混合酸敞開或高壓密閉溶樣-ICPMS測定地質(zhì)樣品中稀土元素

賈雙琳，趙 平，楊 剛，孫 霞，何 海

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室，貴州貴陽550018)

混合酸敞開或高壓密閉溶樣-ICPMS測定地質(zhì)樣品中稀土元素

賈雙琳，趙 平，楊 剛，孫 霞，何 海

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室，貴州貴陽550018)

測定地質(zhì)樣品中的稀土元素時，用堿熔法處理樣品過程繁瑣，混合酸敞開酸溶法的酸種類多，用量較大，而微波消解法批次處理樣品少，效率不高。本文比較了7種混合酸敞開酸溶體系、硝酸-氫氟酸高壓密閉體系對樣品溶樣的效果，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜測定15個稀土元素的含量，建立了一套樣品前處理體系簡單、酸用量少、相對快捷的測定地質(zhì)樣品中稀土元素的方法。通過對59件國家標準物質(zhì)的測試分析，結(jié)果表明硫酸-氫氟酸敞開酸溶和硝酸-氫氟酸高壓密閉溶樣兩套體系的方法檢出限、精密度、準確度均能達到地質(zhì)行業(yè)相關(guān)標準測試要求。硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系對于樣品中鋇含量較高，或樣品量較少時適用;硝酸-氫氟酸高壓密閉溶樣體系的檢出限更低，適用于大批量樣品的分析測試。兩套體系均不需要進行數(shù)學(xué)干擾校正，且酸用量少(最多6 mL)，分析效率高(平均每日分析測試300件)，有較大的推廣應(yīng)用價值。

地質(zhì)樣品;稀土元素;電感耦合等離子體質(zhì)譜法;混合酸敞開酸溶;高壓密閉溶樣

在地質(zhì)樣品分析中，稀土元素的含量值在巖石學(xué)及指導(dǎo)地質(zhì)工作中起到積極作用，如Eu/Sm、Sm/Nd及總輕稀土/總重稀土(質(zhì)量比)可作為巖石成因的標志［1］。貴州有較為豐富的稀土資源，包括織金、遵義、銅仁等地磷塊巖伴生稀土礦［2-3］，因此結(jié)合貴州區(qū)域地質(zhì)資源特點研究地質(zhì)樣品中稀土元素的快速測試方法，對于開發(fā)利用貴州稀土礦資源具有現(xiàn)實意義。

測定樣品中稀土元素的常用方法有化學(xué)法［4］、堿熔法［5-6］、微波消解法［7-8］、混合酸溶礦法及高壓密閉酸溶法［9-10］?；瘜W(xué)法是采用樹脂分離-偶氮胂Ⅲ光度法對稀土分量進行分組測定，步驟繁多，各元素需要不同的分析流程方能完成15個稀土元素的測定;李獻華等［5］建立的堿熔法，采用偏硼酸鋰和硼酸熔劑用鉑金坩堝對樣品進行熔融后測定，但所用器皿昂貴，操作過程也比較復(fù)雜;微波消解法目前已得到了一些應(yīng)用，但常用的微波消解儀單批只能處理8～10件樣品且樣品冷卻時間長，不適用于實際分析工作。從實際分析的角度考慮，混合酸敞開酸溶法及高壓密閉酸溶法是可以選用的方法。但是混合酸敞開酸溶法有多種用酸體系，稱樣量及消耗試劑較多，如王君玉等［11］選擇鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸-硫酸五種混合酸(共19 mL)分解樣品(稱樣量0.2500 g)，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定地質(zhì)樣品中稀土元素，此法稱樣量大，混合酸用量大，相對來說成本較高。

