负载泡塑富集—电感耦合等离子体质谱法测定地质样品中痕量金和银

刘向磊 孙文军 文田耀 王腾飞 孙卫志 李永新 郭静



摘 要 应用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定地球化学样品中痕量银时,受到相对地球化学丰度高的Nb, Zr, Y等元素的离子化合物干扰严重,样品不经富集分离,银的测试结果偏差非常大。本研究以负载二苯硫脲泡塑选择性富集Au和Ag,实现了Au和Ag与其它干扰元素的分离,建立了负载二苯硫脲泡塑富集、硫脲解脱-ICP-MS同时测定痕量Au和Ag的新方法。方法采用王水(1∶1)封闭消解矿样,补加水量50 mL,振荡时间和吸附温度分别为25 min和20℃,Au和Ag的方法检出限分别为 0.02和0.007 μg/g。使用本方法对8个国家一级标准物质中Au和Ag的检测结果与标准值基本相符,确证了方法的可行性。
关键词 负载泡塑; 化探样品; 金; 银; 分离富集; 电感耦合等离子体质谱法
1 引 言
通常,地质化探样品中Au和Ag属于痕量元素,且分布不均匀,需要大的称样量及富集分离后,测试数据才具有代表性。目前,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)或石墨炉原子吸收法(AAS)测定化探样品中Au[1~8]研究较多,部分方法已经在地质实验室得到推广应用。但是,由于应用质谱法测定Ag时,银的两个同位素107Ag和109Ag分别易受到Zr, Nb, Y等的氧化物和氢氧结合物90Zr17O, 91Zr16O, 91Zr18O, 93Nb16O, 14N+93Nb, 89Y16O1H, 89Y18O及90Zr16O1H, 90 Zr18OH, 91Zr16O1H等的干扰,且Zr, Nb, Y等在地球化学样品中元素丰度是Ag的百倍甚至上千倍,严重干扰Ag测定结果的准确性,即使使用干扰校正方程,也无法解决复杂的多原子离子对Ag的干扰问题[9~13]。
当前,地球化学样品中Ag的测定方法主要是发射光谱法(ICP-AES)和石墨炉原子吸收法[14~18],发射光谱法测定Ag操作繁琐、人为因素影响大,且分析周期长;石墨炉原子吸收法能够实现对痕量Ag的自动化检测,相比传统发射光谱法,具有更低的分析检出限、更高的灵敏度、更好的准确度和精确度。但是,在当前地球化学样品要求多元素同时快速准确测定背景下,石墨炉原子吸收法只能对Ag进行单元素分析,相比质谱法多元素检测,效率低且完成单位样品(Ag)测定时间长(50 s以上)。采用膜去溶抑制[9]或萃淋树脂(P507)[11]分离不同干扰元素离子,并以ICP-MS测定地质样品中的Ag,一定程度上能够实现ICP-MS对复杂地质样品中Ag的检测。但是,由于ICP-MS的耐盐量较差(TDS<0.2%),决定了样品未经富集直接取样量不可能大(≤0.2 g)、样品代表性差;另外,采用文献[9,11]的两种方法,样品处理和测试时间延长, 测试成本提高。所以,能够包括地质样品中痕量Ag的多元素快速准确测定,并且方法满足地质化探样品低含量、低检出限、大批量、多元素分析的要求,是现今地质样品分析技术所面临的难题。
本研究建立了应用王水(1∶1)在沸水浴中封闭消解试样,负载二苯硫脲聚氨酯泡塑分离富集,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)一次测定化探样品中痕量Au和Ag的新方法。实验表明,负载二苯硫脲聚氨酯泡塑可以选择性地有效富集化探样品中Au和Ag,而对Zr, Nb, Y, Zn等干扰元素并不富集,从而避开了在ICP-MS测试Ag时对其测试结果的干扰。
2 实验部分
2.1 仪器
ICAP QC型电感耦合等离子体质谱仪(美国Thermo Elemental公司,冷却雾室控制进样温度为5℃),其工作参数见表1。HY-8A 数显调速多用振荡器(江苏荣华仪器制造有限公司)。
2.2 试剂与材料
Au和Ag单元素标准储备溶液(100 μg/mL):由光谱纯级Au和AgNO3分别配制而成。并按比例混合、逐级稀释配制成Au(10 μg/L)、Ag(0.5 mg/L)混合标准溶液,15% HCl溶液介质。
