Determination of Silicon Manganese and Phosphorus in High Carbon-chrome Iron by Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry after Microwave Digestion
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摘要:
高碳铬铁需要用强氧化性酸或混合酸在高温条件下才能分解或采用碱熔法处理样品，但操作比较繁琐并引入大量的钠离子，干扰待测元素的检测。微波消解技术与电感耦合等离子体光谱(ICP-AES)结合用于测定高碳铬中的铁已有报道。本文在文献方法的基础上，建立了ICP-AES同时测定高碳铬铁样品中Si、Mn、P的方法。采用硝酸消解高碳铬铁中易分解部分，再用高氯酸和氢氟酸消解碳化物和硅化物，减少了高氯酸的用量，消解过程平稳安全。利用高碳铬铁标准物质建立标准曲线，Y和In作内标，Si、Mn、P的检出限分别为0.0017%、0.0025%和0.0033%。用高碳铬铁标准物质GSB 03-1562—2003、GSB 03-1058—1999和GSB 03-1059—1999验证方法的精密度及准确度，11次测定的相对标准偏差(RSD)在0.8%~6.0%之间，不同含量标准物质测定结果与标准值吻合。本方法微波消解样品完全，操作安全简单，准确度高，适用于高碳铬铁样品的多元素同时分析。
Abstract:High carbon-chrome iron samples can be decomposed using strong oxidizing acid, mixed acid or by the alkali fusion method under high temperature. These chemical procedures are complex, especially the alkali fusion method, which introduces a large amount of interfering ions such as Na+. Microwave digestion technology is widely used in the pretreatment process of insoluble samples. This pretreatment method combined with Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES) has been reported to determine Fe in high carbon-chrome iron. Based on previous studies, a method for the simultaneous determination of silicon, manganese and phosphorus has been established in this study. HNO3 is conducted to digest easy decomposition components in high carbon-chrome iron. HClO4 and HF are then loaded to digest carbides and silicides. Since there is a reduction in the volume of HClO4, the process is stable and safe. Using high carbon-chrome iron standard materials to set up the calibration curve, and Y, In and Bi as internal standard elements, the detection limits of silicon manganese and phosphorus were 0.0017%, 0.0025% and 0.0033%, respectively. Precision and accuracy of this method were verified by using high carbon-chrome iron standard materials of GSB 03-1562—2003, GSB 03-1058—1999 and GSB 03-1059—1999. The results were consistent with the certified values. The relative standard deviations (RSD) are in the range 0.8%-6.0% (n=11), and the relative deviations (RE) are from 0.044% to 0.227%. This method has the advantage of digesting the sample completely, is safe and has a simple operation process and a high degree of accuracy, which can also be used for the determination of several elements in high carbon-chrome iron.
