電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定鈾鈮混合氧化物中的釤、銪、釓、鏑

龍紹軍，廖志海，安身平，王 鵬，喬洪波，郭 蓉，費(fèi) 浩

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610005

電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定鈾鈮混合氧化物中的釤、銪、釓、鏑

龍紹軍，廖志海，安身平，王 鵬，喬洪波，郭 蓉，費(fèi) 浩

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610005

建立了應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定鈾鈮混合氧化物中痕量的稀土元素(Sm、Eu、Gd、Dy)的方法。這四種稀土元素在核燃料中的含量在10-7g/g以下，但熱中子截面很大，準(zhǔn)確測(cè)定其在核燃料中的含量對(duì)于核燃料的研究至關(guān)重要。樣品經(jīng)HNO3-HF快速溶解后，應(yīng)用CL-TBP萃淋樹脂分離U基體，以115In作為測(cè)定內(nèi)標(biāo)校正基體干擾和儀器漂移，標(biāo)準(zhǔn)模式下應(yīng)用ICP-MS定量測(cè)定淋洗液中Sm、Eu、Gd和Dy，半定量分析基體U。四種稀土元素的質(zhì)量濃度為0.01～1.00 μg/L，線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)(r)均大于0.999，檢出限為0.001～0.002 μg/L。對(duì)于添加0.2 μg/L的稀土元素，稀土元素的回收率為84.3%～97.3%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(sr)為5.3%～8.7%(n=6)，能夠滿足實(shí)際樣品測(cè)定需要。

鈾鈮混合氧化物；釤；銪；釓；鏑；電感耦合等離子體質(zhì)譜

總硼當(dāng)量是評(píng)價(jià)核燃料化學(xué)性能的核心參數(shù)之一。Sm、Eu、Gd、Dy的熱中子吸收截面很大[1]，對(duì)總硼當(dāng)量的計(jì)算貢獻(xiàn)很大，準(zhǔn)確測(cè)定這四種稀土元素的含量對(duì)于核燃料的科研生產(chǎn)具有重要的意義。而這四種元素在鈾鈮混合氧化物中含量小于10-7g/g，準(zhǔn)確測(cè)定其在鈾鈮混合氧化物中的含量技術(shù)難度較大。

U是一種具有放射性的元素，Nb是一種耐高溫、耐腐蝕的元素，對(duì)于U、Nb混合基體中微量元素的分析測(cè)定，難度較大。目前關(guān)于鈾鈮混合基體中痕量稀土元素的測(cè)定、混合基體的分離富集問(wèn)題未見公開報(bào)道。關(guān)于核燃料中稀土元素的測(cè)定，相近的公開報(bào)道主要是單一U基體中稀土元素的測(cè)定[2-5]，但都未涉及到Nb基體的影響和U-Nb基體的分離問(wèn)題。與其它測(cè)試技術(shù)相比[6]，電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)具有離子化效率高、靈敏度高、檢測(cè)速度快、檢出限低[7]等優(yōu)點(diǎn)，在痕量稀土元素的測(cè)定方面應(yīng)用較多[8]。

本工作擬應(yīng)用ICP-MS準(zhǔn)確測(cè)定鈾鈮混合氧化物中痕量的Sm、Eu、Gd、Dy。從同位素質(zhì)量數(shù)的選擇、內(nèi)標(biāo)元素的選擇、內(nèi)標(biāo)的校正、基體的干擾、U基體的分離、四種稀土元素的測(cè)定等方面展開討論，建立鈾鈮混合氧化物中痕量Sm、Eu、Gd、Dy的測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

NexION 300X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國(guó)PE公司，配備耐氫氟酸霧化器、寶石中心管；ALC-110.4電子天平，感量0.1 mg，德國(guó)Acculab公司。