本文通過嘗試使用7種混合酸體系(硝酸-氫氟酸、硝酸-氫氟酸-鹽酸、硝酸-氫氟酸-高氯酸、硝酸-氫氟酸-硫酸、硫酸-氫氟酸、硝酸-氫氟酸-鹽酸-高氯酸、硝酸-氫氟酸-鹽酸-硫酸-高氯酸)敞開溶樣，對樣品進行前處理，同時還使用硝酸-氫氟酸混合酸高壓密閉溶樣法(以下簡稱高壓密閉溶樣法)對樣品進行前處理，建立了一套溶樣體系相對簡單，適用于測定土壤、水系沉積物、巖石樣品中稀土元素的ICP-MS分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與工作條件

X-SeriesⅡ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國ThermoFisher公司)，儀器工作參數(shù)見表1。

自制可調(diào)溫電熱板，自制密閉溶樣罐。

表1 ICP-MS儀器工作參數(shù)Table 1 Operation parameters of the ICP-MS instrument

1.2 標準和主要試劑

混合標準工作液:Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu;使用時用2%硝酸逐級稀釋至所需濃度。

質(zhì)譜最佳調(diào)諧液:2 μg/L的Li、Be、Co、In、Bi、U標準溶液。

內(nèi)標溶液:10 μg/L的Rh溶液，測試時由微型三通在線加入。

氫氟酸、硫酸、高氯酸均為優(yōu)級純。硝酸、鹽酸由市售的優(yōu)級純試劑亞沸蒸餾制得。實驗用水為18.25 MΩ·cm的高純水(AWL-6000-U型超純水儀，重慶Aquapro公司)。

1.3 樣品處理和分析方法

在ICP-MS多元素分析中，選用合適的樣品前處理方式，使樣品中待測元素完全分解溶出，且被測元素不會揮發(fā)損失是十分重要的。因地質(zhì)樣品中稀土元素含量通常較低，在使用堿熔法時，常需要對樣品進行分離富集處理后進行測定，過程繁瑣。微波消解法雖然溶樣效果較好，但批次處理樣品件數(shù)過少，效率不高，無法應(yīng)用于大批量樣品的測試。本文嘗試采用7種混合酸體系敞開酸溶及高壓密閉酸溶兩套方案對樣品進行前處理。

1.3.1 混合酸敞開酸溶溶樣

稱取試樣(0.0500±0.0005)g于50 mL聚四氟乙烯坩堝中，用幾滴水潤濕，加入混合酸3 mL，將聚四氟乙烯坩堝置于200℃電熱板上蒸發(fā)至酸煙冒盡;稍冷后用少量水沖洗坩堝邊緣，加入2.5 mL新配制王水，在電熱板上加熱溶解5 min后，取下冷卻，將溶液轉(zhuǎn)入10 mL塑料管中，定容，搖勻，澄清。移取澄清溶液1 mL于10 mL塑料管中，用2%的硝酸稀釋至10 mL，搖勻，備上機測定。按ICP-MS儀器工作條件對空白溶液、標準溶液、樣品溶液進行測定。

以上涉及的混合酸敞開酸溶體系有7種，說明如下。

體系1:硝酸-氫氟酸(體積比7∶5)。

體系2:硝酸-氫氟酸-鹽酸(體積比2∶1∶1)。體系3:硝酸-氫氟酸-高氯酸(體積比7∶4∶1)。體系4:硝酸-氫氟酸-硫酸(體積比3∶2∶1)。體系5:硫酸-氫氟酸(體積比5∶1)。

體系6:硝酸-氫氟酸-鹽酸-高氯酸(體積比7∶2∶2∶1)。

體系7:硝酸-氫氟酸-鹽酸-硫酸-高氯酸(體積比5∶2∶2∶2∶1)。

1.3.2 硝酸-氫氟酸高壓密閉溶樣

稱取試料(0.0500±0.0005)g于自制聚四氟乙烯溶樣罐中，用幾滴水潤濕，加入1 mL硝酸、1 mL氫氟酸、3 mL水，蓋上蓋，裝入鋼套中，擰緊鋼套蓋。將溶樣器置于195℃烘箱中保溫48 h。取出，冷卻后開蓋，取出聚四氟乙烯溶樣罐，在電熱板上于180℃蒸發(fā)近干。加入1 mL硝酸蒸發(fā)近干，此步驟重復(fù)兩次。加入1 mL硝酸、4 mL水，再次封于鋼套中，置于135℃烘箱中保溫6 h。冷卻后開蓋，將試樣溶液轉(zhuǎn)入塑料瓶中，用水稀釋至10 mL，搖勻后分取1 mL溶液，稀釋至5 mL，再次搖勻后待ICP -MS上機測定。