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Sr-Nd同位素是地球化学和地质年代学的重要组成部分，是探讨岩石成因和壳幔演化最重要的示踪手段之一。目前最广泛采用的Sr-Nd同位素分析方法是采用热电离质谱(TIMS)或多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)对样品经过溶解、化学分离后纯净的Sr-Nd组分进行质谱测试，从而获得测试样品的Sr-Nd同位素组成[1-2]。这种对样品的整体分析(bulk analysis)可以获得高精度的Sr-Nd同位素平均组成，但是不能够获得由于复杂地质过程导致的天然矿物不同成分环带具体的同位素组成，且分析速度较慢。LA-MC-ICPMS技术的出现，使得对多种元素的同位素组成进行高精度的微区原位分析成为可能，对一些其他方法难以分析的Sr-Nd、Pb、U、Fe、Cu、Zn、Mo、Ti、Hf等金属元素同位素的精确测定特别有效[3]。微区分析技术不仅避免了繁琐的化学提纯分离流程和化学试剂对环境造成的污染，节约了成本，提高了工作效率；而且可以对不同的矿物颗粒和矿物颗粒内部的生长环带、子矿物及细微的沉积条带等进行原位分析，从而揭示一些常规分析方法无法观测到的现象和规律。
但由于原位微区分析不能进行树脂纯化分离，同质异位素干扰的准确扣除是能否准确获得Sr-Nd同位素比值的关键，主要是Kr、Rb、稀土二价离子及钙聚合物对Sr同位素的干扰扣除和Sm对Nd同位素的干扰，近年来仍有许多学者尝试对单矿物微区Sr-Nd同位素组成进行了精确测定。如斜长石、磷灰石、单斜辉石、碳酸盐、钙钛矿等矿物具有低Rb、高Sr的特征，微区分析获得的Sr同位素组成基本代表了样品的初始Sr同位素组成[4-8]；对磷灰石、榍石、铁锰结壳、独居石、褐帘石、钙锆钛矿和钛锆钍矿等天然矿物的Nd同位素进行测定获得了可信的结果[9-15]。这其中，磷灰石是一种常见的副矿物，广泛存在于火山岩、花岗岩、沉积岩以及变质岩中，磷灰石具有较高的Sr和Nd含量,既可以进行Sr同位素微区分析也可以进行Nd同位素微区分析。并且，将原位微区Sr-Nd同位素分析与U-Pb年龄测定以及磷灰石稀土微量元素分析相结合，可以为解决地质问题提供极为有利的信息。本文利用中国地质科学院矿产资源研究所的Neptune MC-ICP-MS和Newwave 213 nm激光剥蚀系统，综合近年来发表的干扰扣除方法和仪器质量歧视校正方法，建立了快速高精度的磷灰石Sr-Nd同位素激光原位测定方法。
1. 实验部分
1.1 仪器及工作条件
测试是在Finnigan Neptune型多接收器等离子体质谱仪上进行的，激光剥蚀系统为Newwave UP 213 nm。Neptune多接收器等离子体质谱采用双聚焦(能量聚焦和质量聚焦)光路设计，采用动态变焦(zoom)技术可以将质量色散扩大至17%，配有1个固定在中心的法拉第杯，在低质量数和高质量数各有4个马达驱动的法拉第杯。在中心杯后装有1个电子倍增器，在最低质量数杯外侧装有4个离子计数器。激光剥蚀系统能够产生213 nm的紫外激光，经过激光匀化将能量聚焦在样品表面，激光剥蚀光斑的直径可在10~150 μm之间调节。激光的输出能量可以调节，最大实际输出功率可达35 J/cm2。详细参数见表 1。
本实验中激光能量密度约为15 J/cm2，激光Sr-Nd同位素分析的法拉第杯结构见表 1，仪器参数见表 2。采用单点剥蚀模式，剥蚀出的物质以He作为载气从样品池中带出，与Ar混合后进入MC-ICP-MS进行Sr-Nd同位素测定。