Sm、Eu、Gd、Dy、Y、Rh、In和Nb的單一標(biāo)準(zhǔn)溶液，1 000 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別為：GSB G 62051-90、GSB G 62052-90、GSB G 62053-90、GSB G 62055-90、GSB G 62032-90、GSB G 62037-90、GSB G 62041-90、GSB G 62034-90，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心。U3O8國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，GBW 04201，中國(guó)核工業(yè)總公司蘭州核燃料廠。實(shí)驗(yàn)用水為電阻率約為18.25 MΩ·cm的超純水。其余試劑均為優(yōu)級(jí)純。CL-TBP萃淋樹脂，粒徑為75～125 μm，核工業(yè)北京化工冶金研究院。聚乙烯分離柱，φ8.0 mm，聚四氟乙烯活塞，柱長(zhǎng)25 cm。

1.2基體的分離

(1) 分離柱的制備：取一定量 CL-TBP萃淋樹脂于燒杯中，加入一定量的超純水，浸泡樹脂，24 h后濕法裝柱，裝柱約為20 cm，用5.5 mol/L的HNO3溶液平衡分離柱。

(2) 樣品處理：稱取0.1 g(精確至0.000 1 g)的鈾鈮混合氧化物，研磨后于聚四氟乙烯燒杯中，加入1 mL優(yōu)級(jí)純的HF和2 mL優(yōu)級(jí)純的HNO3于電熱板上加熱150 ℃左右溶解樣品。溶解完全后，用5.5 mol/L的HNO3調(diào)整酸度并濃縮體積至1 mL左右。

(3) U基體的分離：將上述樣品溶液轉(zhuǎn)入平衡好的分離柱中，用5.5 mol/L的HNO3淋洗稀土元素，保持流速為0.5～1.0 mL/min，收集淋洗液25 mL，將淋洗液稀釋20倍待測(cè)。之后用超純水淋洗U基體。

2 結(jié)果與討論

2.1同位素質(zhì)量數(shù)的選擇

考慮到U、Nb基體以及環(huán)境中易沾污元素Ba、Ca、K、Si、Mg、Na的干擾；兼顧同位素豐度和稀土同位素相互之間的干擾選擇149Sm、153Eu、157Gd、161Dy作為方法的測(cè)定質(zhì)量數(shù)。

2.2內(nèi)標(biāo)元素的選擇

考慮U、Nb基體，以及待測(cè)Sm、Eu、Gd、Dy的元素特性，初步選擇89Y、103Rh、115In作為內(nèi)標(biāo)核素。模擬實(shí)驗(yàn)中所涉及的基體條件，探討115In、103Rh、89Y(各1.0 μg/L)與四種稀土元素(各0.5 μg/L)在表1的干擾條件下，各元素在基體效應(yīng)和時(shí)間漂移影響下的響應(yīng)行為，結(jié)果示于圖1。從圖1可知，四種稀土元素(曲線4—7)的響應(yīng)行為相似，89Y(曲線1)的響應(yīng)行為與稀土元素差異較大，115In(曲線3)的響應(yīng)行為與稀土元素接近。因此，選擇115In作為本研究的內(nèi)標(biāo)核素。

2.3工作曲線的校正

配制0.01～1.00 μg/L的混合稀土(Sm、Eu、Gd、Dy)系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，在115In內(nèi)標(biāo)校正下，各稀土元素工作曲線的線性相關(guān)系數(shù)r比較列入表2。由表2可知，內(nèi)標(biāo)115In能夠提高工作曲線的線性關(guān)系。

表1 不同基體條件Table 1 Deferent matrix

1——89Y，2——103Rh，3——115In，4——Eu，5——Sm，6——Gd，7——Dy

表2 加入內(nèi)標(biāo)前后線性相關(guān)系數(shù)r的比較Table 2 Comparison r of internal standard added to the front and rear

