Determination of Rare Earth Elements in Fluorite Samples by Open Boric Acid Dissolution and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry
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摘要: 萤石中稀土元素的研究对揭示成矿物质来源、成矿流体的性质和矿床成因均具有十分重要的意义。传统的过氧化钠碱熔-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析方法可以解决萤石中稀土元素的测定问题，但过氧化钠提纯难度高，过程繁杂，不宜大量样品的处理，且待测溶液总盐度大易产生基体干扰等；常规的酸溶法因使用的试剂一般为硝酸和氢氟酸，这些酸均不与萤石的主要成分氟化钙发生反应而很少应用。本文基于氟化钙能溶于硫酸和硼酸，采用硼酸溶液(10%硫酸和25%盐酸介质)和氢氟酸处理样品，硝酸提取，引入103Rh和185Re双内标，建立了硼酸溶液敞口酸溶ICP-MS测定萤石中稀土元素的分析方法。相比于传统的过氧化钠碱熔方法，本方法采用的试剂纯度高，可以有效地降低空白，方法检出限为0.002~0.016 μg/g，低于过氧化钠碱熔方法的检出限(0.006~0.058 μg/g)，回收率在94.0%~107.6%之间，方法精密度(RSD)为0.7%~2.7%。本方法配制的硼酸溶液能够有效地与萤石反应，可充分分解萤石样品，简化了样品处理流程，有效地控制了稀土元素的损失，数据可靠性高，适用于大量萤石样品的稀土元素分析。
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关键词:
- 萤石 /
- 稀土元素 /
- 硼酸溶液 /
- 敞口酸溶 /
- 电感耦合等离子体质谱法
Abstract: The research of rare earth elements (REEs) in fluorite has very important significance for determining the source of ore-forming materials, the nature of ore-forming fluid and genesis. The determination of REEs in fluorite can be solved by Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS) with sodium peroxide fusion, but the sample handling process is complex; sodium peroxide is difficult to purify and matrix interferences derive from high salinity solution, making it unsuitable for processing large numbers of samples. Nitric acid and hydrofluoric acid, which are used for the conventional method, do not react with calcium fluoride, which can be dissolved in sulfuric acid and boric acid. To this end, a method for the determination of 15 rare earth elements in fluorite by ICP-MS has been developed. The fluorite samples were decomposed with boric acid solution (media with 10% H2SO4 and 25% HCl) and hydrofluoric acid in PTFE beakers, and then dissolved with nitric acid. Two internal standards of 103Rh and 185Re were selected to compensate the drift of analytical signals and correct matrix effects by ICP-MS. Compared with the traditional sodium peroxide alkali fusion method, this method adopted the reagents of high purity which can reduce the background effectively. The detection