表 1 激光测定Sr-Nd同位素的法拉第杯结构Table 1. Collector cup configuration of the LA-MC-ICPMS for Sr-Nd isotopic measurementSr法拉第杯结构 法拉第杯 L4 L3 L2 L1 C H1 H2 H3 H4 质量数 83 83.5 84 85 85.5 86 86.5 87 88 待测元素同位素 83Kr+43Ca40Ar+43Ca40Ca+166Er 167Er 84Sr+84Kr+44Ca40Ar+44Ca40Ca+42Ca42Ca+168Er+168Yb+68Zn16O 85Rb+43Ca42Ca+170Yb 171Yb 86Sr+86Kr+46Ca40Ar+48Ca38Ar+46Ca40Ca+44Ca42Ca+43Ca43Ca+172Yb+54Fe32O 173Yb 87Sr+87Rb+44Ca43Ca+174Hf+71Ga16O 88Sr+48Ca40Ca+48Ca40Ca+46Ca42Ca+44Ca44Ca+176Hf+176Yb+176Lu+56Fe32O Nd法拉第杯结构 法拉第杯 L4 L3 L2 L1 C H1 H2 H3 H4 质量数 142 143 144 145 146 147 149 - - 待测元素同位素 142Nd+142Ce 143Nd 144Nd+144Sm 145Nd 146Nd 147Sm 149Sm - - 表 2 MC-ICP-MS仪器工作参数Table 2. Instrumental parameters of MC-ICP-MS工作参数 设定条件 RF功率 1250 W 冷却气流量 ~16.5 L/min 辅助气流量 ~0.9 L/min 样品气流量 ~1.2 L/min 积分时间 0.131 s,200 cycles 激光剥蚀系统 Newwave UP 213 nm 氦气流量 ~0.85 L/min 能量密度 13～15 J/cm2 剥蚀直径 80 μm,65 μm 剥蚀频率 20 Hz 1.2 样品准备
磷灰石样品靶的制备与U-Pb定年锆石样品制备方法基本相同，即首先将待测磷灰石样品和磷灰石标准样品(如Durango、Apatite1和PE等)分别用胶粘在载玻片上，放上PVC环，然后将环氧树脂和固化剂进行充分混合后注入PVC环中，待树脂充分固化后将样品座从载玻片上剥离，并对其进行抛光，直到样品露出一个光洁的平面。样品测定之前超声清洗后用酒精轻擦样品表面，以除去可能的污染。
1.3 标准溶液测定
在进行激光Sr-Nd同位素测定之前，本研究采用200×10-9的NBS 987 Sr和JMC Nd同位素标准溶液来检验MC-ICP-MS仪器的稳定性和分析数据的重现性。在测定Sr同位素时，87Sr/86Sr和84Sr/86Sr比值采用86Sr/88Sr=0.1194进行指数法则校正；测定Nd同位素时，143Nd/144Nd和145Nd/144Nd比值采用146Nd/144Nd=0.7219进行指数法则校正。
近一年来，对200×10-9的NBS 987 Sr和JMC Nd溶液采用4 s积分时间采集40组数据的方式进行测试，结果见图 1。获得NBS 987 的Sr同位素比值87Sr/86Sr=0.710260±13(2SD，N=11)，与近年来文献报道的TIMS测试值在误差范围内一致(0.710236[16]; 0.710274[17])；获得JMC的Nd同位素比值143Nd/144Nd=0.511128±23(2SD，N=24)，也与近年来文献报道的TIMS测试值在误差范围内一致(0.511113[18];0.511106[19];0.511127[20])。
在进行原位激光剥蚀测试时，由于单矿物颗粒大小和剥蚀深度的限制不可能采用较长的积分时间，本研究尝试采用0.131 s的积分时间采集200组数据对标准溶液进行测试。由图 1可以看出，虽然测试精度下降，但是依然可以获得理想的测试结果，因此本研究在进行激光原位分析时采用该种数据采集方式。
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图 1 标准溶液NBS 987和JMC的Sr-Nd同位素测定结果Figure 1. Sr-Nd isotopic measurements of NBS 987 and JMC standard solutions2. Sr-Nd同位素的干扰校正
2.1 Sr同位素测定的同质异位素干扰校正
与溶液进样不同，利用LA-MC-ICPMS进行Sr-Nd同位素测定时由于没有进行化学分离和纯化，通常会有同质异位素干扰的存在(表 1)。如何有效地对干扰进行扣除校正是必须克服的技术难题，也是对Sr-Nd同位素进行准确测定的前提。干扰扣除校正的效果可以利用稳定的84Sr/88Sr和145Nd/144Nd比值来评估[4-5,21]。测定结果见表 3和图 2。
2.1.1 Rb的干扰校正
Rb有两个同位素85Rb和87Rb，激光进样时，尽管磷灰石等样品Rb含量极低，但87Rb的存在仍会对87Sr的测定产生干扰(表 1)。因此，在进行测定时，通过对85Rb的准确测定，并假定仪器对Rb的质量歧视与对Sr的质量歧视相同，可以采用85Rb/87Rb=2.593这一天然比值对87Rb的干扰进行扣除。杨岳衡等[8]通过对低Rb高Sr的地质样品进行原位分析，研究表明这种校正方法是可能的。
2.1.2 稀土元素二价离子的干扰校正
