【doc】样品量的大小对铜锌同位素测定值的影响
样品量的大小对铜锌同位素测定值的影响 2011年8门
August201l
岩矿测试
R0CKANDMINERALANALYSIS
V【)1.30.No.4
400,405
文章编号:0254—5357(2011)04—0400—06
样品量的人小对铜锌同位素测定值的影响
闫斌,朱祥坤,陈岳龙.
(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京100083; 2.巾国地质科学院地质研究所国土资源部同位素重点实验室,北京100037) 摘要:利用多接收电感耦合等离子体质谱法测定铜,锌同位素比值时,样品量的大小对其同位素测定值存在一定
的影响.本研究中使用不同量的实验室
溶液(CAGS—Cu,CAGS—Zn)过柱,并以该标准溶液为基准,采用标
准一样品交叉法测定铜,锌同位素比值.结果
明,当铜,锌的样品量小到一定程度时,其同位素测定值偏离真
值;"-3铜,锌的样品量足够大时,其同位素测定值趋于真值.流程本底对同位素测定值的影响可忽略不计,同时也
不存在同质异位素干扰,说明这一现象极可能来自所用试剂和离子交换树脂的杂质组分产生的基质效应.在本
文报道的实验条件下,"-3铜的样品量/>4I-tg,锌的样品量?1g时才能够确保铜,锌同位素测定结果的准确性
这一现象是否在其他同位素体系的测试过程存在,是个值得注意的问题. 关键词:铜同位素;锌同位素;样品量;基质效应;多接收器等离子体质谱 EffectsofSampleSizeonCuandZnIsotopeRatioMeasurements
rANBin一,ZHUXiang—kun,CHENrue—long
(1.SchooloftheEarthScienceandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;
2.LaboratoryofIsotopeGeology,MinistryofLandandResources,InstituteofGeology,Chinese
AcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China)
Abstract:Usingmulti—collectorinductivelycoupledplasmamassspectrometry(MC—
ICP-MS)tomeasurecopperand
zincisotopes,thesampleweightingcaninfluencethemeasurementsofcopperandzincisotopicratios.Differentamounts
ofcopperandzinclaboratoryreferencesolutions(CAGS-Cu,CAGS—
Zn)wereloadedandpassedthroughacolumnof
ionexchangeresin.Thesample—
standardbracketingtechniquewasappliedforthemeasurementsofCuandZn.The measureddatawerecorrectedusingceflifiedvaluesoflaboratoryreferencesolutions.Theresultsshowed666CuandZn
deviatefromtruevaluesforsmallsampleweightingofcopperandzinc;conversely,theisotopicvaluetendstothetrue
valuesforlargesampleweighting.Procedureblankandisobaricinterferencescanbeignoredfortheisotopicvalues,
whichseemstoindicatethattheproblemlieswiththematrixeffectfromtheIonExchangeResinandreagents.
Therefore,usingvaluesforsampleweightingof<4I-tgforcopperand<1gforzinc,accurateisotopicratioscanbe
guaranteedundertheseexperimentalconditions.
Keywords:Cuisotopes;Znisotopes;sampleweighting;matrixeffects;multi-collectorinductivelycoupledplasma—
massspectrometry
收稿日期:2011-02—15;修订日期:2011—02—24
基金项目:国家自然科学基金(40973037,40921001);中国地质调查局地质调查项目
(1212010911046,1212010711815) 作者简介:闫斌,博士研究生,地球化学专业,主要从事非传统同位素地球化学研
究.E-mail:yanbin703@163.corn. 通讯作者:朱祥坤,研究员,主要从事同位素地球化学研究.E—
mail:xiangkun@cags.ac.cn. ...——
400.---——
第4期斌等:样品的大小对铜锌川位素测定的影响第30卷 随着质谱技术的发展,国内外众多实验室利川多
接收电感耦合等离子体质谱(MC—ICP—MS)技术开 发了MC—ICP—MS测定过渡族元素同位素比值的方 法卜,使得cu,zn,Fe等过渡族元素同化素存地球
化学研究方面的应用取得了突破性进展.
与其他同位素的测定技术一样,在过渡族金属同
值素测定过程中也存在着潜在的__i二扰信号,包括谱峰 干扰(同质异位素干扰)和非谱峰干扰(基质效应). 通常同质异位素干扰可以通过化学分离或高分辨率测 量技术等手段去除.基质效应导致的仪器质量歧视可 以通过外标法(standardsamplebracketing)进行校正, 这种校正
的前提是在测定过程中样品标准物质 的质量歧视一致.但在实际测试过程中,标准物质与 样品问的质量歧视并不一定完全相同,这也是导致 实验误差的主要因素之一.
