成 立

（山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東 泰安 271000）

地質(zhì)礦物元素的成份分析是地質(zhì)礦物研究中的重要內(nèi)容，在地質(zhì)礦物元素成份分析過程中，由于礦物元素成份復(fù)雜，傳統(tǒng)地質(zhì)礦物元素成份分析方法存在誤差大、礦物元素成份分析不全等問題。因此，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，將電感耦合等離子體高溫電離特性及質(zhì)譜儀低檢出限特性結(jié)合起來，形成一種強(qiáng)有力的多元素同時測定、檢出限低的痕量元素分析技術(shù)。電感耦合等離子體質(zhì)譜法可以應(yīng)用于多種分析領(lǐng)域，但效果最為理想的就是地質(zhì)領(lǐng)域。電感耦合等離子體質(zhì)譜法除進(jìn)行地質(zhì)礦物元素分析外，在同位素比值分析、形態(tài)分析等方面的研究應(yīng)用已有大量報(bào)道。在使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析過程中，需要注意的是分析信號會隨著時間而發(fā)生漂移。有效結(jié)合內(nèi)標(biāo)法能夠校正由于儀器信號波動對分析結(jié)果所產(chǎn)生的變化，以保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。內(nèi)標(biāo)元素一般指的是測定樣品本中不含或者含量很低的微量元素，電離能與樣本分析元素接近、對分析結(jié)果造成的干擾較少。

1 基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的地質(zhì)礦物元素成份分析方法

針對上述存在的問題，以下將進(jìn)行電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要分為兩部分，分別為感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析的方法設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì)。

1.1 分析地質(zhì)礦物元素成份

利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定地質(zhì)礦物元素成份的實(shí)質(zhì)就是利用高頻振蕩器發(fā)生的高頻電流，經(jīng)過耦合系統(tǒng)連接在位于等離子體發(fā)生管上端，銅制內(nèi)部用水冷卻的管狀線圈上。石英制成的等離子體發(fā)生管內(nèi)有三個同軸氬氣流經(jīng)通道。冷卻氣通過外部及中間的通道，環(huán)繞等離子體起穩(wěn)定等離子體炬及冷卻石英管壁，防止管壁受熱熔化的作用。工作氣體則由中部的石英管道引入，開始工作時啟動高壓放電裝置讓工作氣體發(fā)生電離，被電離的氣體經(jīng)過環(huán)繞石英管頂部的高頻感應(yīng)圈時，線圈產(chǎn)生的巨大熱能和交變磁場，使電離氣體的電子、離子和處于基態(tài)的氖原子發(fā)生反復(fù)猛烈的碰撞，各種粒子的高速運(yùn)動，導(dǎo)致氣體完全電離形成一個類似線圈狀的等離子體炬區(qū)面，此處溫度高達(dá)6000℃～10000℃。地質(zhì)礦物樣品經(jīng)處理制成溶液后，由超霧化裝置變成全溶膠由底部導(dǎo)入管內(nèi)，經(jīng)軸心的石英管從噴咀噴入等離子體炬內(nèi)[1]。地質(zhì)礦物樣品氣溶膠進(jìn)入等離子體焰時，絕大部分立即分解成激發(fā)態(tài)的原子、離子狀態(tài)。當(dāng)這些激發(fā)態(tài)的粒子回收到穩(wěn)定的基態(tài)時要放出一定的能量，測定每種元素特有的譜線和強(qiáng)度，和標(biāo)準(zhǔn)溶液相比，就可以知道地質(zhì)礦物樣品中所含元素的種類和含量，如圖1所示。

圖1 電感耦合等離子體質(zhì)譜法地質(zhì)礦物元素成份分析

根據(jù)圖1可知，電感耦合等離子體質(zhì)譜法地質(zhì)礦物元素成份分析既能用于導(dǎo)體又能用于非導(dǎo)體。因此，不需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，前期準(zhǔn)備簡單，適用于固體、液體、氣體等的檢測，幾乎不會造成任何污染現(xiàn)象。以此同時，由于對樣品處理簡單，整個檢測分析屬于無損檢測，可以減小對樣品的破壞性?？紤]到進(jìn)樣系統(tǒng)對樣品的保護(hù)能力，檢測分析所需樣品量少。并且整個流程不但不受惡劣條件限制，還可以同時進(jìn)行多組分析。最后，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離地進(jìn)行在線獲取地質(zhì)礦物成分信息。檢測分析過程簡單快速，所涉及的物質(zhì)蒸發(fā)和激化均可一次性完成。

