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直流电弧全谱直读原子发射光谱法(DC-Arc-AES)测定地球化学样品中

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第3 5卷,第2期 2 0 1 5年2月 光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1.35,No.2,pp527—533 February,2015 直流电弧全谱直读原子发射光谱法(DC-Arc-AES)测定地球 化学样品中痕量硼、钼、银、锡、铅的方法研究 郝志红,姚建贞,唐瑞玲,张雪梅,李文阁,张 勤 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 摘要建立了直流电弧全谱直读原子发射光谱法(DC-Arc-AES)测定地球化学样品中痕量硼、钼、银、锡、 铅的分析方法。所使用直流电弧全谱直读原子发射光谱仪采用大面积固态检测器,具有全谱直读功能,并能 实时背景校正。通过研究提出了新的电极和新的缓冲剂配方,方法采用内标法,以Ge元素作内标元素,同 时选择了合适的分析线对。电流程序研究中设置多级电流,每级电流设置不同保持时间,升电流时选择连续 升电流方式,可以有效消除试样的飞溅。以氩气为保护气消除CN带的产生并减少光谱背景,选择氩气流量 为3.5 L・rain- 。作各元素的蒸发曲线,得出各元素的蒸发行为基本一致,同时结合摄谱时间对各元素强 度和背景的影响,得出最佳的设谱时间为35 S。方法选择国家一级地球化学标准物质作为标准系列,标准系 列中包括了不同性质、不同含量的标准物质,满足地球化学样品中痕量硼、钼、银、锡、铅的测定。在优化的 实验条件下,方法检出限为:B:1.1/xg・g ,Mo:0.09/zg・g~,Ag:0.01 g・g一,Sn:0.41 g・g~, Pb:0.56/lg・g一,精密度为(RSD, 一12):B:4.57 ~7.63 ,Mo:5.14 ~7.75 ,Ag:5.48 ~ 12.30 ,Sn:3.97 ~1O.46 ,Pb:4.26 ~9.21 ,准确度通过国家一级地球化学标准物质验证,结果 与标准值相符。本方法简便、快速,是测定地球化学样品中痕量硼、钼、银、锡、铅的一种先进的分析方法, 具有一定的实用性。 关键词直流电弧全谱直读原子发射光谱法;地球化学样品;硼;钼;银;锡;铅 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2015)02—0527—07 中图分类号:0657.3 读能力,并能实现实时背景校正,但是直流电弧全谱直读原 引 言 硼、钼、银、锡、铅是地球化学研究中非常重要的元素。 子发射光谱法主要应用于测定合金或固体化合物中的一些杂 质元素 一引。 本方法在文献[1 ]中报道的电极和缓冲剂基础上,研制 文献_1 ]报道了固体发射光谱法测定地球化学样品中痕量 硼、钼、银、锡、铅的分析方法,其采用固体进样方式,以交 流电弧为激发光源,依靠相板记录,采用计算机定量译谱, 同时通过采用内标法、截取曝光、扣除背景、重叠摄谱等技 了新的电极(已申请实用专利,专利申请号: 201320262303.1)和新的缓冲剂配方(已申请发明专利,专利 申请号:201310125721.O)。通过选择得到最佳的电流程序, 同时采用氩气为保护气,以及选择被测元素的最佳谱线波长 和背景位置,选择每个元素的最佳摄谱时间,并采用内标 法,建立了直流电弧全谱直读原子发射光谱法测定地球化学 样品中痕量硼、钼、银、锡、铅的分析方法。此方法操作简便 快速、工作效率高,分析结果准确可靠,精密度好,是具有 实用性的分析方法。 术,使得其分析技术指标能完全满足勘查地球化学的要求, 但是分析流程繁琐,工作效率较低。 直流电弧全谱直读原子发射光谱法(DC-Arc-AES)的应 用[3-5]已有报道,其采用固体进样方式,克服了一般分析方 法中存在的样品分解不完全、空白高、易挥发元素损失、稀 释效应等缺点,且仪器采用大面积固态检测器,具有全谱直 收稿日期:2013—09—23。修订日期:2014—01—21 基金项目:国土资源部公益性行业科研专项经费项目(201211081)和基本科研业务费专项资金项目(AS2O13儿1)资助 作者简介:郝志红,女,1983年生,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所工程师 *通讯联系人 e-mail:zhangqin@igge.en e-mail:haozhihong@igge.ca 528 光谱学与光谱分析 第35卷 1实验部分 1.1仪器和工作条件 Prodigy DC Arc直流电弧全谱直读原子发射光谱仪(美 国利曼一徕伯斯公司),仪器工作参数见表1;自动玛瑙磨样 机;电热鼓风干燥箱。 Table 1 Working parameters of the instrument 工作参数 设定条件 光源 直流电弧 激发电流 4 A起弧,保持3 S,5 S缓慢升至12A, 保持10 s,1 S缓慢升至l4 A,保持16 s(共35 s) 电极极距 3 nm 保护气流量 3.5 L・rain一1 1.2缓冲剂 缓冲剂配方已申请国家专利,专利申请号: 2O131O125721.0。 