碰撞反应池MC-ICP-MS 高精度铜、锌同位素测试技术分析

魏亚雄

（山西地宝能源有限公司，山西 太原 030045）

0 引言

高精度铜、锌同位素测试对于研究天体撞击成因、金属矿床成因、古地理气候等方面均有着极为重要的意义。现有铜、锌同位素测试技术多是采用统一离子交换柱实现单一元素或者两种元素分离，并且相关测试技术较不适用于大批量样本分析[1-2]。据此，基于现有测试技术，对具体实验流程和元素分离成效进行优化调整，介绍一种碰撞反应池MC-ICP-MS 高精度铜、锌同位素测试技术，可对现有研究进行补充完善。

1 实验材料及仪器

1.1 实验试剂及材料

1.1.1 实验试剂

主要实验试剂包括HNO3、HCl、HF 等，相关试剂均需通过两次亚沸蒸馏纯化处理；研究用水采用超纯水。

1.1.2 实验材料

主要实验材料包括地质标准样品和铜（Cu）、锌（Zn）标准样品。其中，地质标准样品主要分为玄武岩（BCR-2、BHVO-2、BIR-1a）和安山岩（AGV-2）；Cu 同位素标准样品和Zn 同位素标准样本均采用地质科学院地质研究所的Cu 同位素标准溶液（CAGS-Cu）和Zn同位素标准溶液（CAGS-Zn）。

1.2 实验仪器

主要实验仪器为多接收电感耦合等离子体质谱和电感耦合等离子体质谱。整体实验过程中Cu 和Zn同位素分析均会在多接收电感耦合等离子体质谱上完成；样品主量和微量元素分析均在电感耦合等离子体质谱上完成[3]。

2 实验方法

2.1 样品消解

为保障样品的消解效果，需根据岩性差异，合理选择对应的消解方式。具体地质标准样品消解流程如下：

精准称取100 mg 地质标准样品，将样品置入PFA 坩埚中。在内PFA 坩埚中加入4.5 mLHCl、2.3 mL HF 以及1.5 mL HNO3，并将PFA 坩埚置于钢套中，拧紧固定后置于烘箱中，于200 ℃环境下加热48 h。取出钢套室温环境下冷却6 h 后，从钢套中取出PFA 坩埚，放置于电热板上，设置125 ℃蒸干处理。

加入1 mL HNO3，再次加热蒸干处理，重复加入HNO33 次后，在坩埚中加入1～3 mL HClO4，通过电热板于210 ℃条件下再次蒸干处理。加入1 mL 浓HCl，于125 ℃条件下蒸干，重复3 次。加入2 mL 浓度为6 mol/L 的HCl，拧紧盖子后，于120 ℃条件下加热2 h。溶液过柱前需对溶液进行离心处理，取1 mL 上清液过柱，另取1 mL 离心后溶液备用。

2.2 铜、锌分离纯化同位素质谱分析

通过1 mL 移液枪将AG-1-X8 [200～400 目（0.040～0.074 mm）]树脂移入到高纯石英玻璃柱中，柱内树脂量和柱内高度应分别控制在1 mL 和4 cm 左右；另选AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]加入到高纯石英玻璃柱中，柱内树脂量和柱内高度应分别控制在1 mL 和7.5 cm 左右。

Cu 和Zn 分离纯化流程：洗柱环节中，依次采用浓度为3 mol/L 的HNO3、超纯水、HCl、超纯水实施洗柱操作，每次洗柱均应以满柱为标准，重复6 次后，采用10 mL 浓度为6 mol/L 的HCl 实施柱平衡，再采用8 mL 浓度为6 mol/L 的HCl 进行介质样品上样，实际装载样体积应控制在1 mL 左右。

通过5 mL HCl 清洗基体杂质，再依次采用8 mL浓度为6 mol/L 的HCl 和3 mL 浓度为0.5 mol/L 的HNO3接收Cu 和Zn 淋洗液，接受完淋洗液后，依次通过超纯水、浓度为6 mol/L 的HCl、超纯水进行洗柱操作，每次洗柱均应以满柱为标准，重复3 次操作[4]。