已有的研究表明,在相同的仪器工作条件下,化学
成分,样品浓度,进样介质的酸度等素都叮能会影响 MC—ICP—MS同位素测定过程中的质量歧
视''.作者在实验中发现,样品量(指样品中
待测组分的绝对量,不是指待测组分在样品中的浓度
或丰度)的大小也可能对Cu,Zn同位素测定结果产生 影响.为了对这个重要但尚未引起人们重视的技术问 题进行调查,本文配制了一系列不同样品量的Cu和 zn溶液,并按实际样品的分离纯化流程进行处理.在 此基础卜,对具有不同cu,zn样品量的溶液进行同位 素测定,检验测定值与"真值"的差异,进而评估样品 量对cu,zn同位素测定值的影响.
1实验部分
1.1仪器和主要试剂
中国地质科学院国土资源部同位素地质重点实验 室的NuPlasmaHR型多接收器等离子体质谱仪 (MC—ICP—MS,英国Nu—Instruments公司产品). 采用Bio—Rad公司生产的AGMP一1强碱性阴 离子交换树脂(100,200目,cl型),聚乙烯作交换柱 (6.8mm×43mm).
实验过程所用的水是经PURELABOption—S纯 化系统(Elga公司生产)纯化的超纯水,电阻率为18.2 MQ?em;HC1,HNO均为优级纯酸经过二次亚沸蒸馏 的超纯酸;HO为优级纯试剂.
1.2实验室器皿
样品的前处理工作在中国地质科学院国土资源部 同位素重点实验室的超净实验室内完成,室内洁净度 为1000级,超净作白内为100级.
实验室器皿基本采用聚丙烯塑料和聚四氟乙烯制 成,采』{{前需要严格的清洗,以降低器皿的本底.清洗 方法如下:将器皿用酒精清洗一遍后,用优级纯HNO 一
水(体积比1:2)浸泡一昼夜,然后用超纯水清洗浸 泡一夜,超纯HNO一水(体积比1:10)浸泡一昼
夜,最后用超纯水清洗浸泡两个昼夜后,烘_T后备用. 1.3实验样品
选用中国地质科学院地质研究所同位素重点实验 室的实验室标准溶液CAGS—Cu,CAGS—Zn(GSB单 元素标准溶液,北京钢铁研究总院制备)为原始溶液, 介质为1mol/LHNO,,浓度为1000g.取适量的 原始溶液稀释至10g/g,备用.
存实际样品的化学分离过程中,为r保证溶液中 的铁离子为Fe?,在6mol/L超纯HC1中加入少量双 氧水(6mol/LHCI+0.001%H2O2)[2324J.因此,按 照实际样品的要求在实验室cu,zn标准样品的溶解 和过柱分离过程中,均使用6mol/LHC1+0.001%
H,0,介质.
取10mL10g/gCAGS—Cu标准溶液放入聚四 氟乙烯溶样瓶中,放置在电热板上蒸干.加入超纯 HC1转化为HC1介质,重复两次,然后加入6mol/L HCI+0.001%H20溶解样品.配制成1mL0.2,0.4, 0.5,0.8,1.0,2.0,4.0,5.0,6.0,8.0,10.0g/mL的
CAGS—Cu溶液,以备上柱.
同样的,取10mL10g/gCAGS—Zn标准溶液放 人聚四氟乙烯溶样瓶中,放置存电热板上蒸干.加入 超纯HC1转化为HC1介质,重复两次,然后加入 6mol/LHC1+0.001%H0溶解样品.配制成1mL 0.2,0.4,0.5,1.0,2.0,8.0,10.0,20.0txg/mL的
CAGS—Zn溶液,以备柱.
1.4铜锌的分离纯化
(1)离子交换柱制作:采』}}jAGMP一1阴离子交 换树脂分离溶液中cu,zn.AGMP一1交换树 脂在白次使用前先以超纯水浸泡,湿法装柱.然后用
0.5mol/LHNO,和超纯水交替洗柱数次,备用.
(2)接收Cu:以6mol/LHC1+0.001%H,O,平
衡,分别取1mL样品溶液上柱,用6mL6mol/LHC1 +0.001%H2O2淋洗,再用20mL6mol/LHC1+ 0.001%HO试剂淋洗接收cu.将cu的淋洗液放置 在电热板上蒸下,以备质谱测定.