limits were 0.002-0.016 μg/g, which is lower than that by sodium peroxide fusion (0.006-0.058 μg/g), and the precisions were 0.7%-2.7%. The results of this method were consistent with the results by sodium peroxide fusion. The new established method was is simple and had has a low detection limit for processing large numbers of fluorite samples. -
常规硅酸盐样品主量元素全分析一般包括NaO2、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、TFe2O3等主要组分的成分测试，百分总量采用X射线荧光光谱法(XRF)测定的主量元素含量和重量法测定的LOI(烧失量)进行加和。DZ/T 0130—2006《地质矿产实验室测试质量管理规范》规定:岩石、矿石、矿物全分析各组分除按重复分析相对偏差允许限检查外,其主量元素各项结果的百分总和可分两级检查：第一级为99.3%~100.7%；第二级为99.0%~101.0%。这种用百分总和检查硅酸盐岩石全分析数据的质量是分析工作者的传统步骤，并被地学研究人员所接受。但在硅酸盐分析中，有些分析人员为能使百分总和“合格” ，对数据进行取舍，其做法提供了错误的信息，而且造成了人力、物力的浪费[1]。
国内的岩矿分析实验室自20世纪80年代至今，熔融制片XRF法测定硅酸盐主量元素已延用了近30年，成为了经典的主量元素分析方法[2-5]。随着地学研究的不断深入，送检样品日趋复杂，实验室检测中通常遇到矿化元素较高的样品，在XRF分析工作中，这些通常概念上的微量元素，含量稍高就会对主元素的测定结果带来很大影响。以矿化元素Sr、Ba较高的样品为例，仅从主量元素含量上看，它们和普通的硅酸盐样品组成相似，如果在XRF法测定主量元素方法中没有加入Sr、Ba的定量，对于Sr、Ba达到百分含量的样品，总量加和的结果就很难达到规范要求，而且存在报出错误数据的危险，即使采用其他方法准确定量Sr、Ba的含量，主量元素定量方法中没有Sr、Ba的校准，由于基体效应的影响，主量元素的测定结果也是不可靠的[6-9]。对于这些矿化程度较高的样品，可有针对性地改善分析方法，扩大分析方法的适用范围，保证数据的准确性和可靠性。
本文通过现有的国家标准物质和人工配制标准样品，扩大了Sr、Ba的线性范围，采用熔融制样XRF法测定硅酸盐样品，主量元素采用理论α系数校准方法校正。通过未知样品的测定，证明所建立的校准方法能够满足高含量Sr、Ba硅酸盐样品的定量分析要求，有效地避免了由于制样过程的误操作和分析人员刻意追求加和合格而报出错误数据的可能。
1. 实验部分
1.1 仪器和测量条件
荷兰PANalytical AXIOS型X射线荧光光谱仪(端窗铑靶X射线管，SuperQ软件)，4.0 kW满功率，X光管最大电压66 kV，最大电流125 mA。XRF仪器测量条件见表 1。
表 1 XRF仪器分析条件Table 1. Working conditions of the elements by XRF元素及谱线 分析晶体 准直器/μm 探测器 电压
U/kV电流
i/mA2θ/(°) PHD范围 峰值 背景1 背景2 Na Kα PX1 550 Flow 32 100 27.8950 -1.8918 2.1214 22~82 Mg Kα PX1 550 Flow 32 100 23.0778 -1.8768 2.1788 20~78 Al Kα PE 002 550 Flow 32 100 144.9836 2.9372 -1.2496 21~76 Si Kα PE 002 550 Flow 32 100 109.1424 -2.3160 1.7938 26~76 P Kα Ge 111 550 Flow 32 100 141.0290 -1.3964 2.8040 23~78 S Kα Ge 111 550 Flow 32 100 110.7464 -1.5162 1.4708 16~74 K Kα LiF 200 150 Flow 32 100 136.7348 -1.1732 2.2190 26~74 Ca Kα LiF 200 150 Flow 32 100 113.1632 -0.8730 1.6258 28~70 Ti Kα LiF 200 150 Flow 40 90 86.2152 -0.6326 0.8640 26~75 Mn Kα LiF 200 150 Duplex 55 66 62.9988 -0.7194 0.7868 13~72 Fe Kα LiF 200 150 Duplex 55 66 57.5302 -0.7132 0.8854 16~69 Cr Kα LiF 200 150 Duplex 55 66 69.3652 -0.6454 0.7386 12~73 Ni Kα LiF 200 150 Duplex 55 66 48.6588 -0.5898 0.8294 18~70 Sr Kα LiF 200 150 Scint 55 66 25.1218 -0.5610 0.7542 22~78 Ba Lα LiF 200 150 Flow 40 90 87.2046 0.6376 - 33~71 Rh KαC LiF 200 150 Scint 55 66 18.4474 - - 26~78 Front-1型电热式熔样机(国家地质实验测试中心研制)[10]。