二苯硫脲溶液(6 g/L):称取6 g对称二苯硫脲(分析纯)溶解于1.0 L丙酮溶液中。硫脲溶液(3 g/L): 3 g硫脲溶解于1.0 L蒸馏水中。质谱调谐液(1.0 μg/L):由Ba, Bi, Ce, Co, Zn, In, U, Li等元素组成,2% HNO3+ 0.5% HCl介质(Thermo Elemental公司)。
实验所用HCl、HNO3及其它试剂均为优级纯,用条件优化后的ICP-MS检测其3%体积分数溶液干扰元素和待测离子信号值均接近纯净水。实验用水均为超纯水。
二苯硫脲泡塑的制备:市售聚氨酯泡沫塑料去掉边皮,剪成约0.25 g的小块(2 cm×2 cm×3 cm),用5%的NaOH和HCl溶液反复处理3次后,用自来水洗净、自然晾干;把晾干后的泡塑浸泡于二苯硫脲溶液中,用玻璃棒反复挤压,使其浸泡均匀后取出,放在磁盘上风干,用纯净水把泡塑表面未负载的二苯硫脲冲洗干净后,备用。
2.3 样品处理
准确称取10.00 g试样于400 mL聚丙烯溶样瓶中,用少许水润湿,加王水(1∶1) 20 mL,加盖拧紧后,放入100℃恒温水浴锅中溶1 h,取出;加入50 mL蒸馏水,自然放凉后投入一块负载二苯硫脲泡塑,用玻璃棒按压使其浸泡均匀,再次加盖,于振荡器内振荡25 min,取出泡塑,用蒸馏水洗净残渣后,投入已分取10 mL 3 g/L硫脲溶液的25 mL比色管中,加塞,与100℃恒温水浴锅中解析20 min,取出泡塑(解析后的泡塑对Au和Ag不具备返吸附能力,但是,泡塑会占有一定的体积,而且,泡塑长时间浸泡易产生碎屑,阻塞进样系统),自然冷却,用蒸馏水定容至25 mL,待测。
2.4 标准曲线的绘制
用移液管分别分取0.0, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0和20 mL 的Au(10 μg/L)、Ag(0.5 mg/L)组合标准溶液于400 mL聚丙烯溶样瓶中,加入50 mL蒸馏水,按样品处理方法步骤处理后,进行测试,并绘制标准曲线。其中107Ag和197Au的回归方程分别为y1=6091074.0548x1 + 3488.3620,R2=0.9999;y2=8367.7979x2 +648.1531, R2=1.0000。由相关系数可以看出,107Ag和197Au的标准系列曲线线性响应良好,其线性范围分别为0.013~1.0 μg/g和0.05~20 ng/g。
3 结果与讨论
3.1 溶样方法的选择
酸溶法相比火试金法溶样更加经济、快速、操作简单、空白值低,非常适于大批量地质样品的分析。地质化探样品中Au和Ag在王水中易溶出,而Zr和Nb只有少部分溶出,本研究选用王水(1∶1) 20 mL在沸水浴中封闭溶解试样。选用王水(1∶1)而不是纯王水的目的是:在10.0 g大称样量和1 h封闭低温溶样的前提下,王水(1∶1)和纯王水对同一种地质样品中Au和Ag的溶解能力基本相同;但是,前者与样品反应更加平和,当样品中含有碳酸盐时不会瞬间放出大量气体,导致样品冒顶溢出。
3.2 补加水量的优化
试液中痕量Au和Ag需要满足两个前提条件才能达到富集最佳化:(1)Au3+和Ag+必须形成氯化络合物: [AuCl4]
和 [AgCl4]3
,即体系必须控制在一定的酸度范围内;(2)负载泡塑必须与已溶解的样品溶液充分接触,即吸附总体系必须达到一定体积。由于固体样品是在王水(1∶1)中封闭溶解,一般溶样后总体系中Cl
浓度远高于2 mol/L([AuCl4]
的形成条件是[Cl
]>2 mol/L,[AgCl4]3
的形成条件[Cl
>1.5 mol/L)[19]。所以,本研究采用补加水量的方法,调节体系的酸度和总体积。
实验分别称取7份国家黄色红壤标准物质GBW07406(每份10.0 g,平行6次)进行溶样,每份分别补加纯净水20, 30, 40, 50, 60, 70和80 mL,其它按2.3节进行样品处理、测试,考察补加水量对Au和Ag测试结果的影响(图1)。
3.3 振荡时间和富集温度
振荡时间和富集温度是影响负载泡塑对Au和Ag富集效率的两个重要因素。选择国家黄红壤标准物质GBW07405,按照2.3节样品处理步骤处理,在其它优化条件下,对二因素(富集温度和振荡时间)进行正交实验,每个实验编号进行6次平行实验并求其平均值。实验结果见表2。