(3)接收zn:以6moL/LHC1+0.001%H,0,平
衡,分别取1mL样品溶液上柱,先用26mL6mol/L 一
401—
第4期岩矿测试
httptf?WWW.ykcs.ac.Cl'l2011 HC1+0.001%H2O2淋洗,再用2mL0.5moL/LHNO3 试剂平衡,以11mL0.5mol/LHNO淋洗接收zn.将 zn的淋洗液放置在电热板上蒸千,转化为HC1介质, 以备质谱测定.
1.5流程本底试验
在采用阳离子交换树脂分离样品时,本研究同时 做了流程本底实验.在相同的实验环境下,使用AG MP一1阳离子交换树脂(100,200目),以6mol/L HC1+0.001%H202,0.5mol/LHNO3作淋洗液分别淋 洗Cu,zn.将所得的接收液用MC—ICP—MS的离子 计数器采集信号.
1.6铜锌同位素质谱测定
cu,zn同位素比值用NuPlasmaHR型MC—ICP —
MS仪器测定.标准样品和纯化后的样品通过Nu Instruments公司生产的DSN一100型膜去溶进入等离 子体.进样浓度约为200I,zg/L,介质为0.1moL/L
HC1.不同量的铜,锌"样品"均稀释至进样浓度200 g/L进行测试.在整个测试过程中,仪器工作条件和 样品信号都比较稳定.在
过程中,采用标准样品 一
样品交叉法(standardsample—samplebracketing)来校 正仪器的质量分馏,标准样品和样品进样溶液的浓度 相对偏差控制在10%以内.样品与标准样品之间分 别用10%(体积分数,下同)的HC1和1%的HC1清洗 3min和2min.数据采用牛津大学Belshaw博士提供 的基于Unix操作系统的控制软件进行自动采集.每 组数据采集之前进行20s的背景测定.
过柱处理后的Cu,zn样品以实验室标准溶液 CAGS—Cu,CAGS—Zn为基准来测定同位素比值. Cu,zn同位素的分析结果以样品相对于标准物质的千 分偏差表示:
6Cuc懈山=[(Cu/.Cu)…Dle/
(Cu/.Cu)CAGS-cu一1]X10
Cu山=[(Cu/Cu)n1Dl/
(Cu/.Cu)NBsIc?一1]×10
ZncAGs=[(Zn/Zn)/(zn/ zn)cAcs一1]X10
(=66,67,68)
xZn1RMM_zn=[(Zn/Zn)/ (Zn/Zn)IRMM一1]X10
(=66,67.68)
..——
402--.——
2铜锌同位素测定结果与讨论
2.1测定精度
实验室以国际标准物质NBS—Cu,IRMM—Zn对 实验室标准溶液CAGS—Cu,CAGS—Zn进行测定川来 评估Cu,6?Zn值的外精度.本次实验测定
CuNIls.=0.562%o?0.06%c(n=15,2s), 6..ZnIRMMz=一0.
833%c?0.08%c(凡=9,2s),其标准
偏差均优于0.1%..
2.2流程本底
实验测得cu,Zn流程本底分别为1.4X10"gl不1J 1.3X10g.因此,当Cu的样品量为0.2,4txg时, 流程本底所占的比例为0.004%,0.07%;当zn的样 品量为0.2,1g时,流程本底所占的比例为0.13% ,
0.65%.当cu样品量大于4g,zn的样品大于
1g时,流程本底所占的比例均小于0.13%. 2.3铜锌同位素测定结果
利用MC—ICP—MS质谱仪,对按实际样品分离 纯化流程处理过的标准溶液"样品"进行Cu,zn?位 素测定,结果如表1,表2和图1,图2所示.需要说明 的是,"样品"和标准均从同一标准溶液(CAGS—Cu, CAGS—Zn)配制.
表1不同样品量的CAGS—Cu溶液的铜同位素测定比值 Table1MeasuredCuisotopicratiosofCAGS—Cuwithdifferent
samplesizes
样『I编号"6sc编t,1.
,
最665C
u
mlUuJ/gm(Lu)/g
CAGS.Cu—l0.2—0.502CAGS.Cu一74.00.oo8 CAGS.Cu-20.4—0.457CAGS.Cu.85.00.029 CAGS.Cu.30.5—0.447CAGS.Cu-96.00.026 CAGS.Cu-40.8—0427CAGS—Cu.10800.002 CAGS.Cu-51.0—0.490CAGS.Cu.11l0.0—0.028
CAGS—Cu-62.0—0.462
表2不同样品量的CAGS—Zn溶液的锌同位素测定比值 Table2MeasuredZnisotopicratiosofCAGS—Znwithdifferent samplesizes
第4期闫斌等:样品量的人小对铜锌同位素测定值的影响第30卷 结果表明,当cu的样品量为0.2,2.0g时,
Cu的测定值为一0.50%o,一0.43%0,明显低于真值
(样品的真值,"Cu=0),但在这一样品大小区间内
6Cu测量值与样品量的大小(Cu的量)无明显关系
(图1).当cu的样品量为4.0,10g时,6Cu为
一
0.03%o,0.03%0(表1),在误差范围内与真值一致.