1.2 试剂及器具
偏硼酸锂-四硼酸锂混合熔剂(质量比22∶12，家港火炬分析仪器厂产品)。
硝酸铵：分析纯，在105℃烘2～4 h；碘化锂：优级纯，打开试剂瓶后，立即称取配制成40 mg/mL溶液并在棕色试剂瓶中保存。
石英表面皿：直径20 cm。
1.3 样片的制备
熔剂的制备：称取500 g偏硼酸锂-四硼酸锂混合试剂(质量比22∶12)于石英表面皿中，置于马弗炉中650℃灼烧2 h，温度降至接近室温时，转入试剂瓶，并放于干燥器内保存。
脱模剂的制备：配制40 mg/mL的碘化锂溶液，在棕色滴瓶中保存。
样品及熔剂的称量：精确称量5.8500 g混合熔剂于25 mL瓷坩锅中，精确称量0.6500 g样品置于瓷坩埚中，粗略称取0.100 g的硝酸铵试剂于瓷坩锅中，用玻璃棒充分搅匀。
样品的要求：样品颗粒粒径需小于0.074 mm(200目)，在样品称量前，应取少量样品于纸质样品袋中(取样量一般控制在2～5 g)，放于烘箱，于105℃温度下烘样2 h。放于干燥器内保存。
熔样机条件设定：熔样温度1150℃，预熔2 min，上举1.5 min，摆平0.5 min，往复 4次；当熔样机温度到达1150℃后，将称量好的试剂及样品倒入铂金坩埚中，用胶头滴管滴两滴40 g/L的碘化锂溶液于装有试样的铂金坩锅中，用坩锅钳将装有试样的铂金坩锅放入熔样机，按熔样机启动按钮，开始熔样。10 min后熔样机提示熔样完成，用坩锅钳将铂金坩锅取出，此时样品在坩锅中为熔融状态。观察试样底部是否有气泡，如有气泡可手动将气泡摇出，然后将坩埚水平放于冷却台面，冷却大约5 min即可在样片上贴上样品编号标签，倒出样片并放于样品袋中，置于干燥器中保存待测。
1.3 校准样品的配制及校准曲线的线性范围
XRF法测定主量元素，采用理论α系数校准方法校正，要求建立标准曲线所用的标准样品应与被测样品基体接近。为了满足各种类型硅酸盐样品的测试要求，本研究采用岩石、土壤、沉积物等国家标准物质(岩石：GBW 07101~GBW 07114、GBW 07120~GBW 07125、GBW 07131~GBW 07133、GBW 07135；土壤：GBW 07401~ GBW 07408；沉积物：GBW 07301~GBW 07312、GBW 07307a、GBW 07364~ GBW 07366)，同时为了扩大方法的适用范围，解决高Sr高Ba样品的测定问题，加入配制的5个混合标准样品进行测定。混合标准样品配制方法如下。
(1)常用的国家标准物质中BaO的含量最高是GBW 07132，含量达到1.49%，其次是GBW 07111，含量为0.21%，含量变化范围较大，故本研究采用国家标准物质GBW 07106和GBW 07132按质量比1∶1混合，配制混合标准样品HC-Ba1(BaO的含量为0.75%)。
(2)常用的国家标准物质中SrO的含量最高是GBW 07111，含量达到0.14%，故本研究采用在不同国家标准物质中加入SrCO3纯试剂方法扩大SrO含量范围，编号为HC-Sr1、HC-Sr2、HC-Sr3、HC-Sr4(SrO含量分别为2.17%、1.63%、1.22%、0.68%)。
各元素的校准曲线范围见表 2。
表 2 各元素校准曲线范围Table 2. Concentration range of elements in the calibration curve元素 wB/% Na2O 0.01~7.16 MgO 0.008~41.03 Al2O3 0.10~29.26 SiO2 0.62~90.36 P2O5 0.003~0.946 K2O 0.01~7.48 CaO 0.10~53.83 TiO2 0.004~7.69 MnO 0.0039~0.322 Fe2O3 0.155~24.75 SrO 0.0029~2.17 BaO 0.0010~1.49 2. 结果与讨论
2.1 校准与校正方法
背景扣除、校准、基体效应校正和谱线重叠干扰校正采用仪器分析软件进行计算，帕纳科公司SuperQ软件所用的综合数学校正公式为：
式中:Ci为校准样品中分析元素i的含量；Di为元素i的校准曲线的截距；Lim为干扰元素m对分析元素i的谱线重叠干扰校正系数；Zim为干扰元素m的含量或计数率；Ei为分析元素i校准曲线的斜率；Ri为分析元素i的计数率；Zj、Zk为共存元素的含量;N为共存元素的数目；α、β、δ、γ为基体效应的校正因子；i为分析元素；m干扰元素；j和k为共存元素。
Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3采用理论α系数校准方法校正。
Cr2O3、NiO、SrO、BaO采用Rh Kα线康普顿散射强度作内标或经验系数进行校正。
对有谱线重叠干扰的元素，进行谱线重叠干扰校正。
2.2 方法检出限
根据分析元素的测量时间，按下列公式计算各元素的检出限(LOD)，计算结果见表 3。
式中，m为单位含量的计数率；Ib为背景计数率；t为峰值及背景的总测量时间。
表 3 方法检出限Table 3. Detection limit of elements元素 检出限/(μg·g-1) Na2O 59.22 MgO 38.77 Al2O3 12.88 SiO2 91.36 P2O5 13.13 K2O 24.29 CaO 22.34 TiO2 28.26 MnO 8.52 Fe2O3 6.05 SrO 2.13 BaO 37.18 2.3 方法精密度
按照上述样品处理办法，采用国家标准物质各平行制备10样片进行测定，得到本方法的精密度，结果见表 4。从表 4看出，GBW 07111各主量元素的相对标准偏差(RSD)均小于2%，BaO的相对标准偏差最大，但含量较低。GBW 07131只有TiO2和SrO的相对标准偏差大于2%，但TiO2和SrO的含量只有0.047%和0.055%，可以看出主量元素和SrO、BaO的精密度可以满足全分析加和要求。
表 4 方法精密度Table 4. Precision tests of the method元素 GBW 07111(n=10) GBW 07131(n=10) wB/% RSD/% wB/% RSD/% Na2O 4.08 0.40 < 0.1 - MgO 2.79 0.31 1.42 0.41 Al2O3 16.79 0.41 1.13 1.02 SiO2 59.83 0.43 6.30 0.51 P2O5 0.34 0.52 0.12 0.90 K2O 3.52 0.27 0.41 0.47 CaO 4.71 0.19 47.37 0.29 TiO2 0.75 0.32 0.047 5.82 MnO 0.095 0.71 0.091 1.04 Fe2O3 6.08 0.21 0.74 0.54 SrO 0.14 0.80 0.055 2.34 BaO 0.21 1.58 1.46 0.43 2.4 方法准确度
利用本文方法，测定不参加回归的标准物质GBW 07111和配制的人工标准样品HC-Ba1、HC-Sr2、HC- Sr3中主量元素的含量，表 5的结果表明测量值与标准值(或参考值)基本一致，可以满足主量全分析定量要求。
本文对国家地质实验测试中心2011年完成73个批次3092个样品进行统计，发现有14个批次中174个样品SrO、BaO总和大于0.3%，这些样品如不考虑SrO、BaO的含量，无疑在加和时会给分析人员带来麻烦，方法中加入SrO、BaO的校准曲线可以有效地提高数据的准确度，满足全分析加和要求。
表 6为实际生产样品检测结果。从表 6可以看出，4个样品从主量元素上看与常规硅酸盐样品很相似，但如果不考虑微量元素SrO、BaO的含量，这4个样品主量元素加和含量不能达到99.3%～100.7%范围，方法中不加入Sr、Ba的校正，由于其基体效应的影响，其他主量元素结果也会偏低，即使有Sr、Ba准确的定量结果，也不能满足总量加和的要求。对其他主量元素采用理论α系数，校准时加入Sr、Ba的校正系数后，可以使主量元素的定量更加准确。
3. 结语
在日常的生产样品主量元素全分析检测中存在大量的Sr、Ba含量较高的硅酸盐样品，无疑在主量元素加和时不能满足要求，而且往往会报出错误的结果。本文通过大量的高Sr、Ba样品测试，在主量元素全分析方法中进行基体效应校正时，加入Sr、Ba校正系数，可有效地保证数据的可靠性，满足硅酸盐样品全分析的总量加和要求。当然，在日常检测样品还可能遇到其他元素含量高的样品，由于现有标准物质的限制，对于其他矿化元素含量较高的样品，还需要大量的工作进行探讨研究。
表 5 分析结果与参考值比对Table 5. Comparison of analytical results and proposed values in sampleswB/% 元素 GBW 07111 HC-Ba1 HC-Sr2 HC-Sr3 测量值 标准值 测量值 标准值 测量值 标准值 测量值 标准值 Na2O 4.07 4.05 0.027 0.056 0.058 0.060 4.02 3.99 MgO 2.80 2.81 0.74 0.77 0.079 0.080 2.77 2.77 Al2O3 16.69 16.56 2.32 2.33 3.45 3.44 16.37 16.31 SiO2 59.79 59.68 48.46 48.32 88.52 88.27 58.77 58.76 