电感耦合等离子体质谱法同时测定地质样品中镉、锗、钴

2020-03-26陈璐

化学分析计量 2020年2期

陈璐

(山东省物化探勘查院，济南 250013)

镉、锗属于“三稀元素”［1］中的分散元素，随着国家对“三稀”资源的重视，对地质样品中镉、锗进行快速高效的检测变得越来越迫切。钴是地球化学找矿(如区域地质调查、区域矿产调查和多金属勘查)中重要的分析元素［2–3］。镉、锗、钴在地壳中含量很少，而当这些元素一旦污染土壤和水，将通过食物链进入人体，从而严重危害人类健康［4–5］。因此无论是在地质找矿还是生态地球化学调查中，测定地质样品中镉、锗、钴等重金属元素含量具有重要意义。

目前地质样品中镉元素的测定主要采用硝酸–氢氟酸–高氯酸三酸或者盐酸–硝酸–氢氟酸–高氯酸四酸作为消解体系，利用电热板或微波消解法处理样品［6–7］，采用原子吸收光谱或电感耦合等离子体质谱法进行测定，方法较为简单，工作效率较低，且三酸或四酸用量大，废液多，对环境和实验人员有一定的危害。锗元素通常采用原子荧光光谱法或电感耦合等离子体质谱法进行测定［8–9］，样品前处理方法是利用氢氟酸–硝酸–高氯酸–磷酸或氢氟酸–硝酸–高氯酸–硫酸四酸体系进行消解，四酸用量大，成本高，危害大。钴元素主要采用电感耦合等离子体发射光谱法或微波消解–石墨炉原子吸收法测定［10］，检测效率高，但检出限有待提高。由此可见，对于土壤中镉、锗、钴元素含量的测定需要采用多种分析方法，且每种方法的样品前处理过程均较为复杂，同时检测效率有待提高。

电感耦合等离子体质谱法具有灵敏度高、线性范围宽、定量准确、多元素同时分析等特点，已广泛应用于环境、地质、生命、材料、食品、石油、海洋等领域中各种金属元素的测定［11–12］。由于镉、锗、钴在地质中含量较低，属于稀有元素，因而测定难度较大，尤其是多种元素同时测定时，需要考虑元素之间的干扰。采用电感耦合等离子体质谱法分别测定镉、锗、钴等微量元素已有相关标准或文献，但同时测定地质样品中镉、锗、钴元素的方法尚未见报道。笔者采用氢氟酸–硝酸混合溶液溶解样品，然后加热浓缩驱酸，再用硝酸溶液(1+1)进行复溶提取，建立了电感耦合等离子体质谱法同时测定地质样品中镉、锗、钴含量的分析方法。该方法降低了化学试剂用量，减少了对分析人员和环境的危害，操作简便，效率高，结果准确，适用于地质样品中镉、锗、钴含量的测定。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪：NexION 2000 型，美国珀金埃尔默股份有限公司；

分析天平：BS224S 型，感量为0.1 mg，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；

台式电热鼓风干燥箱：101 型，工作室尺寸为450×450×350 mm，温度范围为0～300℃，北京永光明医疗仪器厂；

防腐钛合金熔样罐：内胆为聚四氟乙烯材质，外部镀有防腐膜，内胆体积30 mL，青岛济科实验仪器有限公司；

多元素混合标准溶液：其中镉、锗、钴的质量浓度均为100 μg／mL，编号为GNM–M33198–2013，国家有色金属及电子材料分析测试中心；

岩石成分分析标准物质：花岗岩、安山岩、玄武岩、石英砂岩、页岩、泥质灰岩，编号分别为GBW 07103，GBW 07104，GBW 07105，GBW 07106，GBW 07107，GBW 07108，地球物理地球化学勘查研究所；

