第3 5卷,第8期 2 0 1 5年8月 光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1.35,No.8,pp2303—2307 August,2015 地球化学样品中铌、钽的ICP-MS检测技术研究与应用 李自强,李小英,诸 垄,徐晓霞,严志远 国土资源部成都矿产资源监督检测中心(四川省地矿局成都综合岩矿测试中心),四川成都610081 摘要为给铌、钽资源勘查和开发提供分析测试技术支撑,基于地球化学样品中铌、钽的特殊化学性质, 应用电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS),对地球化学样品中铌、钽的检测方法进行了深入研究。结果表 明:样品溶液制备和仪器测定参数对检测效果有重要影响,特别是前者,因此优化样品溶液制备的重要参数 是检测技术的关键所在,试验选定条件是:试样重量为50 mg;氢氟酸用量为15 mL;样品溶液中硝酸、酒 石酸浓度分别为2 和1.5 ;溶液有效测定期限≤1 d。优化并确立的检测方法经国家一级地球化学标准物 质验证,其准确度、精密度均达到行业标准的要求。方法检出限分别为Nb:1.05 g・g 和Wa:0.13 ttg・ g。实验研究证明:应用特定的样品溶液制备流程,并结合ICP-MS技术适用于地球化学样品中铌、钽的准 确快速检测,尤其是样品量较大且铌、钽含量较低的地球化学勘查样品。 关键词 电感耦合等离子体质谱法;地球化学样品;铌;钽 中图分类号:0657.3 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2015)08—2303—05 根据氢氟酸能分解铌、钽矿物并破坏试样硅酸盐品格, 引 言 铌、钽属于稀有稀散金属,在军工、尖端技术,特别是 在原子能、喷气引擎、火箭等工业部门具有十分重要的作 形成氟络离子的性质,同时铌、钽元素能与酒石酸在酸性溶 液中形成较稳定络合物的原理Llj,结合ICP-MS检测技术, 系统研究了地球化学样品在溶液制备和测定环节中,试样重 量、试剂用量、测定条件等关键因素对检测效果的影响,优 化并确立检测方法,通过验证,获得了较理想的结果。 用[ 。近年来,随着我国经济和国防建设的发展,铌、钽矿 需求量快速增长,并严重依赖进口。为满足我国对铌、钽资 源的需求,改变自给率低的现状,加强铌、钽矿的勘查和开 1实验部分 1.1标准溶液和主要试剂 发,已被列为国土资源部“358找矿突破”的重要工作之一。 准确检测地球化学样品(土壤、水系沉积物、岩石)中 铌、钽含量是资源勘查和开发的关键环节。目前,常用的传 标准贮备溶液:由光谱纯Nb2 05和Taz 05溶解配制而 统化学分析法[ ]和x射线荧光光谱法(XRF)[3]存在诸如:使 用大量有机试剂、检出限高、过程繁琐、准确度差等缺点, 成。标准使用液:由标准贮备液体逐级稀释后配制成混合标 准溶液,浓度见表1。 ,I.abIe 1 Concentration of elements in stalldsrd solutions 较难满足当前地质工作的要求。电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)对金属元素有卓越的检出限,且分析速度快、精度 好,已广泛应用于地质等领域微量、痕量元素的测定 。但 也许是由于赋存铌、钽的矿物不易被常用的硝酸、盐酸等分 解,且铌、钽离子在酸性溶液中不稳定带来的困难_1J,系统 研究“酸分解一ICP_MS”检测地球化学样品中铌、钽的方法 标准溶液编号 浓度p/(ng・mL ) NbzOs Ta205 还罕有报道。为此,开展针对如何采取简便的酸分解,避免 碱熔造成试液盐份高,并适宜ICP-MS检测样品中高中低含 量铌、钽的研究,对促进铌、钽资源的开发具有重要的推动 作用。 收稿日期:2014—08—05,修订日期:2014一ii一18 硝酸、氢氟酸均为优级纯(成都科龙化工试剂厂),酒石 基金项目:国土资源部公益性行业专项经费项目(2O14111O7—4)和四川省地矿局科研基金项目(川地矿[2013157号)资助 作者简介:李自强,1985年生,国土资源部成都矿产资源监督检测中心助理工程师 e-maih liziqiang530@163.tom 2304 光谱学与光谱分析 第35卷 酸为分析纯,内标溶液:Rh和Re均为1O ng・mL~,超纯 偏差。其中,氢氟酸过量(30 mL),溶液中酒石酸、硝酸浓度 水(电阻率>18 Mn・em)。 1.2仪器及测试 7700Xseries电感耦合等离子体质谱仪(美国Agilent公 司)。检测之前进行调谐,校准质量轴,优化信噪比,调整质 谱检测器模拟和脉冲信号的校正系数(仪器主要参考工作条 件见表2)。 Table 2 Operating parameter of the instrmnent 工作参数 设定值 RF功率/w 进样速率/(mI ・rain ) 冷却气(Ar)流量/(L・min ) 测量方式 辅助气(Ar)流量/(L・min ) 驻留时间/s 雾化气(Ar)流量/(L・min ) 扫描次数 吣 雌 ¨呲 呲加采样深度/ram 间隔冲洗时间/s 采用选定同位素(见表3)进行上机测定,先以混合标准 液校准仪器,然后测定样品溶液。