2.4U、Nb基體對(duì)稀土元素測(cè)定的干擾

基體干擾在ICP-MS測(cè)定過(guò)程中，會(huì)對(duì)測(cè)定信號(hào)產(chǎn)生抑制/增強(qiáng)作用，而目前對(duì)于這種抑制/增強(qiáng)效應(yīng)，還沒有文獻(xiàn)確切的表明具體機(jī)理?？紤]到鈾鈮混合氧化物中鈾鈮質(zhì)量比約為4∶1，為探討U、Nb基體對(duì)Sm、Eu、Gd、Dy測(cè)定所帶來(lái)的干擾，模擬稱樣量為0.1 g時(shí)，按照1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，分離U基體后，最終待測(cè)溶液主要是小于40 mg/L的Nb基體。因此以1.0 μg/L的115In作為內(nèi)標(biāo)，探討10、100、1 000、10 000、20 000、50 000 μg/L的U、Nb、U和Nb混合基體對(duì)0.5 μg/L的稀土(Sm、Eu、Gd、Dy)混標(biāo)溶液測(cè)定的干擾。三種基體對(duì)四種稀土元素的測(cè)定影響示于圖2。由圖2可知：只加入Nb基體時(shí)，四種稀土元素的質(zhì)量濃度在0.48～0.52 μg/L間波動(dòng)，干擾較小；只加入U(xiǎn)基體時(shí)，當(dāng)ρ(U)<1 000 μg/L時(shí)，影響較小，ρ(U)≥1 000 μg/L后，U對(duì)于稀土元素的抑制效應(yīng)表現(xiàn)明顯；同時(shí)加入10、100、1 000、10 000、20 000、50 000 μg/L U和Nb基體時(shí)，對(duì)于稀土元素的測(cè)定產(chǎn)生明顯的干擾，隨著混合基體的濃度增大，抑制效應(yīng)越明顯，基體濃度為50 000 μg/L時(shí)，四種稀土元素的響應(yīng)比均低于0.4 μg/L，說(shuō)明對(duì)Sm、Eu、Gd、Dy的抑制效應(yīng)主要是U表現(xiàn)出來(lái)的。

鈾鈮混合氧化物中，Sm、Eu、Gd、Dy與混合氧化物中U、Nb基體的質(zhì)量比達(dá)到10-7，如果僅僅依靠逐級(jí)稀釋法來(lái)解決U基體的干擾，又突破了儀器對(duì)Sm、Eu、Gd、Dy的檢測(cè)下限，難以得到準(zhǔn)確的測(cè)定結(jié)果。而且，由于U是一種放射性元素，在實(shí)際研究和應(yīng)用中都需要盡量控制U的濃度，以防止U對(duì)人員、環(huán)境、儀器等的放射性污染和重金屬污染，所以在測(cè)定之前需對(duì)U進(jìn)行分離處理。

2.5淋洗體積的選擇

CL-TBP萃淋樹脂已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于核燃料與材料的分離分析以及其他工藝中的分離和分析。在5.5 mol/L的HNO3體系中，CL-TBP對(duì)于U的分離效果最好。本工作應(yīng)用CL-TBP萃淋樹脂對(duì)U和Nb混合氧化物中的基體進(jìn)行分離。

基于Zhu等[9]綜述國(guó)內(nèi)外關(guān)于Nb的萃取分離研究結(jié)果，通過(guò)1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CL-TBP萃淋樹脂在硝酸體系中對(duì)Nb幾乎沒有萃取效果。根據(jù)2.4節(jié)結(jié)果，Nb對(duì)本研究中稀土元素的測(cè)定影響較小，考慮到方法的操作性和基體的簡(jiǎn)單性，本文沒過(guò)多討論對(duì)于Nb的分離效果。

1——U基體(Matrix)，2——Nb基體(Matrix)，3——U和Nb混合基體(U and Nb matrix)

1——Sm，2——Eu，3——Gd，4——Dy

按照1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，用5.5 mol/L的HNO3溶液淋洗稀土元素，棄去前3 mL，每3 mL淋洗液收集一次，總共收集24 mL(8次)。將上述淋洗液稀釋后并用ICP-MS依次測(cè)定，由工作標(biāo)準(zhǔn)曲線得出各溶液中稀土元素的質(zhì)量濃度。各淋洗液中稀土元素的加入回收率示于圖3。由圖3可知，四種稀土元素主要集中于6 ～21 mL的淋洗液中。在接收淋洗液25 mL的過(guò)程中，黃色的U吸附帶始終處于分離柱的上端，不隨淋洗液移動(dòng)。因此，實(shí)際樣品中接收淋洗液體積為25 mL。