P2O5 0.34 0.34 0.17 0.17 0.22 0.21 0.34 0.33 SO3 0.03 0.03 0.59 0.60 0.21 0.21 0.03 0.03 K2O 3.49 3.50 0.53 0.53 0.64 0.64 3.46 3.45 CaO 4.68 4.72 23.99 24.23 0.28 0.29 4.63 4.65 TiO2 0.74 0.77 0.16 0.15 0.26 0.25 0.74 0.76 MnO 0.094 0.094 0.055 0.055 0.020 0.020 0.094 0.093 Fe2O3 6.09 6.07 1.98 1.98 3.15 3.15 6.00 5.98 SrO 0.15 0.14 0.03 0.03 1.62 1.63 1.18 1.22 BaO 0.22 0.21 0.74 0.75 0.022 0.016 0.21 0.21 表 6 高含量的微量元素Sr、Ba对主量元素结果的影响Table 6. Effect of Sr and Ba on major elements determinationwB/% 元素 样品1 样品2 样品3 样品4 加入Sr、
Ba校正不加入Sr、
Ba校正加入Sr、
Ba校正不加入Sr、
Ba校正加入Sr、
Ba校正不加入Sr、
Ba校正加入Sr、
Ba校正不加入Sr、
Ba校正Na2O 3.62 3.58 3.65 3.61 4.16 4.12 3.99 3.95 MgO 4.21 4.16 3.42 3.37 3.89 3.84 3.39 3.35 Al2O3 15.45 15.25 14.80 14.6 15.14 14.95 14.97 14.8 SiO2 48.70 48.05 48.35 47.64 49.55 48.88 49.14 48.53 P2O5 1.22 1.20 1.17 1.15 1.21 1.19 1.19 1.18 K2O 3.46 3.40 3.58 3.5 3.00 2.93 3.24 3.18 CaO 4.70 4.61 5.96 5.83 4.58 4.48 5.74 5.64 TiO2 2.80 2.72 2.70 2.62 2.72 2.63 2.70 2.62 MnO 0.17 0.16 0.17 0.16 0.17 0.16 0.16 0.15 Fe2O3 9.88 9.24 9.17 8.51 9.58 8.98 9.13 8.57 SrO 0.21 0.21 0.28 0.28 0.77 0.77 0.22 0.22 BaO 2.22 2.19 2.47 2.44 1.99 1.96 2.09 2.06 LOI 3.28 3.28 3.97 3.97 3.27 3.27 3.82 3.82 总和 99.92 98.05 99.69 97.68 100.03 98.16 99.78 98.07 -
表 1 仪器工作参数
Table 1 Operating parameters of the ICP-MS instrument
工作参数 设定条件 工作参数 设定条件 功率 1400 W 截取锥(镍锥)孔径 0.8 mm 冷却气(Ar)流量 15.4 L/min 测量方式 跳峰 辅助气(Ar)流量 0.80 L/min 进样泵速 30 r/min 雾化气(Ar)流量 0.86 L/min 测量模式 标准 采样锥(镍锥)孔径 1.0 mm 总采集时间 36 s 
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表 2 方法检出限
Table 2 Detection limits of the method
元素 内标 检出限/(μg·g-1) 元素 内标 检出限/(μg·g-1) 碱熔 酸溶 碱熔 酸溶 89Y 103Rh 0.014 0.011 159Tb 185Re 0.023 0.003 139La 103Rh 0.031 0.012 163Dy 185Re 0.008 0.005 140Ce 103Rh 0.058 0.016 165Ho 185Re 0.019 0.003 141Pr 103Rh 0.007 0.005 166Er 185Re 0.006 0.004 146Nd 103Rh 0.040 0.010 169Tm 185Re 0.016 0.002 147Sm 103Rh 0.009 0.007 172Yb 185Re 0.007 0.003 151Eu 103Rh 0.007 0.006 175Lu 185Re 0.011 0.003 157Gd 185Re 0.015 0.009
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表 3 方法精密度
Table 3 Precision tests of the method
元素 测定平均值
w/(μg·g-1)RSD/% 元素 测定平均值
