微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定超细粒度岩石和土壤样品中的稀土元素

王娜， 徐铁民 ， 魏双 ， 王家松， 曾江萍 ， 张楠

(1.中国地质调查局天津地质调查中心， 天津 300170； 2.中国地质调查局泥质海岸带地质环境重点实验室， 天津 300170)

稀土元素包括元素周期表中镧系元素以及同族的钪和钇共17种元素。准确测定土壤和岩石样品中稀土元素的含量，对于研究岩石沉积成因、寻找稀土矿床和保护生态环境具有重要意义[1-3]。稀土元素测试方法主要有分光光度法[4]、重量法[5]、中子活化分析法[6]、原子吸收光谱法[7]、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)[8-9]和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[10-11]。岩石和土壤中的稀土元素含量低，基体干扰严重，高灵敏度的ICP-MS经过干扰校正和内标校正可准确测定其中的稀土元素。常规地质样品加工粒度为74μm(200目)，取样量为100mg才能保证样品代表性，而ICP-MS技术从灵敏度角度要求取样量可低至数毫克级，取样代表性问题严重制约了ICP-MS高灵敏度、高精度技术效能的发挥，超细样品的采用可使这一问题得到有效解决。王晓红等[12]、王毅民等[13]将超细粒度岩石样品应用于ICP-OES/MS分析技术中，孙德忠等[14]采用封闭压力酸溶ICP-MS测定超细地质样品中的42个元素，但二者采用的超细样品粒度较大(500目)，侧重于样品消解条件和最小取样量的确定，未详细阐明超细粒度地质样品的制备过程及影响因素。

应用ICP-MS法测定超细粒度岩石和土壤中的稀土元素，样品前处理是影响测试准确度的重要因素。ICP-MS常用的溶样方法有敞开式酸溶[15]、高温碱熔[16]、封闭压力酸溶[17]、微波消解[18]等。敞开式酸溶对于部分样品分解并不完全，稀土元素分析结果偏低；高温碱熔的过程复杂，空白值高，总盐度大，基体干扰严重；封闭压力酸溶法的流程繁琐，耗时过长；微波消解的操作简便、消解时间短、节省化学试剂、空白值低，且在密闭体系下进行消解，可有效防止样品污染及挥发性组分损失。

本工作探讨了样品研磨方式、研磨时间、物料比对土壤和岩石超细粒度样品制备的影响，优化了超细样品的微波消解实验条件，确立了最小取样量，建立了采用微波消解ICP-MS测定超细粒度土壤和岩石中稀土元素的分析方法。

表1超细样品消解条件

Table 1 Digestion conditions of ultra-fine sample

条件称样量(mg)样品溶解加酸量消解温度保持时间(min)120℃150℃180℃定容体积(mL)条件1501.5mL硝酸,0.5mL氢氟酸,0.5mL双氧水3510100条件2100.3mL硝酸,0.1mL氢氟酸,0.1mL双氧水24820条件350.15mL硝酸,0.05mL氢氟酸,0.05mL双氧水23510

1 实验部分

1.1 仪器及工作条件

X-SeriesⅡ型电感耦合等离子体质谱仪(美国ThermoFisher公司)，仪器的主要参数为：射频功率1350W，冷却气流量15.4L/min，辅助气流量0.80L/min，雾化气流量0.86L/min，采样锥孔径1.0mm，截取锥孔径0.8mm，扫描方式为跳峰，数据采集时间36s。

