Preparation and Certification of A Titanium Isotopic Standard Solution
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摘要: 钛同位素组成可用于地球化学和宇宙化学研究中，但目前国内外缺乏钛同位素标准物质。为了满足地质样品钛同位素分析的需要，本文研制了钛同位素标准溶液，报道了钛同位素标准溶液的研制过程和定值结果，包括标准溶液的选择、均匀性和稳定性检验、定值分析及测定数据的统计性检验等。通过初步测定，确定美国Alfa公司生产的Ti单元素溶液作为备选Ti同位素标准溶液。将备选标准溶液分装成150瓶，随机抽取15瓶进行均匀性检验，测试结果的F值均小于临界值，表明备选标准溶液的Ti同位素组成均匀。通过30个月的稳定性检验，标准溶液的特征量值变化在不确定度范围内。采用独家和多家实验室相结合的方法进行定值，标准溶液的特征量值及不确定度推荐为：δ50Ti=-2.23‰±0.14‰，δ49Ti=-1.67‰±0.09‰，δ48Ti=-1.13‰±0.06‰，δ47Ti=-0.57‰±0.05‰。研制的标准溶液可用于钛同位素分析时校正仪器和验证质谱分析过程，有利于不同实验室的测试数据之间的对比和应用。
Abstract: Titanium isotopic compositions have been used to elucidate geochemical and cosmochemical processes. Until now, no Ti isotopic reference material has been reported worldwide, which imposes restriction upon analytical method establishment and laboratory quality control. In this paper, a newly prepared Ti isotopic standard solution is introduced. Ti element standard solution offered by the Alfa Company from U.S.A. was chosen as the starting material, based on the comparison of Ti isotopic measurement results of 3 commercially available Ti element standard solutions. The preparation of the new standard solution was strictly followed using the stipulation on reference material of the metrological technical standard of state, including homogeneity and stability tests, and certification analyses. 150 bottles of the solution were prepared, among which 15 bottles were selected randomly for homogeneity test and no detectable heterogeneity was found by F test. The stability inspection through 30 months indicated no significant changes on δTi values. The certified values and uncertainty at the 95% confidence level were shown to be: δ50Ti=-2.23‰±0.14‰, δ49Ti=-1.67‰±0.09‰,δ48Ti=-1.13‰±0.06‰ andδ47Ti=-0.57‰±0.05‰. This newly certified standard solution can be used to calibrate instruments and verify analytical quality in Ti isotope measurements, and compare inter-laboratory data.-
Keywords:
- titanium isotopes /
- standard solution /
- certified value
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1. 祖母绿的基本结构特性
祖母绿，由Cr致色，属环状硅酸盐矿物，六方晶系，空间群D6h2-P6/mcc，[SiO4]、[BeO4]和[AlO6]以6︰3︰2的比例组成Be3A12[Si6O18]。结构中[SiO4]四面体以两个角顶联结在平面上，形成封闭的六方环，垂直c轴平行排列。上下两环错动25°，环之间由Al3+和Be2+连接，铝配位数为6，铍配位数为4。[AlO6]八面体和[BeO4]四面体以共棱的方式连结，分布在环的外侧[3-6]。环中心平行于c轴，为连通性较好的结构通道，可容纳Na+、K+、Cs+等大半径离子和水分子。由于环状结构的离子堆积程度较差，晶格中部分Al、Be可被Cr、Fe、Mg、Mn、Li等类质同象替代[1,3]。