為有效地克服基體效應(yīng)、儀器的接口效應(yīng)以及儀器波動產(chǎn)生的影響，需在ICP-MS測定過程中通過微型三通在線加入內(nèi)標元素對其進行校準。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶樣體系結(jié)果分析

2.1.1 不同混合酸敞開酸溶體系

為更好地試驗不同混合酸體系溶出地質(zhì)樣品中稀土元素的效果，在59件國家一級標準樣品中挑選稀土元素含量低、中、高三件樣品(GBW 07122、GBW 07108、GBW 07430)進行試驗。7種混合酸敞開酸溶實驗結(jié)果以ΔlgC(GBW)表示。

按照7種酸體系及設(shè)定的各酸用量，對樣品進行分析測試。為了放大稀土元素溶出效果，各體系樣品稱樣量改為0.1000 g，各種酸用量總和為6 mL。不同酸體系溶樣試驗結(jié)果見表2。分析表2可以看出，敞開酸溶時，體系3對地質(zhì)樣品的溶出程度高低不夠一致，使測定結(jié)果或偏低或偏高，不夠理想。體系1、2、6不能將稀土完全溶出，尤其對稀土元素含量高的 GBW 07430，體系1、2對其溶出率約為38%，此三體系均沒有加入硫酸。體系4、5、7的測定結(jié)果相對較為理想，其中體系5優(yōu)于體系4，體系7最佳，此三體系均加有硫酸。由此可見采用敞開酸溶體系溶解地質(zhì)樣品時，硫酸能比較有效地溶解稀土元素?？紤]到在體系4、5、7三體系中，體系5 (硫酸-氫氟酸體系)用酸種類少，引入的背景干擾相對較少，體系相對簡單，故敞開酸溶體系使用硫酸-氫氟酸對樣品進行前處理。

2.1.2 硝酸-氫氟酸高壓密閉溶樣體系

分析表2還可以得出，體系1(硝酸-氫氟酸敞開體系)除了存在不能完全分解高含量稀土樣品的缺陷外，對低、中稀土含量樣品中的稀土元素能有效分解溶出，而高壓密閉溶樣體系能充分利用高壓特點，使溶劑不斷循環(huán)回流達到有效分解樣品的效果，因此高壓密閉溶樣體系選用硝酸-氫氟酸混合酸體系。(鑒于學(xué)者對高壓密閉法研究的較多，本文未對其進行詳細的條件試驗研究，僅給出方法的檢出限、準確度、精密度等指標。)

表2 不同敞開酸溶體系溶樣的準確度結(jié)果Table 2 Accuracy tests of the method with different open acid digestion systems

2.2 樣品稱樣量及酸用量試驗

對于硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系，用單因素試驗法對GBW 07449進行分析測試。從圖1結(jié)果可以得出，在硫酸-氫氟酸體系中硫酸和氫氟酸的用量不同，對豐度值較高的Y、La、Ce的影響稍大，對其他元素的影響則不明顯，其中系列5效果最好，因此選用硫酸用量為1 mL，氫氟酸的用量為2.5 mL，作為后續(xù)實驗的酸用量。

關(guān)于密閉酸溶取樣量和酸用量的問題，何紅蓼等［10］做過詳盡的實驗研究，表明樣品取樣量在0.0500 g時效果較好，不同酸的用量對分析測試結(jié)果無明顯影響，故本試驗選用硝酸和氫氟酸的用量均為1 mL，作為后續(xù)實驗的酸用量。

