mass biogenic carbonate

LU Bo1,2, YU Xin-ke1, CHANG Feng-ming1, QIU Xiao-hua1,2, NAN Qing-yun1
(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China)

Jun., 10, 2010

ICP-OES; Scilab; Biogenic carbonate; Instrument optimization

To optimize Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) for elemental analysis of micro-mass biogenic carbonate, 1050 groups of instrument parameters, 32 standard solutions with different constituents, 36 analyte pairs and two instrument calibration methods were tested on a Thermo-Fisher iCAP 6300 Radial ICP-OES. The data were analyzed by means of conventional statistics and Scilab. The optimized instrument conditions of Thermo-fisher iCAP 6300 Radial ICP-OES for analysis of Mg/Ca and Sr/Ca ratios in micro-mass biogenic carbonate were enlisted as the follows： glass concentric nebulizer, 0.1 ml/min; coolant gas, default 12 L/min; nebulizer gas pressure, 0.24 MPa; peristaltic pump speed, 16 rpm; radio frequency generator power,1000 w; view height, 15 mm; analyte lines, Ca 373.690 nm, Mg 279.553 nm {121}, Sr 407.771 nm; instrument calibration method, conventional intensity-concentration method.

P736.4

A

1000-3096(2011)06-0001-07

2010-06-10;

2010-12-18

國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”項目(2007CB815903);中國科學院知識創(chuàng)新工程項目(KZCX2-YW-221);中國科學院海洋研究所知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿項目(No．2007-10);國家自然科學基金青年科學基金項目(40906038); 海洋地質國家重點實驗室開放基金項目(MG0903)

路波(1982-), 男, 江蘇沛縣人, 博士研究生, 主要從事地球化學和古海洋學研究 ,電話 ： 0411-84783433, E-mail： luboemail@gmail.com; 于心科, 通信作者, 電話： 0532-82898533, E-mail：xyu@ms.qdio.ac.cn

致謝：感謝孫晗杰、陳雙喜、熊志方博士在實驗過程中的熱情幫助, 感謝Thermo-Fisher公司工程師一直以來的技術支持和有益建議。文章修改過程中, 幾位審稿人提出了熱情中肯的寶貴意見, 在此一并感謝。

康亦兼)