1.2 計(jì)算地質(zhì)礦物元素成份準(zhǔn)確系數(shù)

結(jié)合上文提到的電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素的成份分析，對礦物元素成份分析結(jié)果的準(zhǔn)確系數(shù)的算法進(jìn)行計(jì)算。利用二次元強(qiáng)度折減法，通過對分析出的礦物元素種類和礦物元素成份所占比例進(jìn)行線性計(jì)算，得出礦物元素成份分析結(jié)果的準(zhǔn)確值，其公式為：

公式（1）中，表示為分析出的礦物元素種類；表示為未分析出的礦物元素種類；和表示為礦物元素強(qiáng)度指標(biāo)；表示為分析出的礦物元素成份所占比例；表示為未分析出的礦物元素成份所占比例。

在利用二次元強(qiáng)度折減法進(jìn)行對礦物元素成份分析結(jié)果的準(zhǔn)確值計(jì)算時，對于局部熱平衡過程的確定可通過對RE發(fā)生器的典型溫度進(jìn)行分析。由Boltzman定律可知，可以采用分光系統(tǒng)檢測器確定潛在礦物元素成份，并結(jié)合內(nèi)標(biāo)法校正由于信號波動對分析結(jié)果所產(chǎn)生的影響。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為進(jìn)一步驗(yàn)證電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析中的有效性，設(shè)計(jì)以下仿真實(shí)驗(yàn)。考慮到電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析方法是一種簡單、快捷的分析手段，可實(shí)現(xiàn)對多種元素進(jìn)行同時分析。更為顯著的優(yōu)點(diǎn)是對樣品基本不需要進(jìn)行任何的預(yù)處理。因此，實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備較為簡單。采用小型化的電感耦合等離子體質(zhì)譜法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要組成部分為激發(fā)源、樣品臺、微型光譜儀和計(jì)算機(jī)等。其中固體脈沖激光器輸出波長為1586nm，脈沖寬度9ns，最大單脈沖能量超過50mJ，光譜響應(yīng)范圍為190nm～990nm。實(shí)驗(yàn)對象選用10組完全相同的地質(zhì)礦物樣本，首先采用傳統(tǒng)的地質(zhì)礦物元素成份分析方法進(jìn)行測定，其次采用相同方法使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對地質(zhì)礦物元素成份進(jìn)行分析，將兩種分析方法所得地質(zhì)礦物元素成份的準(zhǔn)確值進(jìn)行對比，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

將上述收集的數(shù)據(jù)整理并分析，結(jié)合公式（1），將兩種分析方法所得地質(zhì)礦物元素成份的準(zhǔn)確值繪制曲線圖，如圖2所示。

根據(jù)圖2可明顯看出，電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析的準(zhǔn)確值高于傳統(tǒng)的地質(zhì)礦物元素成份分析方法。通過實(shí)驗(yàn)時間可知，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測試所需的時間比傳統(tǒng)的地質(zhì)礦物元素成份分析方法更少。因此，電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析具有準(zhǔn)確率高、效率高的優(yōu)勢，為地質(zhì)礦物元素成份分析提供了有效的方法。

圖2 兩種分析方法準(zhǔn)確值對比圖

3 結(jié)束語

為了通過科學(xué)的手段對地質(zhì)礦物元素成份進(jìn)行分析，文章開展了電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份分析中的應(yīng)用的研究。通過對電感耦合等離子體質(zhì)譜法在地質(zhì)礦物元素成份的方法設(shè)計(jì)，為地質(zhì)礦物元素成份分析提供技術(shù)支持。盡管文章設(shè)計(jì)的方式可以實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)礦物元素成份準(zhǔn)確定量，但仍缺乏一些實(shí)踐來證明技術(shù)的有效性，因此應(yīng)加大該技術(shù)的在地質(zhì)礦物元素成份分析方面的應(yīng)用。結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)的不斷優(yōu)化，在后期礦產(chǎn)資源的發(fā)展提供正確的指導(dǎo)方向。