2.3 各元素測量的同位素及方法檢出限

在稀土元素分析測定時，選擇合適的同位素可在一定程度上避開輕質(zhì)量同位素的氧化物對重稀土元素所產(chǎn)生的干擾［12］，結(jié)合各同位素在地球中的同位素豐度［13］選擇合適的同位素。針對稀土分量中可能產(chǎn)生質(zhì)譜干擾的同位素，則可根據(jù)實測樣品結(jié)果進行選擇。

對Eu、Yb、Lu三元素同位素的選擇，根據(jù)測試結(jié)果的準確度選取其同位素分別為153Eu、174Yb、175Lu。本方法確定的測定同位素、硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系和硝酸-氫氟酸密閉酸溶體系的檢出限結(jié)果列于表3。由于硝酸-氫氟酸密閉酸溶體系的試劑用量更少，加之該體系的基體雜質(zhì)峰較少，因此檢出限更低，如釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥的檢出限明顯優(yōu)于王君玉等［11］研究的五酸敞開溶樣法。

圖1 硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系酸用量試驗Fig.1 The results of different acid concentration of H2SO4-HF

表3 測量同位素及檢出限Table 3 The isotopes of the determined elements and the detection limits of the elements

2.4 方法準確度

將59件國家標準物質(zhì)按1.3節(jié)方法制備溶液，在儀器最佳工作條件下進行測定，由于測試的數(shù)據(jù)多(2655個)，無法一一列出，本文只給出三類樣品各元素的準確度合格率統(tǒng)計結(jié)果，見表4。

表4 方法的準確度合格率結(jié)果統(tǒng)計Table 4 The correct rate of the measurement

混合酸敞開酸溶及密閉溶樣兩種樣品處理體系的準確度試驗中，釓的準確度結(jié)果稍差，其余標準物質(zhì)的其他元素準確度合格率均大于95%。但超差元素的樣品無規(guī)律可循，故可排除非系統(tǒng)誤差所致，疑為偶然誤差或樣品自身較為特殊造成，有待開展更多的工作進行試驗研究。

2.5 方法精密度

選用各稀土元素含量適中的國家標準物質(zhì)GBW 07404做方法精密度實驗，將其制成12份待測溶液進行測定，計算得出本方法各元素的精密度結(jié)果見表5。由表5可以看出，兩體系所測稀土元素的精密度均小于10%，而硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系因受Ba的氧化物干擾較少，因此方法的精密度更優(yōu)。硝酸-氫氟酸密閉溶樣體系中，Gd的精密度已接近10%，這是由于Gd的12個測試結(jié)果中有一個離群值6.21(標準值4.70)所致。

2.6 ICP-MS分析稀土的干擾問題

在ICP-MS分析中，常見的干擾有同質(zhì)異位素干擾、多原子離子干擾、難熔氧化物干擾以及儀器非譜干擾(即基體效應(yīng))等類型。同質(zhì)異位素的干擾，可以結(jié)合自然界待測元素的豐度及實際測試結(jié)果選擇同位素，一般選擇豐度較大、干擾相對較少的同位素。而多原子離子峰比較明顯地存在于m/z 82以下，因此在稀土測試中可不考慮多原子離子干擾。在測試稀土元素時優(yōu)化儀器的工作參數(shù)，可以降低復(fù)雜基體樣品多原子離子的產(chǎn)率，一定程度上減輕難熔氧化物干擾。在減小基體效應(yīng)方面，采用內(nèi)標校正法，在線輸入內(nèi)標元素，可減小基體干擾。因為在所有基體中，硝酸中的多原子離子峰與去離子水獲得的峰基本相同，因此選用硝酸作為稀釋用酸。

