高壓粉末制樣波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法測(cè)定生物樣品中23種元素

于兆水，張 勤，李小莉，樊守忠，潘晏山，李國(guó)會(huì)

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；

2.天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170)

生物樣品中元素含量的分析方法有電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)[1]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[2-3]、原子吸收光譜法(AAS)[4]、原子熒光光譜法(AFS)[5]等。采用X射線熒光光譜法(XRF)測(cè)定生物樣品中多種元素也時(shí)有報(bào)道，但均是采用低壓粉末制樣[6-11]。本課題組從20世紀(jì)90年代就開展了XRF測(cè)定植物樣品中多元素分析方法的研究[12-14]，開拓性地采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或高純?cè)噭┖臀⒕Юw維素模擬配制植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，彌補(bǔ)了植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)量的不足，建立了25種元素的分析方法，并應(yīng)用于實(shí)際樣品分析中，適合于元素含量較高的樣品測(cè)量。但是由于采用低壓(壓強(qiáng)220～440 MPa)粉末制樣，難以將生物樣品壓制成符合測(cè)定需要的樣片，所制樣片表面粗糙、疏松，粉末容易脫落，對(duì)XRF儀器樣品室污染嚴(yán)重，影響儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，特別是下照射型XRF儀器對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大，需要經(jīng)常清理樣品室，加大了分析成本。

鑒于傳統(tǒng)低壓制樣存在的缺陷，本課題組研制了高壓制樣新技術(shù)(專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310125772.5)，采用自行研制的高壓模具(專利號(hào)：ZL 201020642764.8)，在1760 MPa壓力下直接壓制各種類型的生物樣品，所制樣片表面光滑、致密，較好地解決了壓制樣片表面粗糙、疏松，粉末容易脫落的難題，建立了波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法直接測(cè)定生物樣品中23種主次量元素(Al、Ca、Cl、K、Mg、Na、P、S、Si、Ba、Br、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Rb、Sr、Ti、V、Zn)的分析方法，分析結(jié)果重現(xiàn)性得以大幅改善，降低了方法檢出限，提高了方法精密度和準(zhǔn)確度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及工作條件

Axios Advanced型波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀(荷蘭帕納科公司)，超尖銳薄鈹窗銠靶X光管，功率4.0 kW，最大管壓66 kV，最大管流160 mA，分析軟件SuperQ5.0A，68個(gè)進(jìn)樣位。

YAW-3000D型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，最高壓力3300 MPa。

不同類型的生物樣品，元素含量變化范圍非常大，例如Fe的含量范圍為6.3～14503 μg/g，Na為0.001%～2.17%。因此，必須對(duì)每種元素的分析條件進(jìn)行仔細(xì)選擇，特別是要適當(dāng)增加微量元素的測(cè)量時(shí)間來提高分析準(zhǔn)確度。被測(cè)元素具體的測(cè)量條件見表1。

表1 XRF儀器分析條件

1.2 樣品制備

樣品制備采用粉末壓片法。稱取經(jīng)105℃烘干的生物樣品6.0 g，放入模具內(nèi)撥平，用6.0 g低壓聚乙烯鑲邊墊底。采用專利高壓制樣技術(shù)(專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310125722.5)升壓至1760 MPa，保壓30 s，壓制成試樣內(nèi)徑為32 mm，外徑40 mm的圓片。標(biāo)記樣品編號(hào)，置于干燥器內(nèi)保存，待測(cè)。

1.3 校準(zhǔn)樣品

選用國(guó)家一級(jí)生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 10010～GBW 10028(GSB-1～GSB-30)作為標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制校準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)樣品中各元素的含量范圍見表2。本項(xiàng)目建立的分析方法主要是針對(duì)基體和元素含量與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)接近的生物樣品。

表2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中元素含量范圍

2 結(jié)果與討論

2.1 高壓粉末制樣實(shí)驗(yàn)

XRF日常分析的主要過程是制樣、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)代XRF儀的測(cè)定和數(shù)據(jù)處理都是在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)進(jìn)行，不需要操作者過多干預(yù)。儀器長(zhǎng)期綜合穩(wěn)定性小于0.05%。然而，在實(shí)際樣品分析中，分析重現(xiàn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.05%，甚至達(dá)到10%以上。因此制樣是XRF分析的重要環(huán)節(jié)，更是影響XRF分析準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性的主要因素。

高壓制樣技術(shù)克服了傳統(tǒng)低壓制樣的缺陷，在1760 MPa壓力下所制樣片表面光滑、致密，完全消除了粉末脫落現(xiàn)象，并能在一定程度上提高準(zhǔn)確度，降低檢出限[15]。采用國(guó)家一級(jí)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 10020(GSB-11，柑橘葉)進(jìn)行試驗(yàn)，選用GBW 10020是因?yàn)槠湓诘蛪合?440 MPa)也能制備成符合測(cè)定要求的樣片。由表3可以看出，與低壓制樣(440 MPa)相比，高壓制樣(1760 MPa)的重現(xiàn)性得以大幅改善，5次制樣重現(xiàn)性為0.1%～2.6%；并且，大多元素的測(cè)定靈敏度也比低壓時(shí)高1%～3%。

表3 高壓和低壓制樣重現(xiàn)性的比較

2.2 基體效應(yīng)及譜線重疊干擾校正

生物樣品主要是由C、H、O、N等輕元素組成，基體的平均原子序數(shù)較小，X射線散射效應(yīng)明顯，采用內(nèi)標(biāo)校正法具有一定補(bǔ)償作用，校正結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)標(biāo)的影響