硝酸、氢氟酸：优级纯，莱阳市康德化工有限公司；

调谐液：含有Be，Ce，Fe，In，Li，Mg，U，Pb 元素，质量浓度均为1 μg／L，美国珀金埃尔默股份有限公司；

高纯氩气：纯度不小于99.999%，济南德洋特种气体有限公司；

地质样品：野外采集；

实验用水为去离子水。

1.2 溶液配制

硝酸–氢氟酸混合溶液：硝酸和氢氟酸按体积比为3∶1 混合均匀。

硝酸溶液(1+1)：移取100 mL 浓硝酸和100 mL 水，混合均匀。

镉、锗、钴混合标准储备溶液：1 μg／mL，移取5 mL 多元素混合标准溶液于500 mL 容量瓶中，用5%硝酸溶液定容至标线，摇匀。

镉、锗、钴混合标准使用液A：0.1 μg／mL，移取10 mL 镉、锗、钴混合标准储备溶液于100 mL 容量瓶中，用5%硝酸溶液定容至标线，摇匀。

镉、锗、钴混合标准使用液B：0.01 μg／mL，移取10 mL 标准使用液A 于100 mL 容量瓶中，用5%硝酸溶液定容至标线，摇匀。

系列镉标准工作溶液：分别移取0.00，0.10，0.30，0.50，0.80，1.00 mL 标准使用液B，置于6 只100 mL 容量瓶中，用5%硝酸溶液(空白介质溶液)定容至标线，摇匀，配制成镉含量（以称样量为0.5 g，定容至50 mL 计）分别为0.00，0.01，0.03，0.05，0.08，0.10 μg／g 的系列镉标准工作溶液。

系列锗标准工作溶液：分别移取0.00，0.50，1.00，2.00，3.00，5.00 mL 标准使用液A，置于6 只100 mL 容量瓶中，用5%硝酸溶液(空白介质溶液)定容至标线，摇匀，配制成锗含量（以称样量为0.5 g，定容至50 mL 计）分别为0.00，0.50，1.00，2.00，3.00，5.00 μg／g 的系列锗标准工作溶液。

系列钴标准工作溶液：分别移取0.00，5.00，10.00，20.00，30.00，50.00 mL 标准使用液A，置于6只100 mL 容量瓶中，用5%硝酸溶液(空白介质溶液)定容至标线，摇匀，配制成钴含量（以称样量为0.5 g，定容至50 mL 计）分别为0.00，5.00，10.00，20.00，30.00，50.00 μg／g 的系列钴标准工作溶液。

1.3 质谱条件

射频功率：1 250 W；辅助气流量：0.2 L／min；等离子气流量：12 L／min；载气流量：1.13 L／min；雾化气流量：1.0 L／min；冷却水流量：1.5 L／min；泵速：30 r／min；载气压力：0.7 MPa；样品提升速度：0.1 mL／min；采样深度：9.5 mm；重复次数：3次；单元素积分时间：1.5 s；冲洗时间：30 s；稳定时间：15 s；采样锥孔直径：1.0 mm；截取锥孔直径：0.4 mm；扫面方式：跳峰。

1.4 样品处理

准确称取0.050 0 g(精确至0.000 1 g)样品于聚四氟乙烯坩埚中，加入2 mL 硝酸–氢氟酸混合溶液，静置30 min，加盖，放入压力罐中，于180℃烘箱中消解12 h，消解完毕后，降至室温，取出坩埚，打开盖子，置于120℃电热板上加热，驱酸至溶液体积小于1 mL，加入1 mL 浓硝酸继续除酸至溶液体积小于1 mL，加入2 mL 硝酸溶液(1+1)，取下坩埚，将消解液转移至50 mL 聚丙烯容量瓶中，用水冲洗四氟坩埚盖，冲洗液一并转移至容量瓶中，用水定容至标线，摇匀，上机测试。

2 结果与讨论

2.1 仪器工作参数优化

分别选择含有高、中、低质量数的Be，In，Ce，U等元素的调谐液对仪器进行调谐，并对双电荷和氧化物的干扰进行调谐，直至满足仪器标准要求的灵敏度、背景值、稳定性等各项参数。优化后的最佳工作参数见1.3。

2.2 质谱干扰及校正

采用电感耦合等离子体质谱法检测分析时，对检测结果有影响的主要有质谱干扰和非质谱干扰。质谱干扰主要包括同量异位素重叠干扰、多原子离子干扰、难熔氧化物干扰和双电荷离子干扰；非质谱干扰包括抑制和增强效应，由高盐含量引起的物理效应。质谱干扰可以通过选择测量元素的同位素和校正方程进行校正［13］。而非质谱干扰可以采用标准加入法及内标法克服。

尽量避免选择有大量干扰元素存在及干扰机理复杂的测量同位素，这样可以有效降低部分质谱干扰。如测定Cd 时，Zr 和Sn 是主要的干扰元素，Sn 对Cd 仅有同量异位素干扰(112Sn 对112Cd，114Sn对114Cd)，干扰相对简单，而Zr 是多原子离子干扰，干扰较为复杂，因此在测定中选取没有Zr 干扰的同位素114Cd 进行测定［14–17］。而70Zn 对70Ge，Ce2+对70Ge，Sm2+、144Nd2+对72Ge，148Sm2+、148Nd2+对74Ge 有干扰，可选择74Ge 作为测量同位素，质谱干扰相对较小，灵敏度也较高［9］。