类似的,当zn的样品量为0.2,1.0g时,6zn
的测定值为一0.30%0,一0.19%0,明显低于真值(样
品的真值,6?Zn=0).在这一样品大小区间内zn
测量值与样品量的大小(Zn的量)显示一定的负相关
性(图2).当Zn的样品量为1.0,10txg时,6zn为
一
0.08%c,0.02%e(表2),在误差范围内与真值一致.
图lcu测定值与铜的样品量之间的关系
Fig_1Correlationshipbetween665Cuvalueandsamplesize
图2Zn测定值与锌的样品量之问的关系
Fig.2Correlationshipbet~een666Znvalueandsamplesize
3铜锌同位素测定值与真值差异原因分析
cu,zn同位素实验样品和测试过程中所用的标准 均来自同一溶液,具有相同的真值.也就是说,所有实 验样品的值应该在误差范围内为零.但实验结果显 示,当cu或zn的样品量小于一定值时,其同位素测 定值明显低于真值(表1和表2,图1和图2).下面对 导致测定值与真值差异的可能原因进行讨论和分析. 3.1实验本底的影响
如果样品化学处理过程中的实验本底较高,则实 验本底有可能对样品造成污染,从而影响样品的同位 素组成.但所获得的实验结果不支持这一可能性. 首先,在同一实验过程中,流程本底可认为是定 值.流程本底所占的比例与样品中Cu,zn量的大小 有关.当"样品"的cu,zn量的增大时,流程本底所占 的比例减小;反之,当"样品"的Cu,zn量减少时,流程 本底所占的比例会增大.如果流程本底对"样品"造 成污染,则"样品"的Cu,zn同位素测定值与cu,zn量 之问应存在一定的相关性.实验结果显示,cu,zn同 位素测定值与cu,zn的样品量之间总体上不存在相 关性(图1和图2).
其次,流程本底试验表明,Cu,zn的实验本底分别 为1.4×10g和1.3×10一g.当cu的样品量为 0.2,4g时,流程本底所占的比例为0.004%, 0.07%;当zn的样品量为0.2,1Ixg时,流程本底所 占的比例为0.13%,0.65%.这么低的本底不会对 样品的同位素组成测定造成污染.
综上所述,"样品"受到流程本底污染的可能性可 以排除.
3.2同质异位素的干扰
利用MC—ICP—MS进行cu,zn同位素比值测定
时,实验过程中可能产生一些离子团对Cu和zn同位 素信号造成干扰?f.这些离子团主要是产生等离 子体的氩气以及来自空气和溶液中的N,0与Na,Mg, Al等元素结合形成的多原子同质异位素.为了排除 这些同质异位素的干扰,对样品可能形成同质异位素 离子团的Na,Mg,Al等元素进行了测定,Na,Mg, Al的信号均<10V.在实验过程中,等离子体的温 度保持6000,7000K的高温,元素形成的多原子离子 团的信号比元素本身低3个数量级以上'J.也就是 说,同质异位素干扰信号可以忽略.因此,cu和zn同 位素测定过程中不存在同质异位素干扰. 图3为不同样品量的CAGS—Zn溶液测定值 的zn和韶zn的相关性图解.所有测试结果都落在同 一
直线上,在理论质量分馏线的误差范围之内(理论 拟合线:=2x),这也进一步证实在zn同位素测定过 程中没有鲋zn,?zn,胡zn同质异位素干扰信号. ...——
403....——
第4岩矿测试
http:?www.ykes.ac.(n
36Zn和6zn的相关1生
Fig.3RelationshipbetweenZnand668Zn
3.3基质效应的影响
导致测定值与真值差异的另一可能因素是基质效 应.本文报道的同位素测定实验是运用标准样品一样 品交叉法(standardsample-samplebracketing)进行仪器 质量分馏校正的.该方法有效性的前提是,在测定过 程巾仪器的质量分馏对于样品和标准样品是相同的.
