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电感耦合等离子体原子发射光谱法、X射线荧光光谱法和摄谱法测定

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冶金分析,2015,35(5):48—53 Metallurgical Analysis,2015,35(5):48—53 电感耦合等离子体原子发射光谱法、 X射线荧光光谱法和摄谱法测定地球化学 样品中铜、铅、锌、镍的比较 苏梦晓,陆安军 (广西第四地质队,广西南宁530031) 摘 要:从分析样品的制备、分析方法的检出限、精密度和准确度方面,对同时测定地球化学样 品中的铜、铅、锌和镍的电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP—AES)、X射线荧光光谱法 (XRF)和摄谱法进行了比较。其中ICP—AES采用王水溶样,各元素选用干扰较少的分析线进 行测定;XRF采用岩石、土壤、水系沉积物和合成灰岩光谱分析标准物质等国家标准物质绘制 校准曲线,使用铑靶Ka线的康普顿散射线作内标校正基体效应;摄谱法无需称样,采用碘酸 钾饱和溶液作为缓冲剂进行摄谱,CTS计算机自动译谱仪进行定量译谱。经过比较后得出: ICP—AES测量范围宽,检出限低,精密度高,准确度好,适合大批量地球化学样品中铜、铅、锌、 镍的测定;XRF检出限、精密度和准确度基本满足区域地球化学调查规范的要求,其分析效率 取决于地球化学样品压制的成型率;摄谱法检出限、精密度和准确度基本符合要求,其分析流 程长,操作繁琐,对于大批量地球化学样品测定,分析效率比较低。 关键词:电感耦合等离子体原子发射光谱法;X射线荧光光谱法;摄谱法;地球化学样品;铜; 铅;锌;镍 文献标志码:A 文章编号:1000—7571(2O15)05—0048—06 区域地球化学调查样品分析的特点是分析元 素及样品数量多,分析方法检出限低、精密度好、准 确度高,分析周期短,效率高和分析成本低。因此在 分析方法的选择上,必须根据区域地球化学调查的 等离子体原子发射光谱法(ICP—AES)[3-6]、x射线 荧光光谱法(XRF)[7-1 23、电感耦合等离子体质谱法 (ICP—MS)[1 3-1 6]及传统的摄谱法口 。近年来ICP- MS以其较高的精密度和较低的检出限已用于地球 化学样品中多元素的测定,但ICP—MS基体效应大, 对分析溶液中的含盐量耐受力差,使用条件较为苛 刻,不太适合数量庞大的地球化学样品的测试。为 了适应区域地球化学调查的需要,本文选择了电感 要求,充分发挥现代分析仪器多元素同时测定的优 势,对分析方法进行合理的选择。 铜、铅、锌、镍是地球化学勘查中重要的分析元 素,《多目标区域地球化学调查规范(1:250000)》中 全量分析测定指标的54项、《区域地球化学勘查规 耦合等离子体原子发射光谱法、x射线荧光光谱法 和摄谱法分别对地球化学样品中铜、铅、锌、镍进行 范比例尺:1:200000》要求分析的39种元素和氧 化物、《地球化学普查规范(1:5OOO0)》列举的33种 元素,都包含了这4个元素。这4个元素的检测方 测定,并从分析样品的制备、分析方法的检出限、精 密度和准确度等几个方面进行分析和探讨,为选择 法主要是原子吸收光谱法(AAS)l】 J,但因该方法 化学干扰较严重、校准曲线线性范围窄,且原子吸 收光谱仪只能单元素测定,因此很难满足大批量地 球化学样品多个元素同时检测的需求。目前能一次 同时分析这4种元素的分析方法,主要有电感耦合 收稿日期:2014—08—19 地球化学样品检测方法提供依据。 1 实验部分 1.1 主要设备及工作条件 Optima 7300 V电感耦合等离子体发射光谱仪 作者简介:苏梦晓,助理工程师,从事等离子体光谱仪的管理和地质样品测试工作;E—mail:229764837@qq.com 48—— 苏梦晓,陆安军.电感耦合等离子体原子发射光谱法、x射线荧光光谱法和摄谱法测定地球化学 样品中铜、铅、锌、镍的比较.冶金分析,2015,35(5):48—53 (美国PerkinElmer公司):高盐雾化器,WinLab32 ZHY一601B压样机(北京众合创业科技发展有 操作软件。仪器参数:射频功率为1 300 W,等离子 限责任公司):最大压力为45 t。 体气流量为15 L/rain,辅助气流量为0.2 L/min,雾 WSP-1型两米平面光栅摄谱仪(北京光学仪器 化器气体流量为0.8 L/rain,垂直观测高度为15 厂):光栅刻线为1 200条/mm,色散率为4.5 nm/mm, mm,溶液提升量为1.5 mL/min,读数延迟时问为 中心波长为280 nm,三透镜照明系统。 30 S,自动积分时间为1~5 S,重复次数为2次,观 WPF一2O型交直流电弧发生器(天津市光学仪 测方式为轴向观测,Cu、Pb、Zn和Ni的分析波长 器厂):频率为50 Hz,最大电流为2O A。 分别为324.752、220.353、213.857和231.604 nm。 CTS计算机自动译谱仪(湖南矿产测试利用研 Axios Max PW4400波长色散X射线荧光光谱 究所)。 