表2结果表明,在20℃室温下,振荡(频率180 r/min)时间25 min,Au和Ag的测定值最接近推荐值。富集温度低(10℃)、振荡时间短(15 min),Au和Ag富集不完全且结果不稳定;富集温度高(30℃)、振荡时间长(35 min),造成二苯硫脲从聚氨酯泡塑上少部分脱落,测试结果同样偏低且不稳定。所以实验选用振荡时间25 min和富集温度20℃。实际操作可根据季节温度不同,振荡时间做适当调整。
3.4 干扰元素的分离
地质化探样品中Au和Ag一般属于痕量元素,准确测定都比较困难。用ICP-MS测定Au和Ag时,由于自然界中只存在197Au一种稳定的不受同量异位素重叠干扰的同位素,Au的测定不存在干扰问题。但是,质谱法测定107Ag时,易受到14N+93Nb, 16O+1H+90Zr, 1H+106Pd, 12C+95Mo, 16O+91Ar, 40Ar+67Cd, 18O+89Y, 13C+94Zr, 16O+3H+88Sr, 17O+2H+88Sr, 18O+1H+88Sr, 36Ar+71Ga, 13C+94Mo等的干扰,其中对107Ag主要干扰源是14N+93Nb和16O+1H+90Zr。
将国家标准物质GBW07401(暗棕壤)、GBW07402(栗钙土)、GBW07403(黄棕壤)、GBW07404(石灰岩土壤)分成两组,考察负载二苯硫脲聚氨酯泡塑对上述干扰元素的富集选择性。第一组,分别称取0.2000 g标准物质于100 mL聚四氟乙烯烧杯中,加入20 mL混酸(HF∶HNO3∶HCl∶HClO4=10∶2∶2∶1, V/V),在280℃电热板上加热蒸干并白烟冒尽后,用HNO3 (1∶1) 6 mL提取,移入100 mL容量瓶中,冷却后定容,用Rh和Re做混合内标,上机绘制标准曲线;第二组,分别称取10.0 g标准物质,按2.3节样品处理步骤处理,用Rh和Re做混合内标,测试结果见表3。
由表3可见,负载二苯硫脲泡塑除对干扰元素Sr有极少部分(约10%)富集外,其它干扰元素基本与待测元素Au和Ag完全分离,但16O+3H+88Sr, 17O+2H+88Sr, 18O+1H+88Sr对107Ag干扰丰度(Abundance)值分别为0.00, 0.00, 0.165,所以Sr对107Ag的干扰基本可以忽略。实验确证了负载二苯硫脲泡塑可以有效使Au和Ag与干扰元素分离。
3.5 方法的检出限
按拟定的样品处理分析步骤,连续测定分析流程中的12份样品空白,用其绝对值的3倍标准偏差除以称样量计算方法的检出限,Au和Ag的检出限分别为0.02 ng/g和0.007μg/g。
3.6 标准样品分析
按2.3节样品分析流程,对部分国家一级标准物质岩石和土壤样品GBW07103(黑云母花岗岩)、GBW07104(石英角闪安山岩)、GBW07105(橄榄玄武岩)、GBW07106(石英砂岩)、GBW07401(暗棕壤)、GBW07402(栗钙土)、GBW07403(黄棕壤)、GBW07404(石灰岩土壤)等进行分析(表4)。本方法测定结果与国家标准物质推荐值或参考值基本一致,能够满足地质化探样品中Au和Ag分析的要求。其中GBW07403未给出Au的参考值,本次测定的GBW07403中Au的含量为(0.10±0.02) ng/g。
4 结 论
由于其它相对高丰度的地球化学元素对Ag质谱干扰的原因,利用ICP-MS测定化探样品中的Ag一直没有找到更好的分析手段。本实验在研究负载二苯硫脲泡塑对Au和Ag选择性富集的基础上,建立了王水(1∶1)溶矿、负载二苯硫脲泡塑富集、硫脲解脱、电感耦合等离子体质谱法同时测定地质化探样品中Au和Ag的新方法。本研究主要解决了如下问题:
(1)Au和Ag同时溶解、分离富集,使Ag的称样量达到10.0g(相当于采用膜去溶等其他直接取样、ICP-MS测试Ag的富集倍数400倍以上),样品地球化学代表性增大;(2)在一定条件下,负载二苯硫脲泡塑基本只选择性富集Au和Ag,有效实现了Zr、Nb、Y、Zn、Ga等干扰元素与待测元素Au和Ag的分离,即避开了对107Ag的质谱干扰;(3)采用10 mL 0.3% 硫脲溶液解脱后直接定容至25 mL,实际上机时样品溶液中硫脲浓度小于0.12%,在此浓度下,沉积在进样系统特别是截取锥表面的硫脲,测试时间内不会造成仪器灵敏度下降,即避免了对样品溶液的二次稀释。
实验室采用本方法已经检测近万件地球化学样品中的Au和Ag,结果令人满意。本方法同样适合于地球化学样品中Ag的同位素109Ag的测定。
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