2. 新疆祖母绿产地和主要特性
2.1 新疆祖母绿的产地
新疆祖母绿矿区位于西昆仑、喀喇昆仑、帕米尔构造单元的结合处。东北部属塔里木板块南缘活动带公格尔—喀拉塔什中间地块的西北段；西南部属华南板块羌塘微板块的一部分。
该区域祖母绿多产在碳酸盐岩脉中，碳酸盐岩脉主要以斜交脉、顺层脉产于片岩、片麻岩、炭质页岩中，以脉状、透镜状、雁行状为主，走向以北西向为主[7-9]。
2.2 新疆祖母绿的主要特性
新疆祖母绿晶体多呈绿色、翠绿色；半透明—透明；短柱状或长柱状，长1~8 cm，对径0.5~3 cm，玻璃光泽，摩氏硬度为7.5，密度2.70 g/cm3；多为非均质体，具一轴晶，有负光性；折射率1.574~1.576，双折射率0.005~0.009。
3. 新疆祖母绿测试分析
采用EPMA和XRD测试技术，对新疆祖母绿成分及结构的研究非常重要。为此，作者利用XRD对新疆祖母绿典型样品进行测试分析，从而获取一些初步研究结果，对进一步深入研究新疆祖母绿具有重要的矿物学研究意义。
3.1 电子探针分析
3.1.1 化学成分分析
本次EPMA测试分析样品，采用产于新疆的天然祖母绿典型样品，粗粒状，翠绿色。利用日本电子公司JXA-733探针-扫描电子显微镜，测定新疆天然祖母绿的化学成分，结果见表 1[9]。
表 1 新疆祖母绿电子探针显微成分分析Table 1. Analytical results of components in emeralds from Xinjiang by EPMA原编号 样品名称 wB/% SiO2 Al2O3 K2O FeO CaO MgO Cr2O3 TiO2 MnO Na2O 总计 08TY-1 祖母绿 66.21 16.39 0.03 1.13 0.13 1.33 0.32 0.01 0.00 1.02 86.57 08TY-2 祖母绿 67.66 15.04 0.02 0.86 0.06 1.57 0.21 0.03 0.04 0.71 86.20 08TY-3 祖母绿 65.78 16.28 0.09 1.50 0.12 1.61 0.54 0.03 0.03 0.88 86.86 由表 1可见，样品主要成分为：SiO2 (65.78 %~67.66%)、Al2O3 (15.04%~16.39%)、K2O (0.02%~0.09%)、FeO (0.86%~1.50%)、CaO (0.06%~0.13%)、MgO (1.33%~1.61%)、Cr2O3 (0.21%~0.54%)、TiO2 (0.01%~0.03%)、MnO (0.00%~0.04%)、Na2O (0.71%~1.02%) 等。
祖母绿晶体中Cr2O3含量一般为0.15%~0.20%，深绿色晶体可达0.50%~0.60%；绿柱石中SiO2含量为66.90%，Al2O3含量为19.0%[1,10]。
新疆祖母绿较之绿柱石，SiO2和Al2O3均有大量类质同像替代存在。较之祖母绿理论含量，新疆祖母绿中Cr2O3含量较高，所呈颜色多在翠绿至深绿之间。
3.1.2 环带成分差异
新疆祖母绿样品存在同心圆状颜色环带，环带间颜色有明显差异，特征如下 (见表 2)：①外环颜色显深绿色，内环颜色明显较浅。从成分上分析，祖母绿 (外环) Cr2O3含量明显高于祖母绿 (内环)[9]。②祖母绿 (外环) FeO含量明显高于祖母绿 (内环)。③外环K2O+Na2O总量明显低于内环；且碱 (Na2O+K2O) 含量有较宽的变化范围 (0.36%~1.17%)。
表 2 新疆祖母绿电子探针成分分析Table 2. Analytical results of components in emeralds from Xinjiang by EPMA样品名称 wB/% SiO2 Al2O3 K2O FeO CaO MgO Cr2O3 TiO2 MnO Na2O 总计 祖母绿 (内环) 65.30 16.36 0.15 1.26 0.18 1.72 0.43 0.02 0.02 0.95 86.39 祖母绿 (外环) 66.25 16.20 0.04 1.74 0.06 1.50 0.65 0.05 0.03 0.81 87.33 3.2 X射线衍射分析
选择具有典型代表性的新疆祖母绿 (绿柱石)，利用D/MAX-3A X射线衍射仪 (日本理学公司) 对粉末样品进行分析。所得祖母绿样品的晶胞参数为：a0＝0.9233 nm，c0=0.9206 nm，Z＝2，主要粉晶谱线为2.871 (100)、3.257 (100)、7.996 (100)，详见图 1和表 3。