由于磷灰石含有较高的稀土元素，而这些稀土元素的二价离子也可能对Sr同位素比值的准确获得产生影响(表 1)。本文采用前人证明切实可行的对独立无干扰的信号167Er+(83.5)、170Er+(85.5)、173Rb2+(86.5)进行测定，进而对干扰进行校正和扣除[4, 8, 21-22]。
2.1.3 Kr和Ca的干扰校正
Kr的干扰主要来自于等离子体的发生气Ar和载气He，84Kr和86Kr的存在会对Sr同位素比值的准确测定带来影响，在剥蚀分析过程中Kr是比较稳定的，因此可以采用将Kr的干扰按背景扣除的办法，将Kr作为背景加以扣除[21]。而磷灰石样品具有较高的Ca含量，剥蚀过程中形成的气溶胶在等离子化过程中会产生钙聚合物[5, 23]，进而影响到Sr同位素比值的测定，尤其是44Ca40Ca对84Sr的干扰以及48Ca40Ca、46Ca42Ca和44Ca44Ca对88Sr的干扰会影响到84Sr/86Sr和86Sr/88Sr的测定。由于难以简单有效地将钙聚合物的干扰进行扣除，只能依据经过86Sr/88Sr=0.1194校正后的84Sr/86Sr比值来对这一
表 3 标准样品测试结果比较Table 3. Comparison of analytical results for three potential reference apatites between different Laboratories标准样品名称 w/10-6 87Sr/86Sr 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd 方法 备注 Rb Sr Sm Nd Durango - - - ~1600 - 0.0867 0.512483±0.000004 溶液法MC-ICP-MS Foster等[9] Durango 0.05±0.02(2SD,N=6) 483±8(2SD,N=6) 224±5(2SD,N=6) 1568±24(2SD,N=6) 0.70634±0.00003(2SD,N=6) 0.0865±0.0017(2SD,N=6) 0.512487±0.000013(2SD,N=6) TIMS 本文 Durango - - - - 0.70629±0.00009(2SD,N=27) 0.0852±0.0010(2SD,N=25) 0.512498±0.000025(2SD，N=25) LA-MC-ICPMS(80 μm) 本文 Apatite 1 0.17±0.61(1SD,N=20,EPMA) 2582±23(1SD,N=20,EPMA) 206±5(1SD,N=20,EPMA) 1581±43(1SD,N=20,EPMA) 0.71138±0.00002(2SD,N=4)0.71137±0.00007(2SD,N=61) 0.0866±0.0005(2SD,N=90) 0.511334±0.000025(2SD,N=8)0.511342±0.000031(2SD,N=90) 溶液法MC-ICP-MSLA-MC-ICPMS 杨岳衡等[8]杨岳衡等[13] Apatite 1 - - - - 0.71136±0.00009(2SD,N=16) 0.0867±0.0010(2SD,N=15) 0.511336±0.000025(2SD,N=15) LA-MC-ICPMS(80 μm) 本文 PE 0.11±0.01(2SD,N=6) 490±21(2SD,N=6) 84±3(2SD,N=6) 626±24(2SD,N=6) 0.70868±0.00004(2SD,N=6) 0.0814±0.0008(2SD,N=6) 0.512145±0.000007(2SD,N=6) TIMS 本文 PE - - - - 0.70867±0.00009(2SD,N=42) 0.0820±0.0010(2SD,N=30) 0.512152±0.000025(2SD,N=30) LA-MC-ICPMS(80 μm) 本文 ![]()
图 2 三个磷灰石标准样品的Sr同位素原位分析结果Figure 2. In situ Sr isotopic measurements of three potential reference apatites影响进行评估。当然也有不少学者认为这种影响极为有限，从第3节中本研究对三个磷灰石标准样品84Sr/86Sr比值的测定结果来看，钙聚合物对Sr同位素比值测定的影响是极为有限的。
2.2 Nd同位素测定的同质异位素干扰校正
2.2.1 Sm的干扰校正
不同于磷灰石Sr同位素原位测定，Sm和Nd同属于轻稀土元素，地球化学性质相似，所以高Sm含量造成的144Sm对144Nd的干扰的扣除是Nd同位素准确测定需要解决的关键问题。
本文采用杨岳衡等[13]的方法，采用独立无干扰的Sm同位素比值147Sm/149Sm=1.08680[24]，对Sm的质量分馏按指数法则进行校正，利用144Sm/149Sm=0.22332[25]进行144Sm对144Nd的同质异位素干扰扣除。这种方法与LA-MC-ICPMS测试锆石Hf同位素过程中校正176Yb对176Hf的干扰非常相似。对Sm的干扰扣除校正的效果可以通过检测稳定同位素对145Nd/144Nd的比值与其推荐值0.348415的差距来进行验证。
