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        溶液緩沖劑發(fā)射光譜法在地質(zhì)樣品多元素測定中的應(yīng)用

        2019-12-13 02:03:46
        分析儀器 2019年6期
        關(guān)鍵詞:緩沖劑氟化重復(fù)性

        (北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司,北京市物質(zhì)成分分析儀器工程技術(shù)研究中心、北京市企業(yè)技術(shù)中心,北京 100095)

        1 引言

        電弧發(fā)射光譜法由于其可同時(shí)、快速測定復(fù)雜基體的巖礦中的多種元素,且測定檢出限低,測定范圍較寬,在地質(zhì)化探領(lǐng)域一直占據(jù)不可替代的位置。

        北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司研制出的AES-8000全譜交直流電弧發(fā)射光譜儀是專門為地質(zhì)、有色等行業(yè)研發(fā)的直讀光譜儀。地質(zhì)工作的巨大樣品量不僅需要快速測定的直讀光譜儀,更需要簡單快速的測定方法來減輕工作量?,F(xiàn)地質(zhì)行業(yè)主流方法是廊坊物探所的《發(fā)射光譜法測定勘察地球化學(xué)樣品中銀硼錫鉬鉛》[1],其采用的是固體緩沖劑(后面出現(xiàn)的“固體緩沖劑”均特指此文中的緩沖劑。)。

        以溶液作為緩沖劑的方法早已問世[2],該以溶液形式加入到試料電極中測定銀、鉬等。由此可知,加入溶液緩沖劑進(jìn)行光譜定量測定不是什么難題,但它的簡便、實(shí)用卻引人注目。

        為提高測量效率,現(xiàn)選用氟化銨溶液作為緩沖劑,省去了最為耗時(shí)的稱量和磨樣的前處理時(shí)間,大大提高了工作效率,也節(jié)約了大量固體緩沖劑的成本,更加環(huán)保。且該方法在保證Ag、Sn、B指標(biāo)變化不大的前提下,增加了Be、Co、Cr、Ni、V等多元素的同步定量測定,滿足了用戶進(jìn)一步的要求。

        由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,本方法對Ag、Sn、B、Mo、Pb、Be、Co、Cr、Ni、V元素檢測的準(zhǔn)確度較高,且同時(shí)適用于水系沉積物和土壤樣品的測定,可以滿足用戶的日常生產(chǎn)需求。

        2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 儀器與工作條件

        2.1.1儀器及參數(shù)

        AES-8000全譜交直流電弧發(fā)射光譜儀(北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司),Ebert-Fastic光學(xué)系統(tǒng)分光,CMOS檢測器,光柵刻線密度2400條/mm,焦距600mm,線色散率達(dá)到0.64nm/mm,理論光譜分辨率達(dá)到0.0031nm(300nm),光欄3.2mm,自動(dòng)對準(zhǔn)、自動(dòng)控溫水冷電極夾[3]。

        上、下電極對光時(shí),上電極距光欄上沿1mm,下電極距光欄下沿3mm。

        2.1.2光源

        交直流電弧發(fā)生器,交流電弧,4.5A預(yù)燃,5s后切換為14.5A,保持40s曝光。

        2.1.3標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)系列

        合成硅酸鹽光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07701~GBW07709),基物(地礦部物化探研究所)。

        2.1.4試樣制備

        標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)系列、基物和樣品處理方法相同,裝入下電極中壓實(shí),碾平電極口。先滴加一滴蔗糖溶液以利于緩沖劑滲透,且能有效防止激發(fā)時(shí)樣品的噴濺。再滴加1滴氟化銨溶液,滴液時(shí)保持液珠覆蓋在樣品上,不流出電極頭,待滲透充分之后,100℃烘干備用。

        液體緩沖劑取樣器采用一次性塑料滴管,同批樣品用同一滴管,取樣量的差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。

        氟化銨在水中水解出少量氫氟酸能與玻璃反應(yīng)溶解出少量硼,作為液體緩沖劑會(huì)嚴(yán)重影響樣品中微量硼的測定,實(shí)驗(yàn)中也證明了這一點(diǎn),譜圖顯示硼元素譜峰強(qiáng)度巨大。所以氟化銨溶液配制及儲(chǔ)存都應(yīng)用塑料(如特氟龍)制品,如滴管、移液器、燒杯、容量瓶等。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 電極的選擇

