高压粉末制样波长色散X射线荧光光谱法测定生物样品中23种元素

于兆水，张 勤，李小莉，樊守忠，潘晏山，李国会

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；

2.天津地质矿产研究所，天津 300170)

生物样品中元素含量的分析方法有电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)[1]、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[2-3]、原子吸收光谱法(AAS)[4]、原子荧光光谱法(AFS)[5]等。采用X射线荧光光谱法(XRF)测定生物样品中多种元素也时有报道，但均是采用低压粉末制样[6-11]。本课题组从20世纪90年代就开展了XRF测定植物样品中多元素分析方法的研究[12-14]，开拓性地采用土壤标准物质或高纯试剂和微晶纤维素模拟配制植物标准物质，弥补了植物标准物质数量的不足，建立了25种元素的分析方法，并应用于实际样品分析中，适合于元素含量较高的样品测量。但是由于采用低压(压强220～440 MPa)粉末制样，难以将生物样品压制成符合测定需要的样片，所制样片表面粗糙、疏松，粉末容易脱落，对XRF仪器样品室污染严重，影响仪器的长期稳定性，特别是下照射型XRF仪器对测定结果影响较大，需要经常清理样品室，加大了分析成本。

鉴于传统低压制样存在的缺陷，本课题组研制了高压制样新技术(专利申请号：201310125772.5)，采用自行研制的高压模具(专利号：ZL 201020642764.8)，在1760 MPa压力下直接压制各种类型的生物样品，所制样片表面光滑、致密，较好地解决了压制样片表面粗糙、疏松，粉末容易脱落的难题，建立了波长色散X射线荧光光谱法直接测定生物样品中23种主次量元素(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，分析结果重现性得以大幅改善，降低了方法检出限，提高了方法精密度和准确度。

1 实验部分

1.1 仪器及工作条件

Axios Advanced型波长色散X射线荧光光谱仪(荷兰帕纳科公司)，超尖锐薄铍窗铑靶X光管，功率4.0 kW，最大管压66 kV，最大管流160 mA，分析软件SuperQ5.0A，68个进样位。

YAW-3000D型微机控制电液伺服压力试验机，最高压力3300 MPa。

不同类型的生物样品，元素含量变化范围非常大，例如Fe的含量范围为6.3～14503 μg/g，Na为0.001%～2.17%。因此，必须对每种元素的分析条件进行仔细选择，特别是要适当增加微量元素的测量时间来提高分析准确度。被测元素具体的测量条件见表1。

表1 XRF仪器分析条件

1.2 样品制备

样品制备采用粉末压片法。称取经105℃烘干的生物样品6.0 g，放入模具内拨平，用6.0 g低压聚乙烯镶边垫底。采用专利高压制样技术(专利申请号为201310125722.5)升压至1760 MPa，保压30 s，压制成试样内径为32 mm，外径40 mm的圆片。标记样品编号，置于干燥器内保存，待测。

1.3 校准样品

选用国家一级生物成分分析标准物质GBW 10010～GBW 10028(GSB-1～GSB-30)作为标准样品绘制校准曲线，标准样品中各元素的含量范围见表2。本项目建立的分析方法主要是针对基体和元素含量与标准物质接近的生物样品。

表2 标准物质中元素含量范围

2 结果与讨论

2.1 高压粉末制样实验

XRF日常分析的主要过程是制样、测量和数据处理。现代XRF仪的测定和数据处理都是在计算机控制下自动进行，不需要操作者过多干预。仪器长期综合稳定性小于0.05%。然而，在实际样品分析中，分析重现性远远超过0.05%，甚至达到10%以上。因此制样是XRF分析的重要环节，更是影响XRF分析准确度和重现性的主要因素。

高压制样技术克服了传统低压制样的缺陷，在1760 MPa压力下所制样片表面光滑、致密，完全消除了粉末脱落现象，并能在一定程度上提高准确度，降低检出限[15]。采用国家一级生物标准物质GBW 10020(GSB-11，柑橘叶)进行试验，选用GBW 10020是因为其在低压下(440 MPa)也能制备成符合测定要求的样片。由表3可以看出，与低压制样(440 MPa)相比，高压制样(1760 MPa)的重现性得以大幅改善，5次制样重现性为0.1%～2.6%；并且，大多元素的测定灵敏度也比低压时高1%～3%。

