玉永珊
(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004)
稀土元素(Rare Earth Element)是指元素周期表中的一組17種化學(xué)元素,包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu),以及與鑭系的15個元素密切相關(guān)的兩個元素——鈧(Sc)和釔(Y)。這十七個元素?fù)碛兄窒嗨频脑咏Y(jié)構(gòu)、大體接近的化學(xué)活躍度,同時在自然界中基本是以化合物的形式相伴相生。然而,稀土元素的物理和化學(xué)相似性使得它們的測定通常困難而復(fù)雜[1]。過去,利用重量法、滴定法、分光光度法、火焰原子吸收光譜法(F-AAS)和石墨爐原子吸收光譜法(GF-AAS)等經(jīng)典方法準(zhǔn)確測定地質(zhì)樣品中的稀土元素含量和種類等極其困難和耗時,而隨著精密儀器分析技術(shù)的出現(xiàn),想要完成這些任務(wù)變得相對便捷、準(zhǔn)確及高效。在目前常用的實驗儀器和分析測試方法中,儀器中子活化分析(INAA)和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)因其多元素能力、高靈敏度、寬線性動態(tài)范圍、干擾少,操作方便,精度高。此外,X射線熒光光譜法(XRF)和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)也被發(fā)現(xiàn)在此類研究中非常有價值。在此,本文簡要介紹一些常用的稀土元素分析測試方法,包括測試基本結(jié)構(gòu)和原理、分析性能、基本概念和優(yōu)缺點等,以及在地質(zhì)學(xué)上的一些應(yīng)用實例,旨在讓初學(xué)者更快的了解并應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)中[2-7]。
X射線熒光光譜法(XRF)是一種可靠的mg/g級痕量元素分析方法,是利用初級X射線光子或其他微觀粒子激發(fā)待測物質(zhì)中的原子,使之產(chǎn)生熒光(次級X射線)而進(jìn)行物質(zhì)成分分析和化學(xué)態(tài)研究的方法。作為一種常規(guī)的REE分析技術(shù),在準(zhǔn)確性、速度和成本方面與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢,缺點是靈敏度相對較低[8]。按激發(fā)、色散和檢測的方法可將其分為波長色散X射線熒光光譜法(WDXRF)和能量色散X射線熒光光譜法(ED-XRF)。波長色散X射線熒光光譜法所用的波長色散X射線熒光光譜儀,又包括掃描式光譜儀、多元素同時式光譜儀以及將前兩種組合在一起的組合型光譜儀,從儀器的光路結(jié)構(gòu)看,X射線熒光光譜儀依然采用布格拉定律,但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在分析性能和分析速度上有了飛速的發(fā)展。能量色散X射線熒光光譜法(ED-XRF)所用的能量色散X射線熒光光譜儀,在20世紀(jì)80年代,能量色散X射線熒光光譜儀有液氮冷卻的Si(Li)半導(dǎo)體探測器與X射線及高壓電源組成的譜儀和非色散型可攜式譜儀,隨著新技術(shù)的發(fā)展,還發(fā)展出偏振型XRF光譜儀、全反射XRF光譜儀和μ-XRF光譜儀。有關(guān)WD-XRF光譜儀和ED-XRF光譜儀基本性能和特點見表1。WD-XRF和ED-XRF兩種方法均已成功應(yīng)用于地質(zhì)中REE的測定。比如,周偉等采用配置人工標(biāo)準(zhǔn)樣品,解決了現(xiàn)有稀土標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)較少的問題,加入高純稀土氧化物L(fēng)a2O3、CeO2、Y2O3擴(kuò)展了La、Ce、Y的線性范圍,利用人工標(biāo)準(zhǔn)樣品和現(xiàn)有稀土標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、碳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制作工作曲線,建立了XRF測定稀土礦石、礦化樣品中25種主量元素和稀土元素的分析方法。王建其用28個不同類型的巖漿巖及沉積巖標(biāo)樣和6個不同標(biāo)樣的混合物做外標(biāo),采用四硼酸鉀熔劑熔融制樣,經(jīng)驗系數(shù)法進(jìn)行集體校正,建立了一種XRF分析各類巖石樣品準(zhǔn)確測定不同巖石類型中SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2等10種主量元素的方法。
表1 WD-XRF光譜儀和ED-XRF光譜儀基本性能和特點比較