Mars6高通量密闭微波消解仪器(美国CEM公司)；超高速行星式超细粉碎制样机(德国Fritsch公司)；S3500型激光粒度仪(美国Mirotrac公司)。

1.2 标准溶液和主要试剂

多元素混合标准储备液：由单个标准溶液(100μg/mL)分成轻、重稀土元素组合，逐级稀释而得，介质为2%的硝酸。

调节液：10ng/mL，介质为2%硝酸，包含Li、Co、In、U等代表性元素。

内标溶液：Rh、Re(10ng/mL)，介质为2%硝酸，由光谱纯金属氧化物配制而成的储备液(ρ=100μg/mL)稀释得到。

超纯水：由Elix 5型超纯水系统(美国密理博公司)制得。

硝酸、氢氟酸、过氧化氢溶液均为优级纯试剂(天津市风船化学试剂科技有限公司)。

1.3 样品处理

分别称取于105℃烘干至恒重的样品50mg、10mg、5mg(精确至0.00001g)，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入不同量的硝酸、氢氟酸和过氧化氢溶液(表1)，用2～4mL蒸馏水冲洗罐壁后盖套，置于转盘中，放入微波消解仪炉腔内，设定消解程序(三个阶梯升温时间均为5min，120℃、150℃、180℃消解功率分别采用600W、1000W、1200W)，根据样品量设定不同消解时间(表1)，待程序执行完毕，冷却开盖，将消解液转移至聚四氟乙烯烧杯中，置于150℃的电热板上加热至近干，依据定容体积加入适量50%的浓硝酸(定容后溶液酸浓度为2%)，130℃加热溶液至清亮，冷却，定容(定容体积见表1)，摇匀后采用ICP-MS测定16个稀土元素。

2 结果与讨论

2.1 超细样品的制备

2.1.1样品研磨方式的选择

干法和湿法球磨是超细样品制备的两种常用研磨方法[19]，选取粒度为200目的土壤国家标准物质GBW07404、GBW07447和岩石国家标准物质GBW07104、GBW07121，分别采用干磨、湿磨(水和乙醇作分散剂)的方式，以粒径体积分数D50、D75、D95来表示样品的细化程度。称取6g样品放入碳化钨罐中(内含400个直径为3mm碳化钨研磨球)，加入分散剂40mL，在行星式碎样机上以950r/s研磨10min。样品的粒径分布结果列于表2，湿磨时样品的D50、D75、D95粒径均远小于干磨时的粒径，这是因为干磨过程中超细粉末易产生自发凝并、团聚现象，而湿磨能降低颗粒间的黏附性，克服团聚和打实、粘壁现象，使制得的超细样品粉末粒径减小、形状规则、粒径均匀[20]。

湿磨时采用乙醇作分散剂，样品的D50、D75、D95粒径略小于以水作分散剂时的粒径，因为有机溶剂能降低表面张力，粒子表面的羟基易被有机溶剂的官能团代替，可降低研磨时产生的毛细管力和增大空间位阻效应[21]，而且超细粉末在乙醇中聚沉速度较慢，其分散性优于在水中的分散性[22]。因此，超细样品的制备采用乙醇作为分散剂的湿法球磨。

表2不同研磨方法下超细样品的粒径分布

Table 2 Particle size distributions of ultra-fine samples under different grinding methods

标准物质编号干磨湿磨(水作分散剂)湿磨(乙醇作分散剂)D50(μm)D75(μm)D95(μm)D50(μm)D75(μm)D95(μm)D50(μm)D75(μm)D95(μm)GBW07404(石灰岩土)4.586.9317.532.924.379.152.853.918.90GBW07447(盐碱土)4.406.6419.612.864.158.622.763.938.71GBW07104(安山岩)5.157.8519.964.176.0813.562.834.279.79GBW07121(花岗质片麻岩)5.398.0120.534.266.2512.242.964.310.13

注：D表示粒径体积分数统计分布。例如D95=8.90表示95%的样品粒径小于8.90μm。

表3不同研磨时间下超细样品的粒径分布

Table 3 Particle size distributions of ultra-fine samples under different grinding time

标准物质编号研磨5min研磨10min研磨15min研磨20minD50(μm)D75(μm)D95(μm)D50(μm)D75(μm)D95(μm)D50(μm)D75(μm)D95(μm)D50(μm)D75(μm)D95(μm)GBW07404(石灰岩土)3.395.1712.362.853.918.903.094.5110.233.174.9610.98GBW07447(盐碱土)3.145.0610.752.763.938.712.934.609.683.154.719.34GBW07104(安山岩)3.325.3011.262.834.279.792.733.868.642.914.159.57GBW07121(花岗质片麻岩)3.445.8512.152.964.310.132.904.019.013.054.2210.03

2.1.2样品研磨时间的确定

研磨方式确定的条件下，研磨时间是影响超细样品制备的另一重要因素[23]，将6g粒度为200目的样品放入碳化钨罐中，加入乙醇40mL，在行星式碎样机上以950r/s分别研磨样品5min、10min、15min、20min。不同研磨时间下样品的粒径分布情况列于表3，当研磨5min时，因研磨时间不充分使样品粒径未达到最小值；当研磨10min时，土壤标准物质GBW07404和GBW07447的D50、D75、D95粒径最小，而岩石标准物质GBW07104、GBW07121在研磨15min时粒径达到最小，这可能是因为岩石矿物颗粒间具牢固的连接(结晶连接、胶结连接)，强度高、不易变形，而土壤样品则缺乏颗粒间的连接或连接很弱，硬度较小，更容易被破碎[24]。当研磨20min时，岩石和土壤超细样品粒径反而随研磨时间的增加而增大。因此，土壤和岩石样品的研磨时间分别选择10min和15min。