1.3分析步骤 分别称取粒径小于0.074 mm的试料与缓冲剂各0.200 0 g,于自动玛瑙钵机中研磨2 rain后分别装满两根下电极, 滴入1滴蔗糖乙醇溶液[10 g蔗糖溶于500 mL乙醇水溶液 ( 醇: 1:1)],后置于电热鼓风干燥箱中,温度调至 7O℃保持1 h。 在直流电弧全谱直读原子发射光谱仪最佳仪器条件下, 将两根电极进行测定,以Ge元素作为内标元素,由仪器直 接计算得到样品中各元素的含量。 2结果与讨论 2.1电极的选择 不同的电极形状显著影响电极的温度分布、电弧燃烧的 稳定性和待测元素与基体元素的分馏效果。依据能得到灵敏 度高、精密度好、背景低、且电极孔壁与试样的烧耗速度一 致的电极,分别对电极的形状、直径、深度、壁厚进行优化 实验。实验所选电极已申请国家实用专利,专利申请号: 2O132O2623O3.1。 2.2电流程序的研究 电流程序的选择对摄谱中弧焰的稳定性至关重要,同时 也是影响各元素信噪比的关键因素之一。电流程序可设置多 级电流,每级电流可设置不同保持时间,而且升电流时可选 择连续升电流方式,可以有效消除试样的飞溅。经实验得 出,一级电流选择1A或2A,电极不可起弧,选择3 A,电极 可以起弧,但升至高电流时容易产生断电的现象,因此选择 4A作为一级电流。一级电流保持3 S后,以5 S的时间将电 流连续升至12 A,12 A作为二级电流可以保证sn有好的信 噪比,12 A保持10 S后,以1 S的时间将电流连续升至 14A,14A作为三级电流可以保证B,Mo,Ag,Pb,Ge(内标 元素)有好的信噪比。具体设置条件见表2。 Table 2 Excitation current procedures 2.3保护气影响的研究 控制电弧周围的气氛,可以消除CN带的产生并减少光 谱背景,经实验证明,使用氩气作为保护气消除CN带效果 较好,而且氩气还可以起到稳定电弧的作用。本实验对氩气 流量进行了优化选择(如图1一图3),结果表明,随氩气流量 的增大,各元素强度增大,背景降低,信噪比增大,当氩气 流量大于3 L・min 时,各元素强度、背景趋于稳定,同时 得到了最大的信噪比,因此选择氩气流量为3.5 L・rain~。 3 o00000 2 500000 20o0 000 言1l  500000 l 0ooooo 500 0o0 O 0 1 2 3 4 5 Ar lfow/L・min’ ---41---B 208.959— Mo 317.035 —●r_Ag 328.068 * Sn 317.502 — Pb 283.307—.__Pb 280.200 —+_Gc270 963 Fig.1 Effect of Ar flow Oil the intensity l 600 1 200 0 800 ∞ 400 0 1 2 3 4 5 Arflow/L・alia —._-B 2o8.959—-__Mo 317.035 — Ag 328.068— Sn 317.502 —*一Pb 283.307—●一Pb 280-200 —— 一Ge 270 963 Fig.2 EffectofArflow Onthe background 2.4缓冲剂的研制 在试样中加入一定量的缓冲剂,可以起到控制电弧温 度、稳定弧烧、预防试样飞溅及控制元素蒸发行为的作用, 从而得到好的分析准确度、精密度和检出限。 固体原子发射光谱法测定硼、钼、银、锡、铅采用的缓 冲剂见文献[2,9,10,11]报道,本实验研制了新的缓冲剂 以适用于本方法的分析,本缓冲剂配方已申请国家发明专 利,专利申请号:201310125721.0。并选取合成硅酸盐光谱 第2期 光谱学与光谱分析 529 分析标准物质GBW07705与缓冲剂1:1磨匀后,每隔5 S作 o 舞 曲【0Ⅱ.暑_I矗— Is 各元素的蒸发曲线(如图4),从图中可以得出各元素的蒸发 以避免由于光源波动、基体干扰以及人为操作造成的影响, 从而提高分析结果的准确度和精密度。经实验,选择Ge为 行为基本一致。 0 8 6 4 2 O 0 1 2 3 4 5 Ar lfow/L.min‘ —●一B 208.959—0一Mo 317.035 — 卜Ag 328.068…-K-一Sn 317.502 — Pb 283 307—._-Pb 280.200 ——卜Ge 270963 Fig.3 Effect ofArflow onthe signal-to-noise ratio 600000 蚤400000 qun量]l0日∞ 200000 O 0 10 20 30 40 50 60 70 Time/s Fig.4 Evaporation carves of elements 同时称取12份合成硅酸盐光谱分析标准物质 GBW07705,分别与缓冲剂1:1磨匀后,以不同的摄谱时间 分析测定,作不同摄谱时间对各元素强度和背景的曲线,如 图5和图6,从图5中可以得出,摄谱时间从5 S增加到25 S,各元素强度急剧上升,25 S以后Pb,Mo,Ge元素强度基 本保持稳定,B,Sn,Ag元素强度继续缓慢上升。