女IJ果在测定过程中因样品与标准样品化学成分的不同 f导致仪器质量分馏的变化,将会使运用标准样品一 样品交叉法进行仪器质量校正后的数据偏离真值,这 就是所渭的基质效应(matrixeffects).在众多 MC—ICP—MS同位素测定研究中已有关于基质效应 的报道"0j.此,在进行MC—ICP—MS同位素 测定时,基质效应是不容忽视的问题.
尽管实验中所用的水和酸等试剂都经过纯化,所用 离子交换树脂经过多次清洗,但严格来说,它们仍含有 一
定的杂质组分.整个实验流程所用试剂的杂质组分 可能有相当一部分"浓缩"在样品中.并且在进行离子 交换分离时从离子交换树脂中脱落下来的杂质组分也 在样品中"累积".的确,当将本底实验的溶液蒸干后, 肉眼可以看到在聚四氟乙烯杯底有少量残留的杂质. 本课题组在杂质组分鉴定方面做了很多工作,包 括运用MC—ICP—MS和等离子体光谱等方法对本底 实验的"样品"进行元素测试,但这些实验均未检测到 金属元素的信号,说明金属元素不是主要的杂质组分, 暗示杂质组分的主体可能是有机质.
不同量的样品对这种未知杂质组分所产生的基质 效应的响应是不同的.由于整个实验流程带人的杂质 组分的量基本是固定的,如果样品的量大,则实验流程 带人的杂质的相对含量就低;如果样品的量小,则实验 流程带人的杂质的相对含量就高.因此,当Cu,zn的 ...——
404——
样品齄小于一定值时(Cu<4g,Zn<1g),这些杂 质组分的影响就会变得显着,导敛样品标准之的
仪器质量歧视的差异,使得同化素测定值偏离真值;【, cu,zn的样品大于一定值时(Cu?4g,Zn?
1g),这些杂质组分的影响_口『以忽略,不会致样品 与标准之问的仪器质量歧视的差异,所测得f索价 趋于真值(图1和图2).
综上所述,来自所用试剂以及离子交换树脂的杂 质组分所产生的基质效应可能是导致cu,zn川他素 测定值偏离真值的主要因素.
4结语
研究结果表明,利用多接收电感卡禺合等离子休质 谱测定cu,zn同化素时,如果样品量过小,cu,zn 同位素测定值会偏离真值.导致这一现象的主要1人I素 可能是来自试剂和离子交换树脂的杂质纰分所产的 基质效应.由于整个实验流程带人的杂质绀分的节 本恒定,样品的量越小,则实验流程带入的杂质组分的 相对含量就越商.当样品的小到一定程度时,这 杂质组分对仪器质量歧视的影响变得显着,导致样. 的同位素测定值偏离真值.
因此,为确保测定值的准确性,在进行cu,znl州化 素测定时用于化学纯化的样口口的量必须足够大.所 用实验条件下,当所处理的Cu的样品量>14g,Zn的 样品量?1btg时,才能使同位素的测定值在误筹池【人J Lj真值一致.值得强调的足,这一"阈值"远大丁?位素 精确测定所需的最小量.例女ll,在所用实验条什下, 进样浓度为100L时就能够获得足够强的信进 同位素比值的精确测定,按进样体积为1mL计算,所用 的cu或zn的量仅为0.1g.也就是说,管较小的样 品量即叫获得精确的Cu,zn位素测定值,但这些测定 值可能会偏离真值.因此,进行刚位素测定时,需根据
样品中cu和zn的含量确定合适的称样量,确保样品【l}J
Cu或zn的量不小于测试"阈值".
应当指出,述"阈值"是在本文所报道的实验条
件下获得的.在不同实验条件下,Cu,zn样品最的"阈
值"可能不同,需要进行实验确定.另外,小文的结论
是基于NuPlasmaHR型MC—ICP—MS的分析结果得
出的,这些结论是否对其他型号的MC—ICP—MS具
有普适性还有待于进一步研究.
长期以来,样品量对同位素测试的影响没有受到
人们的重视.本研究所发现的这一现象是否存其他同
位素体系的测试过程存在,是个值得注意的问题.
第4期斌等:样品』i}的人小对铜锋I叫位素测定值的影响第30卷
致谢:感谢}】吲地质科学院地质研究所唐索寒研究员
对实验
提出的建议以及对本文提出的修改意见;
感鲥中闰科学院地球化学研究所朱建明研究员,rf1田
地质科学院地质研究所李世珍助理研究员对本文提
的修改意见;感中围地质科学院地质研究所李志红
博上,中国地质大学(北京)孙剑先生在仪器测试过程
中给的帮助.
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