同时,通过三通管将内标 溶液与标准和样品溶液混匀后一并泵人,得到待测和内标元 素的信号计数,使用仪器软件计算出样品中Nb和Ta的含 量。 Table 3 Measurement isotopes and internal standards 1.3样品溶液的制备 定量称取样品放入聚四氟乙烯坩埚中,加少量超纯水润 湿,加入氢氟酸(40 HF)置于电热板上加热分解,低温(约 150℃)蒸发至近干(除去绝大多数氟以防止损坏仪器玻璃装 置),再加入酒石酸和硝酸溶液复溶,使Nb和Ta在酸性条 件下与酒石酸络合形成较稳定的络合物,进入溶液后,使用 酒石酸和硝酸溶液定容至25 mL,摇匀待测。 1.4检测效果的影响因素研究试验方法 (1)酒石酸浓度与Nb和Ta络合程度的关系:将标准溶 液系列(含2 硝酸)配制成分别含酒石酸浓度为oH, 0.5 ,l ,1.5 ,2 ,2.5 ,3 ,3.5 ,4 ,5 ,计 算Nb和Ta回收率。 (2)硝酸浓度与Nb和Ta络合程度的关系:将标准溶液 Std一1[酒石酸浓度由(1)确定],配制成分别含硝酸浓度为 o ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,计算Nb和Ta回收率。 (3)试样重量与检测效果的关系:以国家一级地球化学 标物GBW07302为试验对象,样品量设计lO,25,5O,75, 100 mg,每种样品量平行分析12次,统计结果的相对标准 由(1)和(2)确定。 (4)氢氟酸用量与检测效果的关系:以GBW07302(同 上)为试验对象,试样量由(3)确定,氢氟酸用量分别为5,8, 1O,12,15,2O,25,3O mL。每种用量平行分析5次,统计结 果平均值的相对误差。 (5)放置时间对Nb和Ta溶液稳定性的影响:将标准使 用溶液[酒石酸和硝酸由(1)(2)确定]放置1,2,3,4 d,过 程中分别测定溶液中Nb和Ta的含量,计算回收率。 1.4方法质量水平 选用不同类型(含土壤、水系沉积物、岩石)、不同含量 段的国家一级地球化学样品标准物质7份,用确定的检测方 法对每份标准物质进行12次分析,参照(DZ/T 0130— 2006)[ ]的规定,统计方法的准确度、精密度和检出限。 2 结果与讨论 2.1干扰、同位素和内标的选择 ICP-MS中非质谱型干扰(即基体效应)常表现为空间电 荷和电离抑制效应,产生的原因是试液中存在大量溶解的基 体元素L8],特别是基体复杂的地球化学样品。本试验采用酸 分解,避免了碱熔引入大量盐类产生的电离抑制效应;如表 3所示,对Nb和Ta形成质谱型干扰是Se,As,Fe和Ho形 成的多原子分子,其中Se,As和Ho在地球化学样品中为痕 量元素,干扰微小,Fe为主要基体元素,且属于Ar基干扰, 影响较大。为此,试验选择氢氟酸分解,Fe等多数基体元素 少量溶出,有效降低了质谱型干扰的形成,有利于提高准确 度。 ICP_MS测定时选择丰度较大、干扰小的同位素,其中 Nb仅有 Nb供选择,Ta同位素包括 Ta和 。Ta,相对丰 度分别为99.988 和0.012 ,虽然” Ta仅有 Ho”O的 干扰,但由于其丰度太低,灵敏度很差,因此Ta的测定同位 素选择 Ta;试验采用内标校正降低仪器信号波动对精度的 影响,同时内标元素也可以有效补偿非质谱型干扰。根据内 标元素在样品中基本不存在,且质量数、电离能、浓度与待 测元素相近的原则 ’lo],实验采用Rh和Re作为内标(表 3)。 2.2酒石酸浓度与Nb和Ta络合程度的关系 如图1和图2所示的溶液中酒石酸浓度与Nb和Ta回 收率的关系。当酒石酸浓度低于i.oH时,中低含量Nb和 Ta回收率均明显偏低,络合程度较低,特别是Ta,浓度为2 ng・n1L 标准溶液的回收率<88 ;当酒石酸浓度≥I , 铌、钽回收率均维持在100 左右,络合较充分。但酒石酸浓 度过高易导致雾化器析盐并堵塞,同时增加非质谱型干扰, 影响检测结果准确度。因此,综合二因素,确定最佳酒石酸 浓度为1.5 。 2.3硝酸浓度与Nb和Ta络合程度的关系 由2.2可知,低浓度铌、钽溶液稳定性最差。因此,试 验以Std-1为对象研究硝酸浓度与Nb和Ta回收率关系。结 果如图3所示,硝酸对促进酒石酸与Nb和Ta络合,提高回 第8期 光谱学与光谱分析 2305 收率有较大影响。当硝酸浓度为o 时,Nb和Ta回收率分 摹,qzJ0o 雹 o≯08 别仅为87 和8O ;当硝酸浓度≥1∞ % 时,其回收率均在 鼹 加基体效应,为保证检测结果质量,试样用量确定为50 mg。 ,B §^J 0o /00 日磊皇 o 言8 100 左右,络合程度较完全。但硝酸浓度过大会增加试剂 空白、腐蚀仪器。因此,硝酸浓度应维持在2 为好。 % m:兮∞ ∞;2∞ lO 20 3O 4O 5O 6O 7O 8O 9O 100 Weight of sample/mg Fig.4 Relationship between the weight f osample andRSD oftest results 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Concentration oftar taric acid/% Fig.1 Relationship between the concentration of tartaric acid and recovery rate ofNb 2.5氢氟酸用量与检测效果的关系 如图5所示,在样品量确定的情况下,氢氟酸的用量对 检测结果准确度具有重要影响:当氢氟酸用量<12 mL时, 可能是酸用量太少,消解反应时间过短,试样分解不完全, 检测结果负误差较大;当氢氟酸用量≥12 mL时,消解时间 增加,检测结果相对误差(RE)趋于O ,表明样品分解较完 全。继续增加氢氟酸用量对RE的影响已不明显。综合考虑 它 写 Z 0凸∞ 4 2 O 8 6 4 2 减少有害气体排放,消解反应时间,保证试样较充分分解等 曩丑Z 0 5 E1 H Zm o 邶 珈 铷 枷 舶 因素,比较合适的氢氟酸用量应为15 mL。 ∞ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Conccntration oftar taric acid Fig.2 Relationship between the concentration f otartaric acid and recoveryrate ofTa 5 10 15 2O 25 30 Volume ofHydrofluoric acid/mL Fig.5 Relationship between the Volume ofHFandRE oftest results 2.6放置时间对Nb和Ta溶液稳定性的影响 图6和图7是Nb和Ta溶液在常温下放置时间对回收 率的影响试验结果。可以看出,放置时间对Nb和Ta溶液的 0 1 2 3 Concentrafion ofnitric acid 4 5 Fig.3 Relationship between the concentatiron of nitric acidand recoverylane ofNb andTa 2.4试样重量与检测效果的关系 根据图4所示,样品量与检测结果精密度(RSD)的关系 表明:试样重量对检测结果质量影响明显。将当样品量为11 mg时,检测结果RSD分别为8.2 和12.8 ,数据离散程 度较大,结果可靠性偏低,可能是因为该样品量太小影响样 品的代表性,且放大了环境、操作等对结果的影响;当增加 样品量时,检测结果的RSD迅速降低,当样品量≥25 mg, 结果的RSD相对较小,检测数据较可靠。但样品量过大会增 0 l 2 Standingfim ̄d 3 4 Fig.6 Effect of standing time on recovery rate of Nb in solution 2306 光谱学与光谱分析 第35卷 稳定性与放置时间有密切的关系。因此,为了排除放置时间 的影响,获得准确的检测结果,标准溶液和试样溶液的有效 1O0 0 测定期限应不超过1 d。 2.7方法质量水平 害 95 0 方法质量水平参数统计结果如表4所示。其中,准确度 以平均相对误差RE、平均对数偏差Algc表征,结果满足行 业标准(DZ/T 0130—2006)[ 规定的Algc≤0.05,RE≤12 ; 精密度(相对标准偏差RSD)满足其规定的RSD≤10 的要 9O 85 0 1 ,2 3 4 求,其中痕量的Ta结果精密度稍差,如GBW07104中Ta检 测结果的RSD为9.09 。 Standing time/d Fig.7 Effect of standing time on recovery rate of Ta in solution 为综合考察试剂、试液制备、仪器波动和样品基体对方 法检出限的影响,统计GBW07310(含量较低)分析结果的3 回收率影响较明显。特别是较低浓度溶液,放置2 d,Nb和 Ta的回收率分别下降了约6 ,并随时间的延长,进一步迅 速降低。其原因可能是Nb和Ta与酒石酸形成的络合物的 倍标准偏差(sD)计算检出限,以lO倍SD作为测定下限。因 此,样品检出限和测定下限分别为:Nb(1.05,3.5 g・ g );Ta(0.13,0.4 g・g )。 Table 4 Accuracy and precision of method 备注:GBW07155为国家一级钽矿石标准物质 nag;氢氟酸用量为15 mI ;样品溶液中硝酸、酒石酸浓度分 3结论 别为2 和1.5 ;溶液有效测定期限≤1 d。 (3)优化并确立的检测方法,经过国家一级地球化学标 (1)对地球化学样品中Nb和Ta的ICP-MS检测技术而 准物质验证,其准确度、精密度均达到行业标准的要求,铌 和钽元素的检出限分别为1.05和0.13,ug・g。结果表明: 言,对检测效果有重要的影响因素是样品溶液制备过程中试 剂浓度,样品重量,氢氟酸用量等因素和仪器测定参数。尤 其优化样品溶液制备的重要参数是整个ICP-MS检测技术的 关键。 该检测技术适用于地球化学样品中铌、钽的准确快速检测, 尤其是样品量较大且铌、钽含量普遍较低的地球化学勘查样 品。 (2)样品溶液的制备选定的关键参数是:样品量为5O References [1] YIN Ming,LI Jia-xi(尹明,李家熙).Mineral Composition Determination of Rock(岩石矿物分析).4rd Ed(第四版).Vo1.3(第三分 册).Beijing:Geological Publishing House( ̄L京:地质出版社),201 1.376. 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Research and Application of the ICP-_MS Detection Technology for the Content of Nb and Ta in Geochemical Sample LI Zi-qiang,LI Xiao-ying,ZHU Kun,XU Xiao-xia,YAN Zhi-yuan Chengdu Supervision&Testing Center of Mineral Resources,Ministry of Land&Resources(Chengdu Analytical 8乙Testing Center for Minerals&Rocks,Sichuan Bureau of Geology&Mineral Resources),Chengdu 610081,China Abstract In order to provide the test analysis technology to support the exploration and development of niobium and tantalum resource,based on the special chemical properties of Nb and Ta in geochemical sample,we studied the detection methods for the content of Nb and Ta in geochemical sample by using inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP_MS).The results show that the sample dissolution and instrumental parameter of ICP-MS,especially the former have significant influence?on de— tection results.Therefore,optimizing important parameters of sample dissolution is the key of the detection technology.The op— timal parameters are that:the weight of sample is 50 mg;the dosage of HF acid is 15 mE;the concentration of nitric acid and tartaric acid in the sample solution is 2 and 1.5 ,respectively;the validity period of detection for sample solution≤1 d.The detection method has been validated by the national geochemistry standard reference materia1.The precise and exaction of meth— od meet the required of industry standards.The detection limits of method for Nb and Ta are 1.05 and 0.13/zg・g~.respec— tively.The experiment proved that the ICP-MS detection methods,which using certain preparation process of sample solutions. is suitable for accurate and rapid determination of Nb and Ta in geochemical sample,especially geochemical survey samples which with a large amount and low content of Nb and Ta. Keywords Inductively coupled plasma mass spectrometry;Geochemical sample;Niobium;Tantalum (Received Aug.5,2014;accepted Nov.18,2014)