但从图6 中可以得出,随着摄谱时间的增长,各元素的背景值也在增 加,而且在摄谱时间大于35s以后,背景值增加明显,因此 综合考虑摄谱时间对元素强度和背景值的影响,选择摄谱时 间为35 S。 2 000000 1 600 000 三-l 200000 800 000 400ooO O O 20 40 6O 80 Time/s Fig.5 Effect ofdifferent spectrographictimes onintensity 2.5 内标元素及分析线对的选择 在固体原子发射光谱进行定量分析中,内标法的应用可 内标元素,从图5中可知,Ge元素的蒸发行为与被测元素的 蒸发行为一致。同时地球化学样品中Ge元素的含量一般为 1~2 g・g~,本实验采用外加内标元素的方法,Ge元素的 加入量为试样中Ge元素含量的50倍以上,因此保证了内标 元素含量的一致性。 3 500 000 3 000o00 5oo000 000000 500000 O0ooo0 5000oo O 0 2O 40 6O 8O Time/s iFg.6 Effect of different spectrographic times on beckground 元素谱线波长的选择应综合参考谱线灵敏度、干扰等信 息Ll ,背景位置一般选择测量谱线峰两侧或某一侧的相邻 区域,经实验所选择的谱线波长、背景位置见表3。实验得 出,对于含量小于100/zg・g Pb的测定,选择谱线Pb/ 283.307 nlTl,对于含量为100 600/zg・g Pb的测定,选 择谱线Pb/280.200 nII1,同时其他元素所选择的分析谱线, 都能满足一般地球化学样品测定范围的要求,并能得到好的 分析精密度和准确度结果(见表6和表7)。 Table 3 Analytical line pairs,back ground correcting points of elements 元素 波长(Z/nm) 左背景右背景 内标线(Z/nm) B 208.959 4 —— 270.963 MO 317.035 15 270.963 Ag 328.068 13 270.963 Sn 317.502 4 270.963 Pb 283.307 —— 13 270.963 Pb 280.200 4 270.963 Ge 270.963 1 图7所示分别是岩石成分国家一级标准物质GBW07103 和GBW07104,水系沉积物成分国家一级标准物质 GBW07310,土壤成分国家一级标准物质GBW07403中B, Mo,Ag,Sn,Pb,Ge各元素的扫描峰及背景位置,从图中 可以得出对于不同成分的地球化学物质,本实验所选择的扫 描峰和背景的位置是一致的。 2.6分析技术指标测试 2.6.1标准曲线 本方法采用的是固体进样方式,因此选择国家一级地球 化学标准物质作为标准系列,选取GBW07317,GBW07103, GBW07302, GBW07401, GBW07402, GBⅥ 74O3. 第2期 光谱学与光谱分析 531 Table 6 Analytical precision of the method(RSD/%, g・g- ) Table 7 Analytical accuracy of the method 标准物质编号{ GBWO7103(GSR_1) 24 20.2 5.1 —RE  15.83 3.5 8.5l 0.54 3.79 158.3 16.7 l4.9 9.9 34.5 R E 8.29 0.033 0.46 —14.81 0.071 RE  0.029—12.12 12.5 0.078 0.049 9.86 4.26 0.79 2 12.42 0.88 RE  O.64 11.39 R/ E 31 l1.3 8.7 33.5 11.8 7.5 —8.O6 4.42 GB r07104(GSR一2) 4.7 GBW07107(GSR_5) 154 G]狮O7108(GSR_6) GBWO7121(GsR 14) 16 15 2.79 4.38 O.35 0.38 0.45  28.57 0.0472.38 O.95 19.OO 3.O6 3.75 13.79 12.22 —0.37 —2.63 0.043 0.037——13.95 0.98 0.31 2.24 14.81 0.03 0.037 23.33 0.O0 18 7.6 32 40 30 l12 27 350 23 636 285 13.5 31 341 15.8 7.5 35.9 36.3 27.7 118.7 25.6 368.7 21.1 701.6 267.6 13.1 32.9 373.5 O.67 0.27 8.33 4.55 0.8 29 0.83 25.66 3.67 3.64 4.23 3.O9 —1.32 12.19 GBWO73O2(GS 2) 1O.8 GBWO7303(GS 3) 33 2 92 12.OO 0.066 0.066 0.57011.52 82.64—1O.17 0.59 —3.39 3.4 4 4.6 2.8 5.4 2.6 370 