仪(荷兰PANalytical公司):端窗铑靶x射线管(功率 Bs/BT224S电子天平(北京赛多利斯仪器有限 为4 kW,最大电压为66 kV,最大电流为125 mA), 公司)。 Super Q5.OF操作软件。仪器测量条件见表1。 电热恒温干燥箱:120℃。 表1 X射线荧光光谱仪的测量条件 Tablel Measurement condition of X-ray fluorescence spectrometer 褫Elspemem 黧ectra cr斛ysta col limator V。Sg 1 ̄,e cu rren 0/ CU K I iF 200 Scint. Pb L131 LiF 200 Scint. Z“ Kd LiF 200 Scint. Ni Ka LiF 200 Scint. Rh Ka C I iF 2O0 Scint. 1.2主要试剂和材料 1.3实验方法 Cu、Pb、Zn、Ni单元素标准储备溶液(国家钢铁 1.3.1 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES) 材料测试中心,钢铁研究总院):1 000/ ̄g/mL;碘酸 准确称取0.500 0 g经105℃电热恒温干燥箱 钾(AR)饱和溶液;显影液A:将4 g米吐尔、104 g 烘2 h的试样(小于74 m)于125 mL三角烧杯中, 无水亚硫酸钠和20 g对苯二酚溶于2 000 mL蒸馏 用少量水润湿,加入15 mL盐酸,在电热板(250℃) 水;显影液B:将4 g溴化钾和80 g无水碳酸钠溶于 上微沸几分钟,加入5 mL,继续加热至体积约 2 000 mL蒸馏水;定影液:将240 g硫代硫酸钠、15 5~8 mL,取下冷却,用水移入5O mL容量瓶中,稀 g无水亚硫酸钠、15 mL冰乙酸、7.5 g硼酸和15 g 至刻度,摇匀,放置澄清后直接上电感耦合等离子体 硫酸铝钾溶于1 000 mL的蒸馏水;硼酸(粉末)。 发射光谱仪测定。 微晶纤维素;石墨电极:上电极为尖头,下电极 混合标准溶液的配制:在一组50 mL容量瓶中, 为细颈杯状(孔径2.5 mm,孔深3.0 mm,壁厚0.6 配制Cu、Pb、Zn、Ni混合标准溶液(由1 000/ ̄g/mL单 mm),细颈直径为3.5 mm,长为2.0 mm;紫外I型 元素标准储备溶液逐级稀释),在标准系列中各元素 相板(天津);标准物质:GBW07301~GBW07312水 的质量浓度均为0.0、1.0、5.0、10.0>g/mL,5 (体 系沉积物、GBW07301a ̄GBW07308a水系沉积物、 积分数)HC1介质。校准曲线的线性范围和相关系数 GBW07401~GBW07408土壤、GBW071O3~ 见表2。 GBWO7114岩石、GBW07712~G BW07720合成灰 1.3.2压片制样x射线荧光光谱法(XRF) 岩光谱分析标准物质(于105℃烘6~8 h后保存于 称取4.O0 g经105℃电热恒温干燥箱烘6~8 干燥器中备用)、GBW07701~GBW07709合成硅 h、粒径小于0.074 mm的标准物质,均匀铺在压力 酸盐光谱分析标准物质。 机的模具中,用硼酸粉末镶边垫底,在35 t压力下 盐酸、为优级纯,氩为高纯气体[ (Ar)一 保压30 S,压制成直径为32 mm、镶边外径为4o 99.99%],实验用水为高纯水(电阻率不小于18 mm的圆片试样(试样表面应光滑,无裂纹)。若试 MQ・cm) 样不易成型,应用微晶纤维素和样品在玛瑙研钵中 49— SU Meng-xiao,LU un Comparison 0f inductively coupled plasma atomic emission spectrometry,X-ray fluorescence spectrometry and spectrographic method for the determination of copper,lead,zinc and nickel in geochemical samples.Metallurgical Analysis,2015,35(5):48-53 研磨混合均匀,按上述步骤重新压制,直到达到要 求。被测样品和校准样品采用相同的制样方法。压 制完成的样片在非测定面贴上标签或用记号笔编写 样号,放入干燥器中保存,防止吸潮和污染。测量 时,只能拿样片的边缘,避免X射线测量面的沾污。 钾(AR)饱和溶液,于电热恒温干燥箱中85℃的温 度下烘干后上机摄谱。摄谱仪的狭缝宽度为10 /xrn,中间光栏为2.5 1TI1TI。以交流电弧,5 A起弧5 S后电流升至16 A,保持20 S,一共曝光25 S。监控 样品、标准样品均和未知样品平行装电极并摄谱。 摄谱结束后把相板拿到暗室处理,用显影液A和显 影液B的混合液(体积比1:1),在18℃温度下显影 3 rain,定影15 min至相板透明,用水冲洗后凉干。 采用国家一级的水系沉积物、土壤、岩石和合成灰岩 光谱分析标准物质绘制校准曲线,使用铑靶Ka线 的康普顿散射线作内标校正基体效应。校准曲线的 线性范围和相关系数见表2。 1.3.3摄谱法 把经105℃电热恒温干燥箱烘2 h的样品(小 于74 m)装入下电极中,压紧铺平,滴加2滴碘酸 使用CTS计算机自动译谱仪,按元素相应的谱线对 谱板进行测量,计算机软件自动拟合校准曲线,自动 计算样品质量分数,并打印出分析数据。