将淋洗液置于电热板上以120 ℃条件下加热蒸干，然后在淋洗液中加入1 mL HNO3实施二次亚沸纯化，在以120 ℃条件下加热蒸干处理，重复一次操作。将获取的Cu 和Zn 淋洗液分为2 份，一份淋洗液以体积分数为2%的HNO3进行稀释处理，稀释倍数为2 000 倍，最后采用ICP-MS 测定过柱溶液中的Cu 和Zn 含量以及淋洗液中Cu 和Zn 含量，根据实验操作结果绘制淋洗液曲线，并由此计算Cu 和Zn 回收率，每次试验均应配置空白实验作为对照实验；另一份Cu 和Zn 淋洗液分别采用体积分数为2%的HNO3，稀释为质量浓度为300 μg/L 和4 mg/L 的淋洗液，并通过MC-ICP-MS 进行质谱分析。

采用低分辨率模式实施Cu 和Zn 同位素测定，具体测试中选用SSB 法进行仪器质量校正。每组样品测试时间应控制为20 min，每次实验需为地质标样设置至少3 个平行样，每个样品重复3 次测定操作。

3 实验结果与分析

3.1 不同树脂及树脂柱淋洗结果的影响

如图1 所示，AG-1-X8 [200～400 目（0.040～0.074 mm）]树脂淋洗过程中，对Cu 同位素测试分析产生干扰的Co 元素基本上已经洗入到Cu 淋洗液中，并且部分Zn 元素也被洗入到Cu 淋洗液中，使得Cu 同位素精准性受到影响的同时，造成Zn 回收率偏低情况。另外，此种树脂洗脱过程中存在Cu 洗脱峰较宽和拖尾情况[5]。

图1 AG-1-X8[200～400 目（0.040～0.074 mm）]树脂淋洗曲线

如图2 所示，AG-MP-1 [100～200 目（0.074～0.150 mm）]树脂淋洗过程中，对Cu 同位素测试分析产生干扰的Co 元素分析效果较为理想，并且洗脱峰整体较为狭窄，未出现拖尾情况。综合分析后可知，AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]树脂后Cu和Zn 的回收率分别为97.4%±5.7%和96.0%±2.3%，即Cu 和Zn 回收率均处于95%以上，实际回收率较高。

图2 AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]树脂淋洗曲线

3.2 不同样品的消解方式对回收率的影响

现阶段常用的样品消解方法为通过敞口溶样杯进行样品消解，但此种消解方法存在样品消解不完全情况。对此，研究中采用钢套高温高压消解法对地质标样进行消解处理，并与传统敞口溶样杯消解方法进行匹配对比。

具体钢套高温高压消解法的消解酸介质流程及用量与传统敞口溶样杯消解方法保持一致，但差异点与上文中消解过程钢套处理流程，在此不再另行说明。

通过研究发现，通过传统敞口溶样杯消解方法实施样品消解处理后，Cu 和Zn 平均回收率分别为95.8%±1.5%和97.7%±1.7%；通过钢套高温高压消解法实施样品消解处理后，Cu 和Zn 平均回收率分别为99.8%±2.2%和101.7%±2.8%。对比分析后可知，钢套高温高压消解法的平均回收率更高，确认其在应用中更有利于保障Cu、Zn 同位素测定精准性，因而应优先采用此种方法。

4 结论

基于现有Cu、Zn 同位素实验测试方法，介绍一种碰撞反应池MC-ICP-MS 高精度铜、锌同位素测试技术。此同位素测试技术中引入钢套高温高压消解法和AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]树脂淋洗法，相较于传统同位素实验测试方法来说，该方法具有测定精准性强、平均回收率高等优势，可在后续地质样品Cu、Zn 同位素测试中进行参考应用。