        做深電極(?4mm×6mm×0.7mm)和普通電極(?3.8mm×4mm×0.6mm)的對比實(shí)驗(yàn)。當(dāng)采用深電極時(shí),樣品量增加,倍數(shù)和檢出限有明顯提高,但是相應(yīng)的蒸發(fā)時(shí)間拉長,背景加深,弧焰不穩(wěn)定,導(dǎo)致重復(fù)性和準(zhǔn)確度變差。故選用普通電極。

        3.2 緩沖劑的選擇

        3.2.1溶液緩沖劑對分析元素蒸發(fā)的影響

        陰離子效應(yīng):選用氟化銨液體緩沖劑,利用元素的鹵化反應(yīng),使待測元素形成易揮發(fā)的鹵化物,縮短蒸發(fā)時(shí)間[4],分析元素相對的得到分離富集,減弱或消除了基體元素的干擾,使得分析元素與基體元素得到有效分餾;而待測元素具有相似的蒸發(fā)行為,蒸發(fā)時(shí)間相近,則待測元素之間的分餾效應(yīng)被消除。從而提高了分析元素的靈敏度和準(zhǔn)確度。

        陽離子效應(yīng):電弧激發(fā)時(shí),銨鹽大部分揮發(fā),部分被分解,出現(xiàn)高激發(fā)電位氮分子相對富集[5],形成了一個(gè)穩(wěn)定的等離子體,這穩(wěn)定了光源和電弧溫度,并改善了弧焰中蒸發(fā)物質(zhì)的分布,延長了待測元素在弧焰中的停留時(shí)間,使分析元素得到相應(yīng)的富集,從而使其譜線強(qiáng)度增大,降低了分析元素的檢出限。

        3.2.2緩沖劑濃度的選擇

        選擇10%(1滴、2滴)、15%(1滴、2滴)、20%(1滴)和30%(1滴)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對比后發(fā)現(xiàn),10%(2滴)、15%(1滴)和20%(1滴)指標(biāo)較好,相差并不很明顯。但2滴的滲透時(shí)間過長且容易流液,增加了前處理的時(shí)間成本和難度,故選擇1滴。20%的緩沖劑滲透后在電極頭表面形成的結(jié)晶過多,使激發(fā)時(shí)弧焰不穩(wěn)定,重復(fù)性較差。15%的緩沖劑對于5元素的倍數(shù)和準(zhǔn)確度都比20%的緩沖劑要好,且濃度低易于配制和滲透,更環(huán)保,故選擇15%的NH4F溶液作為緩沖劑。

        3.2.3倍數(shù)

        算出合成硅酸鹽光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSES I-7(ST-7)絕對強(qiáng)度GSES I- 1(ST-1)絕對強(qiáng)度的倍數(shù),可看出梯度大小。如表1所示。

        表1 固體緩沖劑與氟化銨液體緩沖劑倍數(shù)對比(ST-7/ST-1)

        氟化銨液體緩沖劑的Ag、Sn、B元素倍數(shù)相對于固體緩沖劑均有提高;其他元素,除Mo、Pb、Be外,倍數(shù)也均有所提高。與固體緩沖劑相比,液體緩沖劑的裝樣量增加了一倍左右,所以相應(yīng)的待測元素絕對強(qiáng)度增加明顯,背景降低,靈敏度提高。氟化銨緩沖劑有利于多數(shù)元素的蒸發(fā),但對個(gè)別元素蒸發(fā)效果不是很理想。

        3.3 蒸發(fā)曲線和積分時(shí)間的選擇

        為了圖表清晰,現(xiàn)只顯示主要元素(Ag、Sn、B)及基體元素(Fe、Mg、Ca)的蒸發(fā)曲線,如圖1所示。

        圖1 主要元素(Ag、Sn、B)及基體元素(Fe、Mg、Ca)的蒸發(fā)曲線

        根據(jù)蒸發(fā)曲線判斷,大部分分析元素在36s前已經(jīng)基本蒸發(fā)出來,而Cr和V蒸發(fā)高峰較晚,Be則較快(25s),所以采取分段積分的方法,分別對不同元素截取合適的曝光時(shí)間,進(jìn)行積分。積分時(shí)間過長會(huì)加深背景,過短則會(huì)使重復(fù)性變差。所以積分時(shí)間的選擇很重要。