选择的分 析线和标准曲线中各元素线性范围见表2。 表2各方法的线性范围和相关系数 Table 2 Linear range and correlation coefficient of each method ①X射线荧光光谱法中RMS为均方根误差,K为品质系数;摄谱法中cu质量分数大于100/ ̄g/g时,用次灵敏线来计算。 2结果与讨论 2.1样品制备 合标准溶液,各元素选用干扰较少的波长作为分析 线进行测定,绘制的校准曲线线性良好(相关系数r 均大于0.999 9),对样品的测试重现性好,一般只需 ICP—AES需要将地球化学样品(固态)转换成 溶液(液态)进行测定,因此样品均需要经酸溶或碱 要测定1次(每次默认读取2次,取平均值)。 XRF采用水系沉积物、土壤、岩石等国家一级 标准物质来绘制校准曲线,使用铑靶Ks线的康普 顿散射线作内标校正基体效应。校准曲线在建方法 时测量1次,以后只需用监控样对仪器校正,测定样 熔分解再进行适当的稀释。方法采用王水溶样,溶 样过程简单,没有蒸发酸的过程,有效提高分析效 率,在处理大批量样品时有一定的优势。 XRF的样品前处理比较简单,地球化学样品经 粉末压片后即可进行测定,是一种无损检测方法,在 待检样品数量少的情况下可以快速出具结果;但对 二氧化硅含量较高的样品需要添加黏合剂(如微晶 品快速,重现性好。但XRF法比较依赖标准物质, 而且容易出现系统误差。 摄谱法采用国家一级合成硅酸盐光谱分析标准 物质绘制校准曲线,由于样品容易飞溅,因此校准曲 纤维素)进行研磨均匀后才能压制成型,且样品需逐 个压制,因此,针对大批量地球化学样品的检测略逊 色于ICP—AES法。 线的线性比较差,一般需要手工进行微调,容易出现 系统误差。 2.3方法的检出限 摄谱法无需称样,直接在下电极中装满样品,压 紧铺平即可,是一种比较经典的分析方法,目前依然 ICP—AES:在仪器最佳条件下,对试剂空白溶液 连续测定12次,以3倍标准偏差计算方法的检出 限,结果见表3。 少量应用于地球化学样品中银、锡、硼等元素的分 析口。 ,但该法需要经过车电极、装样、摄谱、洗相、 译谱等过程,流程比较长,操作繁琐,在对大批量地 球化学样品的分析时,分析的速度比较慢。 2.2校准曲线的绘制及样品测定 XRF:各元素的检出限为3倍背景信号波动的 标准偏差所对应的含量,根据公式(1)计算各组分的 检出限l_2 ,见表3。 L。一3 /I 6 一ICP—AES采用单元素标准储备溶液配制成混 m,\/ (1) 5O一 苏梦晓,陆安军.电感耦合等离子体原子发射光谱法、X射线荧光光谱法和摄谱法测定地球化学 样品中铜、铅、锌、镍的比较.冶金分析,2015,35(5):48—53 式中:;q/为单位含量的计数率, 为背景计数率,t 为背景的计数时间(本法的检出限是t 一100 S时测 得)。 从表3的结果可以看到,3种分析方法的检出 限均接近1:5万多目标地球化学填图的规定要求。 ICP—AES的检出限最低,每种元素的检出限均低于 地球化学普查规范要求;XRF法除了Cu的检出限 摄谱法:按照分析方法步骤,对样品空白进行 12次平行测定,以测定结果标准偏差的3倍计算方 法检出限,见表3。 表3各方法的检出限 Table 3 Detection limit of each method 微高于规范要求和摄谱法的Cu和Ni检出限没有 满足规范的要求外,其他元素都在规范要求以内。 2.4精密度和准确度 为考察3种方法的精密度和准确度,按照各方 法制定的分析步骤,对GBW07305、GBW07402和 GBW07406的3种国家标准物质进行12次重复测 定,分别计算每种标准物质中每一元素12次测量值 的相对标准偏差(RsD)和每种标准物质中每一元素 12次测量值的平均值与认定值之间对数偏差 (AlogC),见表4。 表4各方法的精密度和准确度 Table 4 The accuracy and precision of each method 从表4可以看到:各方法的精密度和准确度均 2.5实际样品分析 符合1:5万地球化学普查样品分析方法的精密度 和准确度的要求(含量范围在检出限的3倍以上,相 对标准偏差(RSD)不大于1O ,AlogC不大于 为考察各方法在实际样品测定中的应用效果, 选择了4个地球化学普查样品,分别用不同的分析 方法对其进行测定,测定结果见表5。从表5可以 0.11),其中ICP—AES的精密度和准确度最好,XRF 其次,摄谱法稍差,但都能够满足地球化学样品的检 测要求。 看到,各方法的分析结果比较接近,表明了每一测定 方法都可用作质量控制时的对照方法。 表5分析结果对照 Table 5 Comparision of analytical results LLgf g SU Meng-xiao,LU An-jurL Comparison of inductively coupled plasma atomic emission spectrometry,X-ray fluorescence spectrometry and spectrographic method for the determination of copper,lead,zinc and nickel in geochemical samples.Metallurgical Analysis,2015,35(5):48-53 3 结语 (1)电感耦合等离子体原子发射光谱法测定地 球化学样品中的铜、铅、锌、镍等元素,测量范围宽, 检出限低,精密度高,准确度好,适合大批量地球化 学样品的检测;但样品需要经过王水溶解后才能测 定,且工作时需要消耗大量Ar气,所以运转费用较 高。 (2)X射线荧光光谱法具有操作简便、精密度 高、检出限低和使用成本低等诸多优点,得到了广泛 使用,但仪器价格昂贵且样品要经过压制成型才能 上机测定。由于地球化学样品量大,通常二氧化硅 的含量比较高,样品压制的成型率会直接影响分析 效率。 (3)摄谱法由于仪器价格便宜,测试费用也较 低,而且感光板所记录的光谱可长期保存,可用于地 球化学样品中的银、锡、硼、铜、铅、锌、镍等的同时测 定,目前在地质勘探、矿物开采等行业仍然有少量应 用。但分析的流程比较长,操作繁琐,且摄谱时样品 容易飞溅,方法的精密度和准确度相对较差(相比 ICP—AES和XRF),用于大批量地球化学样品测定 时分析速度比较慢,复查率比较高。 参考文献: Eli周丽沂,曹群先.区域化探样品中铜铅锌镉铁锰镍钴的 原子吸收分光光度测定法[J].物探与化探(Geophysical and Geochemical Exploration),1981,5(5):262—268. 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In ICP—AES,the sample was dissolved in aqua regla and the e1ements were determined using analytical lines with low interference In XRF,the calibration curve was plotted using the national certified reference materials of rock,soil,stream sediment and synthesized limest0ne for spectral analysis.The Compton scattering line of Ka line from rhodium target was used as tn— ternal standard to correct the matrix effect.In spectrographic method,the sample weighing was not re~ quired.The potassium iodate saturated solution was used as buffer reagent.The quantitative spectra inter— pretation was automatica11y realized by CTS computer.The comparison indicated that the ICP—AES exhibi— ted wide measurement range,low detection limit,high precision and good accuracy,and it was suitable for the dete ̄mina ti0n。f coPper}lead}zinc and nickel in large amounts of geochemical samples.The detection limit。precision and accuracy of XRF could basically meet the requirements o±regional geochemical lnvestl— gation specifications. Its analytical efficiency was depended on the forming rate of pressed geochemical samples.The detection limit,precision and accuracy of spectrographic method could basically meet the re一 0uirements.However,the analytical procedures were long and the operation was complicated・ Its analyti— ca1 efficiency was low for the determination of geochemical samples in large amount. Kev words:inductively coupled plasma atomic emission spectrometry;X—ray fluorescence spectrometry; spectrographic method;geochemical sample;copper;lead;zinc;nickel 53— 

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