表 3 新疆祖母绿X射线衍射数据Table 3. X-ray diffractometric data of emeralds from Xinjiang序号 d hkl 第一次 第二次 第三次 平均值 1 7.993 7.997 7.997 7.996 100 2 4.594 4.594 4.594 4.594 110，002 3 3.984 3.984 3.984 3.984 200，102 4 3.257 3.257 3.257 3.257 112 5 3.017 3.018 3.018 3.018 210，202 6 2.871 2.871 2.871 2.871 211 7 2.525 2.526 2.526 2.526 212 8 2.297 2.297 2.297 2.297 220，302 9 2.208 2.207 2.207 2.207 104 10 2.155 2.155 2.155 2.155 311 11 1.992 1.992 1.992 1.992 312，204 12 1.835 1.835 320，402 13 1.797 1.797 1.797 1.797 321，313 14 1.741 1.741 1.741 1.741 304 15 1.715 1.715 1.715 1.715 411 16 1.629 1.628 1.629 1.629 412，224 17 1.600 1.600 1.600 1.600 500，314 18 1.571 1.571 1.571 323 19 1.532 1.532 1.532 1.532 006 20 1.517 1.517 1.517 1.517 413 21 1.460 1.460 1.460 1.460 116 22 1.436 1.434 1.436 1.435 510，422 23 1.371 1.371 1.371 1.371 512 祖母绿晶体发生类质同象替代，会对祖母绿的晶胞参数产生影响。如Me类质同象代替Al，导致Me—O键长变长，八面体体积增大，由此挤压c轴方向致使八面体发生形变。a轴方向键长变长也会影响晶胞参数a的值。四面体配位中Li+代替Be2+，使Me—O键长增加，伴随着c值的增加。绿柱石理论晶胞参数为a=0.9188 nm，c=0.9189 nm，c/a为0.997~0.998，据c/a比值可将绿柱石分为以下两种类型[11-13]。
(1) 以Al3+的八面体类质同象替代为主的绿柱石。c/a为0.991~0.998，随替代量增加，其a值增加，c值保持稳定。
(2) 以Li+→Be2+的四面体替代为主的绿柱石。c/a为0.999~1.003，随替代量增加，a值保持稳定，c值增加。
由图 1和表 2可见，新疆祖母绿样品的X射线衍射线的主要峰位置与强度几乎吻合，a0＝0.9233 nm，c0=0.9206 nm，Z＝2。样品晶胞参数a、c值 (c/a=0.997) 与标准绿柱石相比，表明新疆祖母绿晶体晶格中存在大量Al的类质同相替代，这与本文化学成分分析结果一致。测定的c/a值表明新疆祖母绿以[A1O6]八面体类质同象替代为主。
4. 结语
(1) 新疆祖母绿化学成分中Cr2O3含量较高，一般为0.21%~0.54%。测得样品晶胞参数为：a0=0.9233 nm，c0=0.9206 nm，Z=2，主要粉晶谱线为2.871 (100)、3.257 (100)、7.996 (100)。
(2) 新疆祖母绿较之标准绿柱石，其SiO2和Al2O3均有大量类质同像替代存在。
(3) 测定的c/a值表明，新疆祖母绿属于以[A1O6]八面体类质同象替代为主的绿柱石。
新疆祖母绿是我国的又一种高档宝石，在一定程度上填补了我国优质祖母绿宝石的空白。多项测试数据表明，新疆祖母绿具有高品质祖母绿宝石的特征，对其研究工作需要多角度、全方面深入。本文仅从电子探针显微分析 (EPMA) 和X射线衍射 (XRD) 测试结果与晶体结构的角度进行了分析，对新疆祖母绿晶体化学特征进行了初探，以供进一步工作参考。
致谢: 向参加定值的厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室王德利研究员和张凡工程师、国家海洋局第一海洋研究所海洋环境测试中心刘季花研究员和张俊工程师表示衷心感谢。真诚感谢中国地质科学院地质研究所朱祥坤研究员和金彪工程师提供的支持和帮助。 -
表 1 三种溶液钛同位素组成初步测定结果
Table 1 Preliminary results of Ti isotope composition for three different solutions
Ti单元素溶液 δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti Ti-1
(北京有色金属研究总院)-2.11 -1.59 -1.06 -0.54 Ti-2
(美国Alfa公司)-2.24 -1.69 -1.13 -0.55 Ti-3
(美国High-Purity Standards公司)-1.44 -1.10 -0.74 -0.37 
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表 2 均匀性检验方差分析结果
Table 2 Variance analysis for homogeneity inspection of reference sample
δ Q2 ν2 s22 Q1 ν1 s12 F Fα(ν1,ν2) δ50Ti 0.118 30 0.00392 0.069 14 0.00496 1.26 2.02 δ49Ti 0.070 0.00234 0.035 0.00253 1.08 δ48Ti 0.044 0.00145 0.018 0.00130 0.89 δ47Ti 0.041 0.00135 0.012 0.00082 0.61
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表 3 标准溶液在30个月内特性量值的测定数据