表3 高压和低压制样重现性的比较

2.2 基体效应及谱线重叠干扰校正

生物样品主要是由C、H、O、N等轻元素组成，基体的平均原子序数较小，X射线散射效应明显，采用内标校正法具有一定补偿作用，校正结果见表4。

表4 内标的影响

表4中RMS是评价回归曲线优劣的指标，RMS值越小，表明校准回归曲线越好。RMS计算公式：

式中：n为标样个数，k为计算系数的个数，Cchem为标准值，Ccalc为计算值。

由表4可以看出，Rh Kα康普顿作内标不仅对Ba、Br、Co、Cr、Mn、Ni、Rb、Zn等微量元素具有校正作用，而且对K、Al、P、Si、Fe等常量元素也具有明显的补偿作用。Ca、Cl、Cu、Ti、V等元素则需采用背景作内标才能获得较好的补偿作用。Mg、Na、S不需内标即可获得比较好的标准曲线。

在用内标校正标准曲线的同时，结合经验α系数法校正基体效应才可获得较好的校正效果，本法是使用帕纳科公司SuperQ软件所带的综合数学公式校正基体效应，公式为：

式中：Ci为校准样品中分析元素i的含量(在未知样品分析中为基体校正后分析元素i的含量)；Di为分析元素i的标准曲线的截距；Lim为干扰元素m对分析元素i的谱线重叠干扰校正系数；Zm为谱线重叠干扰元素；Ei为分析元素i标准曲线的斜率；Ri为分析元素i的计数率(或与内标的强度比值)；Zj、Zk为共存元素的含量或计数率；N为共存元素的数目；α、β、γ、δ为校正基体效应的因子；i为分析元素；m为干扰元素；j和k为共存元素。

2.3 方法检出限

各分析元素的理论检出限(LOD)，按下式进行计算(对于95%的置信度)：

式中：m为单位含量的计数率；Ib为背景计数率；t为峰值和背景的总测量时间(s)。

理论检出限的计算没有考虑基体因素，更没有考虑制样过程的影响，因此计算出的元素检出限与实际能报出的结果会有较大差别。为了克服上述缺点，选用含量接近于检出限的标准物质，制备12个样片，按表1中的测量条件测定，计算出标准物质中含量最低的元素所对应的12次测定的相对偏差σ，将其乘以3即为本方法的检出限，采用此法计算出来的检出限与实际能报出的结果基本相同。

表5为高压制样(1760 MPa)和传统低压制样(440 MPa)的检出限的比较，可以看出高压制样的检出限大多优于低压制样的检出限。

2.4 方法精密度

选取生物标准物质重复制备12个样片，按表1的测量条件分别对12个样片进行测量，将所得的结果进行统计。由表6的数据可知，元素Al、Ca、Cl、K、Mg、Na、S、Si、P、Cu、Fe、Mn、Rb、Sr、Ti、Br、Ba、Zn、V的精密度为0.4%～11.3%；而元素Co、Cr、Ni、Pb由于含量较低，精密度稍差(2.2%～26.2%)，基本上能满足分析要求。

表5 方法检出限

表6 方法精密度

2.5 方法准确度

选取未参加曲线校准的2个生物标准物质重复制备2个样片，按表1的测量条件分别对2个样片进行测量，将所得的结果与标准值进行比较。由表7中的数据可知，除Cr、Pb 的相对误差稍大外，其余元素的相对误差均小于12%，表明本方法的准确度能满足分析要求。

表7 方法准确度

3 结语

采用高压粉末压片制样克服了低压制样的局限，解决了粉末脱落问题，降低了XRF仪器维护成本；而且对生物样品能很好压制成型，压制的样片短时间内不会反弹，改善了生物样品的制样重现性，提高了方法精密度。结合经验系数法、散射线内标法和背景内标法校正基体效应，用XRF法测定生物样品中23种主次量元素，方法简便、灵敏、准确，已应用于实际样品分析中。

高压制样不仅适用于生物样品的制备，而且适用于其他各种类型样品，解决了黏结力较小的样品的制备问题(例如煤、矿石等)，发展了固体制样技术，极大地扩展了XRF分析领域。

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