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        ICP-AES中多重譜線擬合(MSF)扣除光譜干擾法在Th、U測(cè)定中的應(yīng)用

        2015-02-13 05:11:51叢海霞趙中奇胡偉青何淑華
        核化學(xué)與放射化學(xué) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量誤差譜線檢出限

        羅 艷,叢海霞,趙中奇,胡偉青,周 偉,何淑華

        中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所,上海 201800

        ICP-AES中多重譜線擬合(MSF)扣除光譜干擾法在Th、U測(cè)定中的應(yīng)用

        羅 艷,叢海霞,趙中奇,胡偉青,周 偉*,何淑華

        中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所,上海 201800

        多元光譜擬合(MSF)校正法是一種新的校正多種基體干擾的方法。本工作采用 MSF法,有效地校正了大量U基體對(duì)微量Th的干擾及大量Th基體對(duì)微量U的光譜干擾。對(duì)ρ(U)/ρ(Th)=200∶0.1~200∶1.0和ρ(Th)/ρ(U)=200∶0.1~200∶1.0的模擬樣品進(jìn)行測(cè)定,在Th波長(zhǎng)401.913nm下,200mg/L U中0.1~1.0mg/L Th測(cè)定的測(cè)量誤差為0.33%~4.13%,在U波長(zhǎng)409.014nm下,200mg/L Th中0.1~1.0mg/L U測(cè)定的測(cè)量誤差為4%~10%,得到較為滿意的測(cè)定結(jié)果。

        ICP-AES;基體效應(yīng);多元光譜擬合;Th;U

        在釷鈾燃料循環(huán)的后處理流程的研究中,經(jīng)常會(huì)分析大量Th中的U,以及大量U中的Th,Th和U的譜線都比較復(fù)雜,采用原子發(fā)射光譜法將產(chǎn)生嚴(yán)重的光譜干擾[1-3]。因此,必須預(yù)先將樣品進(jìn)行分離純化,消除Th、U的干擾。

        多元光譜擬合(MSF)校正法是一種用于校正光譜干擾的有效方法。MSF 校正法是一種多變量方法,在多個(gè)波長(zhǎng)記錄信號(hào)響應(yīng)值,利用多元線性回歸和最小二乘法進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,從而區(qū)分出分析信號(hào)、干擾信號(hào)以及背景值,有效地用于電感耦合等離子體(ICP)的光譜信息校正光譜干擾,改善方法精密度和檢出限[4]。

        Ivaldi等[5]用MSF 法測(cè)定了鎢鉬基體中的In,對(duì)24個(gè)元素的研究表明,MSF 法得到的檢出限比峰高法改善了2~5倍。陳維青等[6]用多重譜線擬合(MSF)扣除光譜干擾法測(cè)定鋼鐵中磷,每1個(gè)鋼鐵標(biāo)樣溶液重復(fù)10次,存在嚴(yán)重光譜干擾的P 213nm 譜線采用MSF校正后測(cè)定精密度和檢出限最好,比不存在光譜干擾的常用P 178nm譜線精密度高5倍,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(sr)在2%以內(nèi),檢出限也比常用 P 178nm 譜線的小10倍。在研究核燃料后處理Thorex工藝流程中經(jīng)常會(huì)分析大量Th中的U,或者大量U中的Th。然而Th、U的譜線都非常復(fù)雜,Th的大量存在勢(shì)必會(huì)對(duì)微量U的測(cè)定造成嚴(yán)重的光譜干擾,反之亦然。一般都是通過(guò)化學(xué)分離的方式將大量元素分離出去再進(jìn)行電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)的分析測(cè)定。本工作嘗試采用MSF光譜校正法,建立合適的校正模型,對(duì)一定范圍內(nèi)的Th、U比例的樣品不經(jīng)過(guò)化學(xué)分離直接進(jìn)行ICP-AES分析測(cè)定,考察結(jié)果的可靠性。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑和儀器