半定量測(cè)定淋洗稀釋液中的U，測(cè)得ρ(U)=90 μg/L，因此分離后，溶液中的基體主要是Nb(ρ(Nb)≈40 mg/L)，由圖2 知，其對(duì)Sm、Eu、Gd、Dy測(cè)定干擾較小。通過(guò)計(jì)算得到該方法對(duì)于U的分離效率大于99.5%。

2.6樣品分析及方法的回收率、檢出限和精密度

應(yīng)用某實(shí)際樣品，按照1.2節(jié)方法分離基體后，對(duì)樣品6次平行試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的精密度[10](n=6)，并以該樣品為基礎(chǔ)6次平行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的加入回收率，結(jié)果列入表3。按照1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行11次空白樣品試驗(yàn)，取空白實(shí)驗(yàn)3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，以工作曲線低點(diǎn)斜率計(jì)算方法的檢出限(DL)。由表3可知：稀土元素的回收率較好，為84.3%～97.3%，平均回收率為90%左右，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.3%～8.7%(n=6)；方法的檢出限為0.001～0.002 μg/L，檢出限較好，能夠滿足實(shí)際樣品檢測(cè)需要。

3 結(jié) 論

應(yīng)用CL-TBP萃淋樹脂，在5.5 mol/L HNO3溶液分離U基體之后，選用115In作為內(nèi)標(biāo)，有效地減小了基體效應(yīng)和校正了儀器漂移。結(jié)果表明：稀土元素的回收率較好，為84.3%～97.3%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.3%～8.7%(n=6)；四種稀土元素的質(zhì)量濃度為0.01～1.00 μg/L，線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)(r)均大于0.999；方法的檢出限為0.001～0.002 μg/L，能夠滿足實(shí)際樣品測(cè)定需要。

表3 方法的回收率、精密度和檢出限Table 3 Precision, recovery and DL of method

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DeterminationofTraceAmountsofSm,Eu,GdandDyinU-NbMixedOxide
byInductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry

LONG Shao-jun, LIAO Zhi-hai, AN Shen-ping, WANG Peng,
QIAO Hong-bo, GUO Rong, FEI Hao

National Key Laboratory for Nuclear Fuel and Material, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610005, China

A method was developed for determination of trace rare earth elements ( Sm, Eu, Gd and Dy ) in U-Nb mixed oxide using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Though the contents of these four rare earth elements in nuclear fuel are below 10-7g/g, the accurate determination of their contents in nuclear fuel is crucially important to the research of nuclear fuel for their thermal neutron-absorption cross-sections are large. After the sample was dissolved fast by HNO3-HF acids, U matrix was separated using CL-TBP extraction resin.115In was used as internal standard to correct matrix interference and instrument drift for quantitative determination of Sm, Eu, Gd and Dy in eluate, semi-quantitative determination of U in eluate by ICP-MS. The method has a good linear correlation (r>0.999) in the range of 0.01-1.00 μg/L and the detection limit is between 0.001-0.002 μg/L. For the add concentrations of rare earth elements is 0.2 μg/L, the recovery is between 84.3%-97.3% and the relative standard deviation (sr) is between 5.3%-8.7% (n=6). The method can be available in practical application.

U and Nb mixed oxide; Sm; Eu; Gd; Dy; ICP-MS

2014-03-02；

2014-05-20

龍紹軍(1989—)，男，重慶巫溪人，研究實(shí)習(xí)員，從事核燃料及材料化學(xué)分析研究

O657.6

A

0253-9950(2014)06-0352-05

10.7538/hhx.2014.36.06.0352