w/(μg·g-1)RSD/% 89Y 30.2 0.7 159Tb 0.30 1.6 139La 6.18 1.0 163Dy 2.36 1.9 140Ce 11.0 1.2 165Ho 0.68 1.6 141Pr 1.15 2.0 166Er 2.71 2.2 146Nd 4.23 0.9 168Tm 0.60 2.7 147Sm 1.12 1.2 172Yb 5.22 2.0 151Eu 0.55 2.1 175Lu 1.03 2.1 157Gd 1.55 1.3
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表 4 方法准确度
Table 4 Accuracy tests of the method
元素 ρ/(ng·mL-1) 回收率/% 样品含量 加标量 样品加标后
测量结果89Y 30.5 50.0 81.22 101.4 139La 6.18 5.0 11.08 98.0 140Ce 11.0 10.0 20.65 96.5 141Pr 1.21 2.0 3.33 106.0 146Nd 4.22 5.0 9.38 103.2 147Sm 1.09 1.0 2.13 104.0 151Eu 0.55 0.5 1.04 98.0 157Gd 1.58 2.0 3.49 95.5 159Tb 0.28 0.5 0.76 96.0 163Dy 2.29 2.0 4.38 104.5 165Ho 0.72 1.0 1.66 94.0 166Er 2.73 5.0 7.88 103.0 169Tm 0.56 0.5 1.11 104.0 172Yb 5.18 5.0 10.56 107.6 175Lu 1.09 1.0 2.12 103.0
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表 5 过氧化钠碱熔和硼酸敞口酸溶处理样品的分析结果对比
Table 5 Analytical results of REEs with sodium peroxide fusion and boric acid dissolution
元素 过氧化钠碱熔 w/(μg·g-1) 硼酸溶液敞口酸溶 w/(μg·g-1) 样品1 样品2 样品3 样品4 样品1 样品2 样品3 样品4 89Y 30.1 183.0 172.0 115.0 29.6 185.0 171.0 113.0 139La 6.44 16.17 14.63 9.28 6.12 16.30 16.30 9.60 140Ce 12.00 29.64 30.55 16.12 10.7 27.40 29.60 15.60 141Pr 1.21 2.94 3.52 1.65 1.91 3.07 3.46 1.77 146Nd 4.35 11.33 11.44 6.17 4.26 11.90 13.30 6.64 147Sm 1.18 4.08 3.93 1.83 1.11 4.02 4.35 1.92 151Eu 0.56 2.18 2.22 0.90 0.57 2.19 2.49 0.96 157Gd 1.69 7.49 6.95 3.49 1.56 7.56 7.67 3.55 159Tb 0.32 1.59 1.50 0.84 0.31 1.55 1.63 0.85 163Dy 2.46 11.58 11.04 7.20 2.38 11.80 12.70 7.81 165Ho 0.68 2.83 2.78 2.20 0.68 2.92 3.22 2.42 166Er 2.81 9.98 10.14 9.30 2.69 10.0 11.30 9.84 169Tm 0.60 1.76 1.82 1.80 0.59 1.77 2.07 1.95 172Yb 5.47 14.16 14.76 14.76 5.21 14.1 16.50 15.90 175Lu 1.08 2.59 2.68 2.71 1.05 2.61 3.08 2.93
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表 6 GBW 07108的准确度
Table 6 Accuracy tests of GBW 07108
元素 w/(μg·g-1) 元素 w/(μg·g-1) 标准值 测定值 标准值 测定值 89Y 9.10 9.06 159Tb 0.35 0.34 139La 15.0 15.03 163Dy 1.60 1.58 140Ce 25.0 24.98 165Ho 0.33 0.32 141Pr 3.40 3.42 166Er 1.10 1.13 146Nd 12.0 11.97 168Tm 0.17 0.18 147Sm 2.40 2.45 172Yb 0.90 0.92 151Eu 0.51 0.53 175Lu 0.14 0.15 157Gd 1.90 1.92
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