表5 方法精密度Table 5 Precision tests of the method

在稀土元素分量測定過程中，不可避免地存在某些輕稀土元素的氧化物(如鋇的氧化物［14］)或氫氧化物對相應(yīng)重稀土元素的質(zhì)譜重疊干擾，如135Ba16O對151Eu、141Pr16O對157Gd、143Nd16O對159Tb均會產(chǎn)生干擾。但本實驗中敞開酸溶法使用硫酸溶礦，樣品中的鋇已大部分轉(zhuǎn)化為硫酸鋇而除去。通過對59件國家標準物質(zhì)的稀土測試結(jié)果準確度、精密度數(shù)據(jù)分析，表明在測試的土壤、水系沉積物、巖石樣品中未發(fā)現(xiàn)顯著的141Pr16O對157Gd、143Nd16O對159Tb兩種干擾。兩體系可不必進行數(shù)學(xué)干擾校正即可滿足《地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范》［15-16］相關(guān)要求。

3 結(jié)語

本方法采用硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系及硝酸-氫氟酸高壓密閉溶樣體系，對土壤、水系沉積物、巖石系列國家標準物質(zhì)進行前處理后采用ICP-MS測定稀土元素。兩套體系的方法檢出限、精密度、準確度均能達到地質(zhì)行業(yè)相關(guān)標準測試要求。對于硫酸-氫氟酸敞開酸溶體系，酸種類少，與文獻［11］報道的五酸敞開酸溶體系準確度、精密度指標相當(dāng);當(dāng)樣品中鋇含量較高、樣品量相對較少時，可選用此體系測試樣品中稀土元素含量，體現(xiàn)其處理時間上的優(yōu)勢。對于硝酸-氫氟酸高壓密閉溶樣體系，檢出限更低，酸用量為5 mL，對環(huán)境污染程度小，但其單批次樣品溶樣時間較長，約48 h，因此更適用于大批量樣品稀土含量的測試。

本工作研究的兩套方法均不需要進行數(shù)學(xué)干擾校正，且酸用量少(最多6 mL)，分析效率高(平均每日分析測試300件)，有較大的推廣應(yīng)用價值。本工作仍需要針對準確度稍差的個別標準樣品開展試驗研究工作，以進一步完善本方法。

致謝:感謝中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所漆亮研究員的悉心指導(dǎo)，同時對參與本項目研究的同事表示衷心感謝。

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Quick Determination of Rare Earth Elements in Geological Samples with Open Acid Digestion or High-pressure Closed Digestion by Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry

JIA Shuang-lin，ZHAO Ping，YANG Gang，SUN Xia，HE Hai
(Guizhou Central Laboratory of Geology and Mineral Resources，Guiyang 550018，China)

Common pretreatment such as alkali fusion，open acid digestion and microwave digestion are unsuitable for the determination of rare earth elements(REEs)in geological samples.The process of the alkali fusion method is complicated.The open acid digestion system often contains 3，or even 5 kinds of acid，and the reagent consumption is large.The microwave digestion pretreatment only treats 8 to 9 samples per batch.A method with the advantages of simple pretreatment，small acid consumption and rapid determination for digestion of geological samples and determination of 15 Rare Earth Elements by Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry(ICP-MS) is proposed here.Seven different acid digestion methods and the pressurized acid digestion method were studied by using 59 national standard reference materials.The analysis results show that the mixed acids of H2SO4and HF under open system and the pressurized acid digestion with HNO3and HF method dissolved the samples effectively.The accuracy and precision of the proposed method match well with the geological standard.This method also demonstrates that the results are satisfied without mathematical calibration.The H2SO4-HF open acid digestion is suitable for less sample weight or high Ba content samples.The pressurized acid digestion of HNO3and HF method with lower detection limit is good for large quantities of samples.Both methods are reliable for REEs determination without mathematical interference correction.The acid consumption is less than 6 mL and up to 300 samples per day can be analyzed.

geological samples;rare earth elements;Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry;open acid digestion;high-pressure closed digestion

O614.33;O657.63

A

0254-5357(2014)02-0186-06

2013-10-27;接受日期:2013-11-21

貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)科研項目(黔地礦科合(2012)14號)

賈雙琳，碩士，工程師，主要從事巖石礦物分析測試工作。E-mail:shuanglin0070@163.com。