表4中RMS是評(píng)價(jià)回歸曲線優(yōu)劣的指標(biāo)，RMS值越小，表明校準(zhǔn)回歸曲線越好。RMS計(jì)算公式：

式中：n為標(biāo)樣個(gè)數(shù)，k為計(jì)算系數(shù)的個(gè)數(shù)，Cchem為標(biāo)準(zhǔn)值，Ccalc為計(jì)算值。

由表4可以看出，Rh Kα康普頓作內(nèi)標(biāo)不僅對(duì)Ba、Br、Co、Cr、Mn、Ni、Rb、Zn等微量元素具有校正作用，而且對(duì)K、Al、P、Si、Fe等常量元素也具有明顯的補(bǔ)償作用。Ca、Cl、Cu、Ti、V等元素則需采用背景作內(nèi)標(biāo)才能獲得較好的補(bǔ)償作用。Mg、Na、S不需內(nèi)標(biāo)即可獲得比較好的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

在用內(nèi)標(biāo)校正標(biāo)準(zhǔn)曲線的同時(shí)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)α系數(shù)法校正基體效應(yīng)才可獲得較好的校正效果，本法是使用帕納科公司SuperQ軟件所帶的綜合數(shù)學(xué)公式校正基體效應(yīng)，公式為：

式中：Ci為校準(zhǔn)樣品中分析元素i的含量(在未知樣品分析中為基體校正后分析元素i的含量)；Di為分析元素i的標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距；Lim為干擾元素m對(duì)分析元素i的譜線重疊干擾校正系數(shù)；Zm為譜線重疊干擾元素；Ei為分析元素i標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；Ri為分析元素i的計(jì)數(shù)率(或與內(nèi)標(biāo)的強(qiáng)度比值)；Zj、Zk為共存元素的含量或計(jì)數(shù)率；N為共存元素的數(shù)目；α、β、γ、δ為校正基體效應(yīng)的因子；i為分析元素；m為干擾元素；j和k為共存元素。

2.3 方法檢出限

各分析元素的理論檢出限(LOD)，按下式進(jìn)行計(jì)算(對(duì)于95%的置信度)：

式中：m為單位含量的計(jì)數(shù)率；Ib為背景計(jì)數(shù)率；t為峰值和背景的總測(cè)量時(shí)間(s)。

理論檢出限的計(jì)算沒有考慮基體因素，更沒有考慮制樣過程的影響，因此計(jì)算出的元素檢出限與實(shí)際能報(bào)出的結(jié)果會(huì)有較大差別。為了克服上述缺點(diǎn)，選用含量接近于檢出限的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，制備12個(gè)樣片，按表1中的測(cè)量條件測(cè)定，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中含量最低的元素所對(duì)應(yīng)的12次測(cè)定的相對(duì)偏差σ，將其乘以3即為本方法的檢出限，采用此法計(jì)算出來的檢出限與實(shí)際能報(bào)出的結(jié)果基本相同。

表5為高壓制樣(1760 MPa)和傳統(tǒng)低壓制樣(440 MPa)的檢出限的比較，可以看出高壓制樣的檢出限大多優(yōu)于低壓制樣的檢出限。

2.4 方法精密度

選取生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)制備12個(gè)樣片，按表1的測(cè)量條件分別對(duì)12個(gè)樣片進(jìn)行測(cè)量，將所得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由表6的數(shù)據(jù)可知，元素Al、Ca、Cl、K、Mg、Na、S、Si、P、Cu、Fe、Mn、Rb、Sr、Ti、Br、Ba、Zn、V的精密度為0.4%～11.3%；而元素Co、Cr、Ni、Pb由于含量較低，精密度稍差(2.2%～26.2%)，基本上能滿足分析要求。

表5 方法檢出限

表6 方法精密度

2.5 方法準(zhǔn)確度

選取未參加曲線校準(zhǔn)的2個(gè)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)制備2個(gè)樣片，按表1的測(cè)量條件分別對(duì)2個(gè)樣片進(jìn)行測(cè)量，將所得的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。由表7中的數(shù)據(jù)可知，除Cr、Pb 的相對(duì)誤差稍大外，其余元素的相對(duì)誤差均小于12%，表明本方法的準(zhǔn)確度能滿足分析要求。

表7 方法準(zhǔn)確度

3 結(jié)語

采用高壓粉末壓片制樣克服了低壓制樣的局限，解決了粉末脫落問題，降低了XRF儀器維護(hù)成本；而且對(duì)生物樣品能很好壓制成型，壓制的樣片短時(shí)間內(nèi)不會(huì)反彈，改善了生物樣品的制樣重現(xiàn)性，提高了方法精密度。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、散射線內(nèi)標(biāo)法和背景內(nèi)標(biāo)法校正基體效應(yīng)，用XRF法測(cè)定生物樣品中23種主次量元素，方法簡(jiǎn)便、靈敏、準(zhǔn)確，已應(yīng)用于實(shí)際樣品分析中。

高壓制樣不僅適用于生物樣品的制備，而且適用于其他各種類型樣品，解決了黏結(jié)力較小的樣品的制備問題(例如煤、礦石等)，發(fā)展了固體制樣技術(shù)，極大地?cái)U(kuò)展了XRF分析領(lǐng)域。

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