2.2.2 Ce的干扰校正
在进行Nd同位素测定时，最大的干扰来自142Ce对142Nd的干扰以及144Sm对144Nd的干扰。本实验不测定142Nd，并且杨岳衡等[26]工作表明大量Ce的存在并不影响双聚焦MC-ICP-MS的Nd同位素测定。
3. 磷灰石标准样品的 Sr-Nd同位素测定
目前，对在微区Sr-Nd同位素分析过程中常使用不同的标准样品来检验仪器质量歧视校正和干扰扣除的效果，检验建立的分析方法的可靠性。与人工合成标准样品不同，由于天然的标准样品与实际地质样品具有基本相同的基质成分，被广泛应用于原位微区同位素分析中。本文对国际上实验室经常使用的一个磷灰石标准Durango和两个实验室磷灰石标准Apatite 1以及PE进行原位微区Sr-Nd同位素测定，分析结果见表 3、图 2和图 3。
3.1 标准样品Durango
Durango磷灰石是一种颗粒较大的宝石级磷灰石，粒度可达到厘米级，产于墨西哥Durango市Cerro de Mercado附近的假像赤铁矿床的裂隙填充物中，偶尔出现在小的矿脉中，该矿床被火山物质包围，其Ar-Ar年龄为(31.44±0.18) Ma(2σ)[27]，是磷灰石U-Pb、(U-Th)/He和裂变径迹定年的标准样品。Durango标准样品的Rb、Sr、Sm、Nd含量见表 3。
本文分别采用80 μm和65 μm的剥蚀直径对样品的Sr-Nd同位素进行了测定，在两个剥蚀直径条件下获得87Sr/86Sr的分析结果分别为0.70629±0.00009(2SD，N=27)和0.70631±0.00012(2SD,N=8)，这与本研究在武汉地质调查中心利用TIMS方法获得的结果87Sr/86Sr=0.70634±0.00003(2SD,N=6)在误差范围内一致；获得84Sr/86Sr的分析结果分别为0.0564±0.0007(2SD,N=27)和0.0563±0.0009(2SD,N=8)，与理论值0.0565在误差范围内一致(表 3)。两种剥蚀直径条件下，获得143Nd/144Nd的分析结果分别为0.512498±0.000025 (2SD,N=25)和0.512498±0.000035 (2SD,N=13)，获得147Sm/144Nd=0.0852±0.0010 (2SD,
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图 3 三个磷灰石标准的Nd同位素原位分析结果Figure 3. In situ Nd isotopic measurements of three potential reference apatitesN=38)，与本研究在武汉地质调查中心利用TIMS方法获得143Nd/144Nd=0.512487±0.000013 (2SD,N=6)，147Sm/144Nd=0.0865±0.0017 (2SD,N=6)在误差范围内一致，也与Foster等[9]报道的结果一致(表 3)，获得145Nd/144Nd=0.348423±0.000015 (2SD,N=38)与理论值在误差范围内一致。同时从图 2和图 3可以看出剥蚀直径变小，获得结果精度变差，但只要能够获得足够的分析信号则不影响分析结果的准确性。
3.2 标准样品Apatite 1
Apatite 1是来自阿富汗的宝石级磷灰石，是中国科学院地质与地球物理研究所MC-ICP-MS实验室Sr-Nd同位素分析的内部标准(见表 3，杨岳衡等[8]; 杨岳衡等[13])。本文采用80 μm的剥蚀直径对样品的Sr-Nd同位素进行测定，获得87Sr/86Sr=0.71136±0.00009 (2SD,N=16)，与文献报道的分析结果在误差范围内一致(表 3)，84Sr/86Sr=0.0562±0.0005(2SD,N=16)，与理论值基本一致；获得143Nd/144Nd＝0.511336±0.000025 (2SD,N=15)，147Sm/144Nd＝0.0867±0.0010(2SD,N=15)，均与文献报道值[8, 13]在误差范围内一致(表 3)，获得145Nd/144Nd＝0.348414±0.000013 (2SD,N=15) 与理论值在误差范围内一致。
3.3 标准样品PE