Table 3 Measurement data of δTi in 30 months
时长/月 δ50Ti/‰ δ49Ti/‰ δ48Ti/‰ δ47Ti/‰ 4 -2.20 -1.67 -1.11 -0.54 8 -2.24 -1.69 -1.13 -0.57 12 -2.18 -1.65 -1.11 -0.56 20 -2.19 -1.66 -1.11 -0.56 22 -2.21 -1.67 -1.12 -0.56 30 -2.19 -1.65 -1.11 -0.56
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表 4 标准溶液稳定性检验结果
Table 4 The stability test of reference sample
特征量值 b1 b0 s s(b1) t0.95,4×s(b1) st δ50Ti 0.000949 -2.22 0.02293 0.001056 0.00293 0.032 δ49Ti 0.000777 -1.68 0.01297 0.000597 0.00166 0.018 δ48Ti 0.000299 -1.12 0.00946 0.000436 0.00121 0.013 δ47Ti 0.000307 -0.56 0.01424 0.000655 0.00182 0.020
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表 5 钛同位素标准溶液的多次测量数据(单一实验室)
Table 5 Multiple measurement data of Ti isotope composition for reference samples (unique laboratory)
序号 编号 第1次测定 第2次测定 第3次测定 平均值 δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti 1 2 -2.14 -1.66 -1.11 -0.59 -2.15 -1.62 -1.12 -0.62 -2.12 -1.62 -1.05 -0.50 -2.14 -1.63 -1.09 -0.57 2 9 -2.27 -1.71 -1.18 -0.60 -2.32 -1.73 -1.10 -0.53 -2.12 -1.62 -1.05 -0.54 -2.24 -1.69 -1.11 -0.56 3 13 -2.27 -1.70 -1.16 -0.60 -2.18 -1.65 -1.11 -0.58 -2.20 -1.72 -1.09 -0.51 -2.22 -1.69 -1.12 -0.56 4 15 -2.25 -1.69 -1.12 -0.54 -2.19 -1.68 -1.13 -0.60 -2.24 -1.68 -1.14 -0.57 -2.23 -1.68 -1.13 -0.57 5 32 -2.25 -1.68 -1.12 -0.58 -2.16 -1.61 -1.11 -0.60 -2.30 -1.70 -1.15 -0.63 -2.24 -1.66 -1.13 -0.60 6 42 -2.29 -1.76 -1.18 -0.60 -2.26 -1.72 -1.16 -0.62 -2.28 -1.77 -1.16 -0.62 -2.28 -1.75 -1.17 -0.61 7 44 -2.20 -1.66 -1.11 -0.56 -2.26 -1.67 -1.15 -0.57 -2.29 -1.75 -1.16 -0.63 -2.25 -1.69 -1.14 -0.59 8 51 -2.25 -1.70 -1.16 -0.56 -2.27 -1.70 -1.17 -0.62 -2.22 -1.70 -1.13 -0.58 -2.25 -1.70 -1.15 -0.59 9 54 -2.31 -1.77 -1.18 -0.58 -2.19 -1.61 -1.10 -0.58 -2.27 -1.66 -1.15 -0.54 -2.26 -1.68 -1.14 -0.57 10 57 -2.24 -1.66 -1.12 -0.56 -2.20 -1.68 -1.11 -0.55 -2.34 -1.70 -1.19 -0.63 -2.26 -1.68 -1.14 -0.58 11 60 -2.29 -1.74 -1.18 -0.61 -2.16 -1.63 -1.10 -0.54 -2.32 -1.78 -1.20 -0.62 -2.26 -1.72 -1.16 -0.59 12 66 -2.29 -1.76 -1.18 -0.58 -2.23 -1.66 -1.10 -0.52 -2.36 -1.71 -1.14 -0.57 -2.29 -1.71 -1.14 -0.56 13 79 -2.35 -1.76 -1.19 -0.64 -2.21 -1.70 -1.11 -0.54 -2.37 -1.75 -1.17 -0.59 -2.31 -1.74 -1.16 -0.59 14 86 -2.30 -1.74 -1.18 -0.58 -2.25 -1.71 -1.16 -0.58 -2.19 -1.65 -1.09 -0.60 -2.25 -1.70 -1.14 -0.59 15 96 -2.32 -1.71 -1.18 -0.61 -2.35 -1.80 -1.19 -0.60 -2.21 -1.65 -1.13 -0.56 -2.29 -1.72 -1.17 -0.59