2.1.3物料比的选择

物料比是指物料、研磨球和分散剂之间的比重[25]，可直接影响出料物的粒度分布。采用正交实验考察物料质量(g)、研磨球数量(个)和分散剂体积(mL)三因素对制备超细粒度样品(D95)的影响。正交实验因素与水平条件如表4所示，按照三因素三水平设计正交实验。

选取粒度为200目的土壤标准物质GBW07404、GBW07447和岩石标准物质GBW07104、GBW07121，以乙醇为分散剂，按照表4的9组参数进行正交实验(土壤和岩石样品分别研磨10min和15min)。如表5所示，每组实验对应的样品粒度分布以D95表示，每个因素下样品粒度分布D95的平均值以K表示，并对K值进行了极差(R)分析。

表4L9(33)正交实验设计

Table 4 Experimental design with L9(33) orthogonal array

实验编号物料质量(g)研磨球数量(个)分散剂体积(mL)水平1530015水平2750030水平31070045153001525500303570045473003057500456770015710300458105001591070030

表5L9(33)正交实验下超细样品的D95粒径

Table 5 Particle sizes of ultra-fine samples under L9(33) orthogonal array

编号D95(μm)GBW07404GBW07447GBW07104GBW07121112.6412.8513.6514.0129.318.9310.3210.7139.949.538.578.6349.529.0113.8913.7957.517.059.239.55613.7312.9414.6015.02711.6211.9013.6013.97815.0114.7615.2615.88910.9611.0214.0514.75K110.6311.2613.7910.4411.2513.5210.8513.7114.5011.1213.9214.97K210.2510.619.939.6710.259.6512.5711.6012.7512.7912.0513.08K312.5311.549.6912.5611.169.4914.3012.4110.4714.8712.8010.72R1.900.934.102.891.004.023.452.114.033.751.874.25

由表5可以看出，三因素中分散剂的R值最大，说明其对超细粒度土壤和岩石样品制备的影响最大。经过正交实验分析[26]，K1、K2、K3中最小的K值对应的因素为较优因素，因此超细粒度土壤样品制备的较优组合为：物料7g、研磨球500个、分散剂45mL；超细粒度岩石样品制备的较优组合为：物料5g、研磨球500个、分散剂45mL。较优组合中研磨球和分散剂相同的条件下，岩石样品的物料质量要小于土壤样品，这是因为在乙醇中，岩石样品比土壤样品的分散性差，更易产生聚沉、结块。较优条件下制备的超细粒度土壤标准物质GBW07404、GBW07447的D95可低至7.51μm、7.05μm，超细粒度岩石标准物质GBW07104、GBW07121的D95可低至8.42μm、8.30μm。

2.2 样品消解方法的选择

土壤、岩石的结构较为复杂，实验选取硝酸-氢氟酸-双氧水酸溶体系进行消解[27-29]。氢氟酸可有效破坏二氧化硅的晶体结构；硝酸是一种强氧化性酸，可将样品中的许多元素转化为可溶性的硝酸盐；双氧水的加入，可增强硝酸的氧化能力，完全破坏样品中的有机质，使样品消解更彻底。

按照表1中的三种条件消解超细粒度岩石标准样品GBW07104，并将该法与常规的封闭压力酸溶法进行比对试验，结果列于表6。超细样品的取样量越大，分析结果的重现性越好，但由于使用了超细样品，取样量减少至5mg，总用酸量减少至0.25mL，消解时间降低为25min(包括升温时间15min)，仍能保证稀土元素的相对标准偏差在1.64%～5.21%之间，满足了岩石样品中的稀土元素检测要求。

2.3 方法检出限和精密度

连续11次测定样品空白，测定值的3倍标准偏差对应的样品含量即为方法检出限[30]，本方法稀土元素检出限为0.41～4.63ng/L。张楠等[31]采用硝酸-氢氟酸溶矿，微波消解ICP-MS法测定海泡石中的稀土元素，检出限在2.0～11ng/L之间；李丽君等[32]采用硝酸-氢氟酸-硫酸酸溶ICP-MS法测定高岭土中的稀土元素，检出限在30～90ng/L之间。本方法使用超细粒度样品，用酸量少，试剂空白便于控制，检出限更低。