        U、Th標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000mg/L),優(yōu)級(jí)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;w=65%的HNO3,優(yōu)級(jí)純,蘇州晶瑞有限公司;超純水,電阻率18.2MΩ·cm,由Millipore超純水處理系統(tǒng)制得。

        Optima 8000型ICP-AES,美國(guó)PerkinElmer公司。

        1.2 儀器條件的選擇

        儀器參數(shù)列于表1。

        表1 儀器參數(shù)
        Table 1 Instrument parameters

        參數(shù)(Parameters)數(shù)值(Values)射頻發(fā)生器(RFG)40 68HzRF功率(RFpower)1300W樣品沖洗時(shí)間(Delaytime)30s等離子氣體流量(Plasmagasflowrate)15 0L/min輔助氣流量(Coolantgasflowrate)0 2L/min霧化氣流量(Carriergasflowrate)0 55L/min樣品提升量(Pumprate)1 5mL/min元素及波長(zhǎng)(Elementandwavelength)U409 014nmTh401 913nm

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 將1000mg/L的Th和U標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋到0.1、0.2、0.5、1.0mg/L。

        1.3.2 模擬樣品的配制 分別配制200mg/L的Th和U的溶液作為干擾物質(zhì),樣品信息列于表2。每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣。

        表2 樣品信息表
        Table 2 Information of sample

        No ρ/(mg·L-1)ThUρ(Th)/ρ(U)1#0 12000 1∶2002#0 22000.2∶2003#0 52000.5∶2004#1 02001.0∶2005#2000.1200∶0.16#2000.2200∶0.27#2000.5200∶0.58#2001.0200∶1.0

        1.3.3 多元光譜擬合( MSF)文件的建立

        (1)收集譜圖

        分別收集試劑空白溶液和各待測(cè)元素及基體干擾元素的純?nèi)芤旱淖V圖[7]。所用溶液質(zhì)量濃度為0.2、100mg/L的U和Th,空白溶液采用HNO3。

        (2)建立MSF 文件

        調(diào)出 MSF 數(shù)據(jù)處理程序,打開(kāi)譜圖收集的數(shù)據(jù)庫(kù),在各元素分析線下定義各組分在分析中所起的作用,分析物a、 干擾物 i、空白b,然后建立一個(gè) MSF 文件。利用所建立的MSF 模型分析已知樣品,如結(jié)果不符,可修正模型濃度及定義各組分在分析中所起的作用,直至達(dá)到要求。最后可應(yīng)用此 MSF 模型進(jìn)行常規(guī)分析。

        1.3.4 樣品測(cè)定步驟 依次測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列和配制的模擬樣品溶液,測(cè)得的數(shù)據(jù)調(diào)用MSF模型,比較校正前后結(jié)果的變化。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同波長(zhǎng)下的峰形圖

        圖1是100mg/L的U在401.721~402.099nm范圍的原子發(fā)射譜圖,Th的原子發(fā)射特征波長(zhǎng)為401.913nm。圖2是100mg/L的Th在波長(zhǎng)408.818~409.204nm范圍的原子發(fā)射譜圖,U的原子發(fā)射特征波長(zhǎng)為409.014nm。從圖1可以看出,100mg/L的U在401.913nm Th波長(zhǎng)下,有明顯的吸收峰,造成虛假信號(hào),大量U的存在會(huì)對(duì)Th的測(cè)定造成嚴(yán)重的光譜干擾;U在波長(zhǎng)409.014nm下,大量Th的存在也會(huì)對(duì)U的測(cè)定造成嚴(yán)重的光譜干擾。大量Th中測(cè)U或者大量U中測(cè)Th均會(huì)造成嚴(yán)重的測(cè)量誤差。

        圖1 100mg/L的U在401.721~402.099nm下的譜圖Fig.1 Spectra display of 401.721-402.099nm at U mass concentration of 100mg/L

        圖2 100mg/L的Th在408.818~409.204nm下的譜圖Fig.2 Spectra display of 408.818-409.204nm at Th mass concentration of 100mg/L

