自然样品中Pb-Sr-Nd分离富集方法综述

杨益斌

摘 要：目前测定Pb，Sr，Nd同位素的主要是热电离质谱仪（TIMS）和多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS），测试过程种会存在同质异位素干扰、多原子干扰和双电荷干扰，除此之外，大量的基体元素在仪器分析过程中会抑制待测元素信号，以及同位素分馏行为与纯校准溶液不同，使最终的测试结果误差变大和精密度降低。因此，在仪器测试之前，需要对样品分离纯化，将Pb，Sr，Nd与基体元素和干扰元素分离。目前常用的分离方法是离子交换色谱法。

关键词：同位素;离子树脂;离子色谱

一、引言

同位素地球化学是研究自然体系中同位素的形成、丰度及在自然作用分馏和衰变规律的科学。自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射性同位素和稳定同位素两大类。同位素组成变化的原因主要有两类：一是由化学和物理过程引起的同位素分馏，氢、碳、氮等稳定同位素组成变化主要是由同位素分馏引起;二是放射性同位素衰变引起的同位素组成变化，例如235U衰变为206Pb和207Pb，232Th衰变为208Pb，87Rb衰变为87Sr，147Sm衰变为143Nd，这些衰变会引起Pb，Sr，Nd同位素组成的变化，依据这种性质，在过去的几十年里，对Pb，Sr，Nd同位素组成的分析已广泛应用于地球科学中。Pb，Sr，Nd同位素可以岩石矿物的物质来源和成因，可以根据母体和子体的关系计算年代学信息，并可以根据同位素示踪原理追踪大气或土壤中的污染源。

二、国内外研究现状

目前测定Pb，Sr，Nd同位素的主要是热电离质谱仪（TIMS）和多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS），这两种仪器都是根据不同质荷比的带电离子在磁场中的偏转角度不同从而检测各种离子的数量，进而计算出同位素比值。由于这种原理在仪器测试过程种会存在同质异位素干扰、多原子干扰和双电荷干扰，即具有相同质荷比的不同元素的同位素会对待测同位素造成干扰，比如204Hg对204Pb的干扰，87Rb對87Sr的干扰，144Sm对144Nd的干扰。除此之外，大量的基体元素在仪器分析过程中会抑制待测元素信号，以及同位素分馏行为与纯校准溶液不同，使最终的测试结果误差变大和精密度降低。因此，在仪器测试之前，需要对样品分离纯化，将Pb，Sr，Nd与基体元素和干扰元素分离。目前常用的分离方法是离子交换色谱法，将样品溶液加载到不同类型的离子树脂上，根据不同离子在树脂上的分配系数不同将他们分离开。针对不同的元素，选择合适的树脂和淋洗液才能达到最好的分离效果。

（一）Pb同位素分离研究现状

目前最常用的Pb分离方法是阴离子树脂交换色谱法，以AG1-X8和Dowex1-X8阴离子树脂作为交换柱，低浓度的HBr溶液作为淋洗液，在0.1 ～ 4.0 M HBr溶液中，Pb以溴化物形式吸附在阴离子交换树脂柱上，其他基体元素被洗脱，然后再用高浓度的HCl将Pb从阴离子树脂上洗脱收集。Philip Horwitz（1994）首次使用Pb特效树脂分离纯化Pb，具有较高的分离效率，但是流程本底相偏高，适用于Pb含量高的样品。

（二）Sr同位素分离研究现状

Sr在酸溶液中与大多数碱土金属一样以阳离子形式存在，所以早期阳离子树脂是分离Sr常用的方法，常使用的阳离子树脂包括AG50-X8，AG50-X12等。以较低浓度的HCl作为淋洗液，基体元素和Rb被率先洗脱，Sr仍保留在树脂上，加大HCl浓度，Sr被洗脱收集。