按照表1中条件3消解超细粒度GBW07404、GBW07447、GBW07121各10份进行测定，稀土元素测定值的相对标准偏差在1.40%～4.05%之间，精密度良好。

2.4 方法准确度

按照表1的条件3消解超细粒度GBW07404、GBW07447、GBW07121并平行测定3次，考察方法的准确度。本方法的测定值与认定值基本一致(表7)，绝大多数稀土元素的相对误差在0.17%～6.60%之间，能满足土壤和岩石样品中稀土元素的分析要求。

表6不同条件超细标准样品GBW07104的分析结果

Table 6 Analytical results of ultra-fine standard sample GBW07104 with different preparation procedures

稀土元素认定值(μg/g)表1中的条件1表1中的条件2表1中的条件3封闭压力酸溶法6次测定平均值(μg/g)RSD(%)6次测定平均值(μg/g)RSD(%)6次测定平均值(μg/g)RSD(%)6次测定平均值(μg/g)RSD(%)Sc9.50±0.79.353.719.634.859.585.099.414.10La22.0±2.021.55.0422.45.2120.82.9123.24.72Ce40.0±3.042.34.2539.54.8340.63.2043.14.11Pr4.90±0.404.712.724.862.944.773.304.942.86Nd19.0±2.019.84.4317.94.3618.44.9319.24.35Sm3.40±0.203.453.103.274.073.483.723.323.27Eu1.02±0.050.983.521.153.911.104.171.072.65Gd2.70±0.402.824.562.914.252.762.152.872.14Tb0.41±0.050.433.030.383.350.453.320.423.32Dy1.85±0.171.893.171.763.711.924.051.792.93Ho0.34±0.030.323.920.354.620.315.210.374.05Er0.85±0.130.894.710.912.110.791.640.824.41Tm0.15±0.050.143.940.154.220.163.820.153.96Yb0.89±0.130.853.810.794.430.834.500.903.40Lu0.12±0.030.113.770.123.920.114.160.122.70Y9.30±1.209.053.829.702.189.104.058.902.16

表7方法准确度

Table 7 Accuracy tests of the methods

稀土元素GBW07404GBW07447GBW07121认定值(μg/g)测定值(μg/g)相对误差(%)认定值(μg/g)测定值(μg/g)相对误差(%)认定值(μg/g)测定值(μg/g)相对误差(%)Sc20.0±2.018.24.009.70±0.409.482.275.00±4.05.224.40La53.0±4.051.52.8330.0±1.028.64.6725.0±2.023.75.20Ce136±111322.9457.0±2.059.13.6848.0±3.049.53.13Pr8.40±1.708.004.766.90±0.306.752.175.80±0.805.810.17Nd27.0±2.027.20.7426.0±1.024.75.0021.0±4.021.94.29Sm4.40±0.404.224.095.0±0.25.204.003.30±0.303.183.64Eu0.85±0.070.883.531.06±0.051.092.831.00±0.200.982.00Gd4.70±0.504.396.604.40±0.204.635.232.40±0.302.514.58Tb0.94±0.090.913.190.74±0.040.722.700.29±0.030.303.45Dy6.60±0.606.471.974.20±0.204.112.141.52±0.141.573.29Ho1.46±0.121.385.480.84±0.060.873.570.27±0.030.283.70Er4.50±0.704.382.672.40±0.202.294.580.76±0.080.733.95Tm0.70±0.100.665.710.39±0.030.382.560.11±0.020.109.09Yb4.80±0.604.692.292.50±0.202.562.400.69±0.080.712.90Lu0.75±0.060.724.000.38±0.030.392.630.11±0.010.129.09Y39.0±6.037.34.3623.0±2.024.14.787.30±0.907.502.74

3 结论

系统研究了影响超细粒度土壤和岩石样品制备的三个因素，筛选出较优制备条件；选择硝酸-氢氟酸-过氧化氢混合酸处理超细粒度岩石和土壤样品，取样量减少至5mg，总用酸量减至0.25mL，微波消解时间降低为25min，应用ICP-MS能快速、准确测定土壤和岩石中的稀土元素。本方法可为其他矿种的超细样品制备和稀土元素测定提供借鉴。

在超细样品制备过程中，分散剂、研磨球和样品量的比例须控制得当，研磨时间依据样品的性质酌情选择。为防止样品板结，粉碎后尽量采用真空低温烘干，烘干后可用玛瑙研钵进行二次研磨粉碎。