        2.2 調(diào)用MSF前后峰形圖的變化

        以3#樣品(ρ(U)=200mg/L,ρ(Th)=0.5mg/L)和7#樣品(ρ(Th)=200mg/L,ρ(U)=0.5mg/L)為例,比較調(diào)用MSF模型前后峰形的變化,結(jié)果示于圖3。從圖3可以看出,經(jīng)過(guò)MSF模型校正后,可以較好地將干擾峰分離出去,得到分析物的峰形更加對(duì)稱完美。

        2.3 調(diào)用MSF模型后結(jié)果的變化

        表3為 401.913nm Th波長(zhǎng)下大量U中Th含量的測(cè)定結(jié)果。從表3可以看出,U質(zhì)量濃度為200mg/L時(shí),模擬樣品中Th質(zhì)量濃度為0.1~1.0mg/L,ICP-AES在Th波長(zhǎng)為401.913nm時(shí)實(shí)測(cè)得的Th質(zhì)量濃度分別為4.50~5.53mg/L,測(cè)量誤差為453%~4400%,嚴(yán)重失真。調(diào)用MSF模型以后,Th在401.913nm波長(zhǎng)下,測(cè)量誤差僅為0.33%~4.13%,精密度為2.01%~3.19%(n=3),均在4%以內(nèi),比較穩(wěn)定,測(cè)定結(jié)果明顯改善。因此,在鈾釷濃度比(ρ(U)/ρ(Th))在200∶0.1~200∶1.0范圍內(nèi),選擇Th波長(zhǎng)為401.913nm,即使不經(jīng)過(guò)預(yù)分離,也能夠?qū)Υ罅縐中Th進(jìn)行較為準(zhǔn)確地測(cè)定。

        表4為409.014nm U波長(zhǎng)時(shí)大量Th中U含量的測(cè)定結(jié)果。從表4可以看出,Th質(zhì)量濃度為200mg/L時(shí),模擬樣品中U質(zhì)量濃度為0.1~1.0mg/L,ICP-AES在U波長(zhǎng)為409.014nm時(shí)實(shí)測(cè)得的U質(zhì)量濃度分別為0.66~1.70mg/L,測(cè)量誤差在70%~560%。調(diào)用MSF模型后,在409.014nm U波長(zhǎng)下,測(cè)量誤差為4%~10%,精密度為0.61%~4.91%(n=3)。因此,在釷鈾濃度比(ρ(Th)/ρ(U))在200∶0.1~200∶1.0范圍內(nèi),選擇U波長(zhǎng)為409.014nm,如果不經(jīng)過(guò)預(yù)分離,選用MSF校正法,對(duì)大量Th中U的測(cè)定能在一定程度上有所改善。

        1——校正前(Before correction),2——校正后(After correction)圖3 ρ(U)/ρ(Th)=200∶0.5和ρ(Th)/ρ(U)=200∶0.5條件下Th(a)、U(b)的譜圖Fig.3 Spectrum of Th(a)and U(b)at ρ(U)/ρ(Th)=200∶0.5and ρ(Th)/ρ(U)=200∶0.5

        表3 Th波長(zhǎng)為401.913nm時(shí)大量U中Th含量的測(cè)定Table 3 Determination of trace Th in U-based at Th 401.913nm

        注(Note):n=3,ρ(U)=200mg/L

        表4 U波長(zhǎng)為409.014nm時(shí)大量Th中U含量的測(cè)定
        Table 4 Determination of trace U in Th-based at U 409.014nm

        No ρ(U)/(mg·L-1)精密度(Precision)/%測(cè)量誤差(Error)/%理論值(Theoreticalvalue)校正前(Beforecorrection)校正后(Aftercorrection)校正前(Beforecorrection)校正后(Aftercorrection)校正前(Beforecorrection)校正后(Aftercorrection)5#0 10 660 111 214 61560106#0 20 770 220 284 91285107#0 51 100 521 080 8912048#1 01 701 101 720 617010