同时，Sr特效树脂的发明为Sr分离富集提供了新的选择。有学者研究了DtBuCH18C6型树脂，该树脂对Sr具有特效性吸附。随后，大量学者对Sr特效树脂进行进一步的研究（李潮峰等， 2011; 唐索寒等， 2010; 韦刚健等， 2004）。Sr特效树脂对Sr分离有良好的效果，但是有严重的记忆效应，不可重复利用，价格高，使用起来成本较大。

E. P. Horwitz提出了一种针对重稀土吸附的一种含有四辛基二甘醇酰胺类分子的新型萃取色谱树脂（TODGA树脂）， 经研究在硝酸条件下Sr在该树脂上的分配系数高于其他碱土金属的分配系数，因此使用硝酸作为淋洗液，可将Sr与其它元素分离开。随研究深入该树脂也用于Sr的分离纯化。

（三）Nd同位素分离研究现状

阳离子交换树脂法：以AG 50-X8树脂为分离柱，α -羟基异丁酸（HIBA）为淋洗剂，从地质样品中分离Nd，但使用的树脂柱要求又长又细，淋洗过程十分缓慢，且HIBA溶液的pH必须严格控制在4.6±0.02。TODGA树脂也可用于Nd的分离，Christian （2019）提出一种3柱串联法分离纯化Nd，通过TRU树脂，TODGA树脂和Ln树脂三个树脂柱的分离，将Nd从基体元素和相邻稀土元素（Ce和Pr）中分离出来。

（四）Pb，Sr，Nd同位素连续分离研究现状

当需要同时获取Pb，Sr，Nd同位素时，采用单个元素分别分离要消耗多份样品以及大量时间，效率十分低下，因此研究者们开始研究快速连续分离Pb，Sr，Nd的方法。

宗春蕾等（2012） 提出了采用AG 1-X8、AG 50W-X8和 HDEHP组合离子交换柱，对同一份地质样品一次溶样，连续分离 Pb、Sr、Nd。

李潮峰（2016）提出一种两柱串联法分离Pb、Sr、Nd、Hf，将Sr特效树脂与TODGA树脂串联，从Sr特效树脂上分离Pb和Sr，TODGA树脂上分离Nd和Hf，分离过程中无需蒸干。

商业化的prepFAST-MC固相萃取仪经TODGA树脂一柱分离海洋沉积物中的Pb、Sr、Nd，该方法简单、效率高，但是Pb，Sr洗脱曲线存在明显交叉，会降低Pb或Sr的回收率，。

三、总结

Pb、Sr、Nd的分离方法越来越丰富，整体朝向快速，高效，可靠的方向发展，尤其是随着不同种类的特效树脂问世，Pb、Sr、Nd的连续分离方法由多柱分离逐渐发展为两柱甚至一柱分离。近年来伴随着自动固相萃取仪器的发展，色谱分离逐渐脱离人工操作，减少了污染风险，人力投入。

参考文献：

[1]Christian P， Abdelmouhcine G. 2019. A triple tandem columns extraction chromatography method for isolation of highly purified neodymium prior to 143Nd/144Nd and 142Nd/144Nd isotope ratios determinations[J]. JOURNAL OF ANALYTICAL ATOMIC SPECTROMETRY.

[2]李潮峰， 李献华， 郭敬辉， 等. 2011. 微量岩石样品中Rb-Sr和Pb一步分离及高精度热电离质谱测试[J]. 地球化学， 40（05）： 399-406.

[3]唐索寒， 朱祥坤， 李津， 等. 2010. 利用锶特效树脂分离富集岩石样品中的锶及测定～（87）Sr/～（86）Sr[J]. 分析化学， 38（07）： 999-1002.

[4]韦刚健， 刘颖， 涂湘林， 等. 2004. 利用选择性特效树脂富集分离岩石样品中的锶钐和钕[J]. 岩矿测试（01）： 11-14.

[5]宗春蕾， 袁洪林， 戴梦宁. 2012. 一次溶样分离地质样品中Pb-Sr-Nd方法的可行性研究[J]. 岩矿测试， 31（06）： 945-949.