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表 6 钛同位素标准溶液的定值分析数据
Table 6 The analytical data of Ti isotope composition for reference samples
实验室
编号编号 第1次测定 第2次测定 第3次测定 平均值 δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti δ50Ti δ49Ti δ48Ti δ47Ti ① 2 -2.25 -1.68 -1.12 -0.58 -2.16 -1.61 -1.11 -0.60 -2.30 -1.70 -1.15 -0.63 -2.24 -1.66 -1.13 -0.60 42 -2.29 -1.76 -1.18 -0.6 -2.26 -1.72 -1.16 -0.62 -2.28 -1.77 -1.16 -0.62 -2.28 -1.75 -1.17 -0.61 66 -2.20 -1.68 -1.11 -0.56 -2.26 -1.67 -1.15 -0.57 -2.29 -1.75 -1.16 -0.61 -2.25 -1.70 -1.14 -0.58 ② 15 -2.23 -1.64 -1.15 -0.53 -1.97 -1.51 -1.07 -0.52 -2.29 -1.71 -1.17 -0.56 -2.16 -1.62 -1.13 -0.53 54 -2.05 -1.61 -1.09 -0.51 -2.07 -1.57 -1.11 -0.53 -2.24 -1.63 -1.16 -0.58 -2.12 -1.60 -1.12 -0.54 86 -2.24 -1.70 -1.13 -0.58 -2.08 -1.63 -1.08 -0.55 -2.35 -1.75 -1.21 -0.61 -2.22 -1.70 -1.14 -0.58 ③-1 32 -2.32 -1.75 -1.15 -0.58 -2.44 -1.80 -1.20 -0.63 -2.25 -1.65 -1.14 -0.55 -2.33 -1.73 -1.17 -0.59 44 -2.44 -1.81 -1.22 -0.61 -2.32 -1.71 -1.15 -0.57 -2.41 -1.75 -1.20 -0.61 -2.39 -1.76 -1.19 -0.59 79 -2.47 -1.84 -1.23 -0.64 -2.27 -1.62 -1.10 -0.55 -2.46 -1.81 -1.22 -0.61 -2.40 -1.76 -1.18 -0.60 ③-2 9 -2.13 -1.6 -1.06 -0.54 -1.99 -1.52 -0.99 -0.49 -2.32 -1.76 -1.18 -0.61 -2.15 -1.63 -1.08 -0.55 57 -2.20 -1.63 -1.11 -0.63 -1.94 -1.44 -0.98 -0.52 -2.22 -1.64 -1.09 -0.56 -2.12 -1.57 -1.06 -0.57 96 -2.07 -1.56 -1.05 -0.53 -2.10 -1.56 -1.05 -0.54 -2.26 -1.65 -1.09 -0.53 -2.14 -1.59 -1.06 -0.53
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表 7 标准物质定值数据的不确定度
Table 7 Certified values and uncertainty from certified values for reference samples
定值实验室 项目 δ50Ti/‰ δ49Ti/‰ δ48Ti/‰ δ47Ti/‰ 单一实验室 标准值( 
-2.26 -1.70 -1.14 -0.58 标准偏差(s) 0.027 0.024 0.017 0.017 不确定度(Uchar) 0.03 0.02 0.024 0.014 测量组数(N) 14 14 14 14 多家实验室 标准值( -2.23 -1.67 -1.13 -0.57 标准偏差(s) 0.101 0.069 0.045 0.029 不确定度(Uchar) 0.053 0.034 0.02 0.02 测量组数(N) 12 12 12 12
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表 8 标准溶液的不确定度
Table 8 The uncertainty of reference samples
不确定度 δ50Ti/‰ δ49Ti/‰ δ48Ti/‰ δ47Ti/‰ Ubb 0.032 0.014 0.011 0.0084 Ults 0.032 0.018 0.013 0.020 Uchar 0.0534 0.0340 0.0239 0.0137 UCRM 0.070 0.041 0.029 0.026 UC 0.140 0.082 0.058 0.051
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