7.94 9.OO 8.04 10.36 1_11 —9.25 7.67 5.98 GBWO73O4(GS 4) GBWO73O5(GS 5) GBWO73O6(( 6) 52 51 5O 143 54 68 52.5 51.9 47.7 130.9 51.7 69.4 21.8 4.7 一0.96 1.76 —0.86 1.2 7.7 0.77 —1O.47 0.084 0.077 —8.33 1.32 10.O0 0.36 0.365 0.385 1.39 6.94 —一4.6O  6.66 —13.51 0.365.19 5.34 GBW_07307(GSD一7) —8.46 1.4 1.51 0.79 7.86 1.O5 1.032 —1.71 0.O0 5.46 GBW073O9(GSD一9) G】BWO7311(( l】) 4.26 0.64 2.06 5.9 23.44 0.089 0.089 2.61 0.38 —8.26 1O.31 4.78 —18.98 3.2 7.6O 一9.52 O.45 0.37 1.51 3.867 20.84 399.57 7.99 GBWO7312(GS 12) 24 (进WO7317(GSD-13) 5.3 9.17 8.4 1.15 1.066 —7.30 54 58.95 1.25 2.49 8.15 9.17 —6.11 2.96 6.13 9.53 l1.32 0.44 8.75 11.61 2.27 12.12 —5.63 0.027 0.021—22.22 0.97 0.05 0.74 28.87 8.26 13.19 —GB、V07359(GS 16) 48 GBW0736O(GS 17) 62 52.2 69.2 0.33 1.6 0.052 4.O0 2.3 7.2 0.737 一O.41 GBWO7362(GS 19) 14 GBWO7363(GS 20) 28 14.7 27.0 31.8 42.5 81.8 1 0.7 8.2 6O.2 ——5.O0 0.84 0.75 —10.71 0.092 0.106 15.22 0.84 1.71 3.70 0.59 0.082 0.083 0.14 1.22 1.9 1.9 2 2 6.7 3.3 1.91 2.18 1.85 1.76 6.52 3.12 —0.53 14.74 7.5O 19 24 26 17 126 31 35 45 17.2 24.0 26.1 15.87 130.3 30.6 3O.8 43.5 ——9.47 0.O0 3.57 0.81 9.14 1.7 GBW07364(GS 21) 35 GBWO7365(GS 22) 46 GBWO7366(G 23) 70 0.154 10.O0 0.38 —7.61 16.86 9.18 15.46 5.61 1.1 1.56 1.04 1.1 48 0.91 —17.27 0.068 0.058—14.71 1.73 1O.90 2.1 2.317 10.33 12.OO 2.69 5.45 6.65 3.41 一GBw07301a(GSD—la) 9.8 GBWO7302a(GS 2a) 9.7 GBWO7303a( 3a) 57 0.97 —6.73 0.036 0.044 22.22 1.O8 一1.82 0.04 49.16 2.42 O.2 —1.29 12.OO 0.040 0.213 0.O0 6.5O 8.6 4.1 9.70 4.O5 12.79 1_22 3.33 532 光谱学与光谱分析 第35卷 以Ge元素作内标元素,选择了被测元素的最佳谱线,并对 3结论 谱线扫描峰及背景位置进行优化,选择最佳摄谱时间为35 s。本方法简便、快速,分析结果准确可靠,精密度好,是测 定地球化学样品中痕量硼、钼、银、锡、铅的一种先进的分 析方法,具有一定的实用性。 提出了新的电极和新的缓冲剂配方,在电流程序研究中 选择连续升电流方式,并以3.5 L・min1氩气作为保护气, [1]Rock and Mineral Analysis Writing Group(岩石矿物分析编写组).Rock and Mineral Analysis(Fourth Edition:Volume II)(岩石矿物分 析第四版(第2分册).Beijing:Geological Publishing House(fit京:地质出版社),2011.120. 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Keywords Direct current arc of full spectrum direct reading atomic emission spectroscopy;Geochemical samples;Boron; Molybdenum;Silver;Tin;Lead (Received Sep.23,2013;accepted Jan.21,2014) *Corresponding author 

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