        注(Note):n=3,ρ(Th)=200mg/L

        2.4 檢出限

        在前述儀器條件下,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溶液做工作曲線,運(yùn)用MSF校正測(cè)定200mg/L Th、U基體溶液在U、Th元素所選波長(zhǎng)處的質(zhì)量濃度值,平行測(cè)定 11次,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差,以標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍作為方法的檢出限。

        DL(200mg/L Th)=s(200mg/L Th)×3=
        0.022×3=0.066mg/L U
        DL(200mg/L U)=s(200mg/L U)×3=
        0.007×3=0.021mg/L Th

        即200mg/L Th、U基體溶液對(duì)U、Th元素的檢測(cè)限分別為0.066、0.021mg/L。

        3 結(jié) 論

        (1)通過(guò)建立合適的 MSF 模型,采用 MSF 法測(cè)定大量U中的Th以及大量Th中U,有效地校正光譜干擾和扣除背景值,從而改善了峰形。

        (2)多元光譜擬合( MSF)校正法校正光譜干擾,在ρ(Th)/ρ(U)=200∶0.1~200∶1.0以及ρ(U)/ρ(Th)=200∶0.1~200∶1.0范圍內(nèi),選擇U波長(zhǎng)409.014nm、Th波長(zhǎng)401.913nm,測(cè)定大量Th中的U以及大量U中的Th,能夠有效地減少測(cè)量偏差,運(yùn)用MSF校正測(cè)定200mg/L Th、U基體溶液中的U、Th檢測(cè)限分別為0.066mg/L和0.021mg/L,對(duì)類似樣品的分析具有一定的指導(dǎo)意義。

        [1]Gopalkrishnan M,Radhakrishnan K,Dhami P S,et al. Determination of trace impurities in uranium,thorium and plutonium matrices by solvent extraction and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry[J]. Talanta,1997,44: 169-176.

        [2]Alamelu D,Choudhary A K,Aggarwal S K. Determination of impurities in thoria(ThO2)using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry(LA-ICP-MS)[J]. J Nucl Mater,2010,406: 356-359.

        [3]Fujino O,Umetani S,Ueno E. Determination of uranium and thorium in apatite minerals by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry with solvent extraction separation into diisobutyl ketone[J]. Anal Chim Acta,2000,420: 65-71.

        [4]沈蘭蓀.ICP-AES光譜干擾校正方法的研究[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,1997.

        [5]Ivaldi J,Tracy D,Hoult R,et al. Method and apparatus for comparing spectra: US,5308982[P]. 1994.

        [6]陳維青,陳澤明.多重譜線擬合(MSF)扣除光譜干擾法在電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定鋼鐵中磷的應(yīng)用研究[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2000,17(2):185-189.

        [7]丁莉莉,盧漢兵,郝嘯.多元光譜擬合(MSF)等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定豬肝中的痕量元素Pb和Mo[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,41(4):557-560.

        ICP-AES With MSF for Determination of Th and U

        LUO Yan,CONG Hai-xia,ZHAO Zhong-qi,HU Wei-qing,ZHOU Wei*,HE Shu-hua

        Shanghai Institute of Applied Physics of Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China

        This paper is mainly focused on the determination of trace element Th in U-base and trace element U in Th-base by ICP-AES. The interference elimination study was carried out by the method of MSF technology. At ratios ofρ(U)/ρ(Th)andρ(Th)/ρ(U)is in the range of 200∶0.1to 200∶1.0,the relative deviations are 0.33%-4.13%,4%-10% at 401.913nm of Th and 409.014nm of U,respectively. It was concluded that this method is simple and reliable.

        ICP-AES; matrix effect; MSF; Th; U

        2014-04-08;

        2014-09-22

        中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(釷鈾放射化學(xué)與工程XDA02030000)

        羅 艷(1987—),女,安徽池州人,碩士,助理研究員,環(huán)境工程專業(yè)

        *通信聯(lián)系人:周 偉(1970—),男,上海嘉定人,副研究員,從事放化分析測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)工作,E-mail: zhouwei@sinap.ac.cn

        O657.4

        A

        0253-9950(2015)01-0037-04

        10.7538/hhx.2015.37.01.0037

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