PE是产自阿富汗的磷灰石巨晶，每颗尺寸约2 cm×1 cm×1 cm。本研究在武汉地质调查中心采用TIMS方法获得其87Sr/86Sr=0.70868±0.00004 (2SD,N=6)，143Nd/144Nd=0.512145±0.000007 (2SD,N=6)，147Sm/144Nd=0.0814±0.0008 (2SD,N=6)。采用80 μm的剥蚀直径对Sr-Nd同位素进行测定，获得87Sr/86Sr＝0.70867±0.00009 (2SD,N=42)，143Nd/144Nd＝0.512152±0.000025 (2SD,N=30)，147Sm/144Nd＝0.0820±0.0010 (2SD,N=30)，与TIMS方法获得的结果在误差范围内一致。同时84Sr/86Sr＝0.0561±0.0005 (2SD,N=42)，145Nd/144Nd＝0.348414±0.000025 (2SD,N=30)，与理论值在误差范围内一致。
4. 结语
利用LA-MC-ICPMS微区原位分析技术，对Sr-Nd同位素测定过程中仪器的质量歧视进行了校正，对Sr-Nd同位素测定过程中存在的同质异位素等干扰进行了精确扣除，建立了快速高精度的磷灰石Sr-Nd同位素原位分析方法。采用85Rb/87Rb=2.593这一天然比值对87Rb的干扰进行扣除，对独立无干扰的信号167Er+(83.5)、170Er+(85.5)、173Rb2+(86.5)进行测定，进而对干扰进行校正和扣除，对载气中的Kr干扰作为本底扣除的方法，可以准确测定磷灰石Sr同位素的组成，测定过程中Ca聚合物的干扰在测定时可以忽略；采用147Sm/149Sm=1.08680，进行Sm的质量分馏进行指数法则校正，利用144Sm/149Sm=0.22332来进行144Sm对144Nd的同质异位素干扰扣除可以准确测定磷灰石Nd同位素组成。该方法具有分析速度快、分析精度高和空间分辨率高的特点，利用建立的方法对一个磷灰石国际标准Durango和两个实验室标准Apatite 1及PE的Sr-Nd同位素组成进行了微区原位测定，所得结果与文献报道值或TIMS方法测量值在误差范围内一致，分析精度达到国际同类实验室水平。三个磷灰石标准的 Sr-Nd含量适中，组成比较均一，都是很好的Sr-Nd同位素分析参考标准。
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表 1 微波消解条件
Table 1 Microwave digestion conditions
程序 功率
(W)温度
(℃)压力
(bar)升温时间
(min)保持时间
(min)1 0 < 40 < 2 20 0 2 600 200 40 5 20 3 800 240 60 5 50 
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表 2 分析谱线、线性方程、相关系数及方法检出限
Table 2 Analytical spectral lines,linear equations,correlation coefficients and detection limits of the method
元素 分析谱线
(nm)线性范围
(%)线性方程 相关系数 检出限
(%)Si 251.611 1.00~6.00 y=7.89×105x+0.91×105 0.9999 0.0017 Mn 257.610 0.10~2.00 y=2.11×107x+1.59×105 0.9999 0.0025 P 213.618 0.02~0.10 y=2.03×105x+1.29×105 0.9991 0.0033
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表 3 方法精密度和准确度
Table 3 Precision and accuracy tests of the method
标准物质编号 元素 含量(%) RSD
(%)标准值 测定平均值 GSB03-1562-2003(高碳铬铁) Si 1.82 1.74 1.3 Mn 0.30 0.34 3.4 P 0.019 0.023 4.7 GSB03-1058-1999(高碳铬铁) Si 0.41 0.37 5.4 Mn 0.19 0.22 6.0 P 0.015 0.018 4.4 GSB03-1059-1999(高碳铬铁) Si 2.95 2.81 0.8 Mn 0.34 0.29 4.3 P 0.022 0.017 5.8
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表 4 不同方法结果对照
Table 4 Comparison of analytical results with different methods
样品编号 元素 测定值(%) 本法 碱熔ICP-AES XRF 1 Si 3.75 3.81 3.68 Mn 0.98 0.95 0.93 P 0.037 0.033 0.029 2 Si 2.99 3.03 2.94 Mn 1.24 1.29 1.22 P 0.028 0.024 0.023
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