        從圖中也可以看出,氟化銨液體緩沖劑對于待測元素與基體元素的分餾效應(yīng)。

        根據(jù)蒸發(fā)曲線確定各個(gè)元素的積分時(shí)間,如表2所示。

        表2 各元素的積分時(shí)間

        對于基體組成復(fù)雜的地質(zhì)樣品,一般采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行光譜定量分析。利用內(nèi)標(biāo)的光強(qiáng)來控制分析元素譜線強(qiáng)度的變動(dòng),從而消除或減小由于光源波動(dòng)、元素蒸發(fā)行為、譜線激發(fā)過程等各種干擾因素對譜線強(qiáng)度的影響[6]。由于液體緩沖劑不含有內(nèi)標(biāo)元素,故不能利用該方法進(jìn)行重復(fù)性校正,重復(fù)性會(huì)受到一定的影響。

        3.4 工作曲線

        用合成硅酸鹽光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSES I-1~ GSES I-9 即ST-1~ST-9)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

        3.5 方法檢出限

        按照本方法,對合成硅酸鹽光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSES I)即基物滴加緩沖劑處理后,平行測定12次,即相當(dāng)于進(jìn)行12次樣品空白測定,測定結(jié)果以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得到方法檢出限,如表3所示。

        表3 氟化銨液體緩沖劑各元素的檢出限 μg/g

        從表3結(jié)果可以看出,Ag, Sn, B,Mo, Pb, Be, Co, Cr, Ni, V均能滿足DZ/T 0130-2006地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范的檢出限要求[7]。

        3.6 控樣的校正作用

        由于實(shí)際樣品的基體比合成硅酸鹽光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基體復(fù)雜許多,且各不相同,故選用7個(gè)國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(水系沉積物、土壤和巖石系列)作為控樣(以三角▲顯示),對標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行校正。Sn、V校正前后曲線和準(zhǔn)確度對比,如圖2、3、4、5和表4所示,可以看出,校正后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度更好。對于含量均較低的錫,控樣離標(biāo)線較遠(yuǎn),控樣的校正作用較大,校正前后的準(zhǔn)確度相差較大;而對于倍數(shù)和含量均較高的釩,控樣和標(biāo)線基本重合,校正幅度較小,校正前準(zhǔn)確度基本在合格范圍內(nèi),校正前后數(shù)據(jù)差別不是很大。

        圖2 Sn校正前曲線

        圖3 Sn校正后曲線

        圖4 V校正前曲線

        圖5 V校正后曲線

        表4 對比校正前、后Sn、V的準(zhǔn)確度

        3.7 方法重復(fù)性和方法準(zhǔn)確度

        3.7.1公式

        (1)

        (2)

        式中:Ci為每個(gè)GBW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)12次實(shí)測值的平均值;Cs為GBW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值;n為每個(gè)GBW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量參數(shù);Ci為每個(gè)GBW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)單次實(shí)測值。

        3.7.2方法重復(fù)性

        以12個(gè)國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW水系沉積物、土壤和巖石)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),每個(gè)樣品進(jìn)行12次平行測定,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)結(jié)果如表5所示。

        表5 方法的重復(fù)性

        從表中可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性均小于15%,具有較好的重復(fù)性,可以滿足地質(zhì)生產(chǎn)單位一般樣品的重復(fù)性要求。

        3.7.3方法準(zhǔn)確度

        測定國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(水系沉積物、土壤)中各元素的含量,結(jié)果如表6所示。

        表6 方法的準(zhǔn)確度

        由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,本方法準(zhǔn)確度較高,且檢測范圍較寬,可以滿足DZ/T 0130-2006地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范中1∶50000的要求[6],且本方法同時(shí)適用于水系沉淀物、土壤樣品和部分巖石樣品的測定。

        4 結(jié)論

        本方法經(jīng)過國家標(biāo)準(zhǔn)樣品和用戶野外實(shí)際樣品試驗(yàn),對于以硅酸鹽為主的巖石、土壤和水系沉積物樣品,測試結(jié)果比較可靠。且前處理簡單、快捷,適于地質(zhì)生產(chǎn)型單位大量化探、找礦樣品的批量測定,省去了大部分的人力和時(shí)間成本。

        但本方法僅經(jīng)過小批量樣品檢驗(yàn)或部分元素經(jīng)過大批量樣品檢驗(yàn),還有必要在生產(chǎn)中多次大批量實(shí)踐,以充分證明其可靠性。

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