儀器中子活化分析(INAA)因其靈敏度高、準(zhǔn)確度高、精密度好、可多元素同時分析、非破壞性分析、基體效應(yīng)小、分析速度快的分析技術(shù),因而廣泛的用于地質(zhì)、工業(yè)等領(lǐng)域。中子活化分析利用核反應(yīng)進(jìn)行分析:用一定能量的中子流照射待測樣品,使中子與待測的核素發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生新的放射性核素,通過測定放射性元素的活度定性的測量待測元素,再根據(jù)射線強(qiáng)度、中子通量、反應(yīng)周期以及半衰期等,確定被測元素的含量[9-15]。儀器中子活化分析雖然INAA存在干擾反應(yīng)的缺點,但通過選擇合適的測量條件(如不同的“冷卻”時間)和高分辨γ譜儀,則可以在很大程度上克服這一缺點。同時,隨著中子發(fā)生器和反應(yīng)堆工程等技術(shù)及同位素中子源的發(fā)展,以及高分辨率探測器的出現(xiàn)和計算機(jī)的應(yīng)用,這很大提高了中子活化分析的元素鑒別能力和自動化分析水平。李梅等通過采用儀器中子活化分析法測定了金屬釔中Pr,Gd,Lu,Ho,Ce,La,Er等7種稀土元素的含量,并計算了這些元素的檢出限,標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的分析結(jié)果與推薦值基本相符。周蓉生通過測量某剖面中多個樣品中的28種元素,并將Sb、Ag、As、W、Mo、Au、Ba的含量與地殼中的平均克拉克值對比時,發(fā)現(xiàn)Au的比值達(dá)到6,Ag的比值高達(dá)25,從而總結(jié)出該區(qū)貴金屬相對富集,該層位是找礦的有利地段的結(jié)論[16,17]。
電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)是一種多元素分析技術(shù),用于準(zhǔn)確測定各種地質(zhì)樣品中常量、微量和稀土元素。液體樣品被轉(zhuǎn)化為氣溶膠水溶液并輸送到高溫電感耦合等離子體。在等離子體中,樣品經(jīng)歷去汽化、溶劑化、原子化和電離。然后,原子和離子從等離子體中吸收能量,導(dǎo)致其中的電子從一個能級移動到另一個能級。當(dāng)電子回落到基態(tài)時,會發(fā)射特定于每個元素的波長的光。然后將已知濃度的標(biāo)樣強(qiáng)度和測得的發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行比較,最終獲得未知樣品中的相應(yīng)元素濃度[18-26]。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法可以同時測量近乎60種元素,具有靈敏度高和十分寬的線性動態(tài)范圍,這大概是ICP-OES最突出的特點。劉小林通過采用過氧化鈉熔融分解樣品,在5%硝酸介質(zhì)中,用ICP–OES直接測定稀土礦石中15種稀土元素并以稀土礦石國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)做準(zhǔn)確度實驗,各稀土元素的分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差小于相對誤差允許限。韓曉通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定銅原礦和尾礦中的銅、鉛、鋅、鎳、鈷、鎘、鎂和錳含量,并對不同含量的銅尾礦樣品進(jìn)行了獨立測定,結(jié)果表明數(shù)據(jù)無異常,由此可見電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法法準(zhǔn)確度較高,精密度好,能滿足測定需求。
起源于20世紀(jì)80年代激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù),是以電感耦合等離子體為離子源,以質(zhì)譜計進(jìn)行檢測的無機(jī)多元素分析檢測技術(shù)。被分析樣品通常以氣溶膠水溶液形式進(jìn)人氬氣流中,然后在射頻能量激發(fā)的大氣壓下進(jìn)入氬等離子體中心區(qū)。等離子體的高溫使樣品脫溶,蒸發(fā),解離和離子化。部分等離子體通過不同的壓力區(qū)進(jìn)入真空系統(tǒng)。同時在真空系統(tǒng)中,正離子根據(jù)它們的質(zhì)量電荷比被拉出和分離。然后探測器將離子轉(zhuǎn)換成電子脈沖,再由積分測量電路計數(shù)。電子脈沖的大小與樣品中分析離子的濃度有關(guān)。通過與已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或參考物質(zhì)的比較,可以達(dá)到未知樣品中痕量元素的定量分析。電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICPMS)因其操作簡單、優(yōu)異的靈敏度、干擾小、精密度高、準(zhǔn)確度好等特點,同時幾乎可以測定周期表上的元素,因而在地質(zhì)學(xué)上應(yīng)用廣泛。時曉露利用硫酸銨溶液對離子型稀土進(jìn)行了間歇式攪拌浸出,浸出液去除鹽分后,用ICP-MS測定浸出型稀土的含量,結(jié)果滿意,表明該方法可用于大批量離子型稀土礦中浸出性稀土含量的測定。張楠等通過用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS),測定出綠輝石單礦物中14個痕量稀土元素。
以往稀土元素分析測試方法由于測試精度和測試方法等限制,因而在地質(zhì)學(xué)上的應(yīng)用受到限制,盡管目前主流的稀土元素分析測試方法尚有一些不足,如存在干擾、精度高但時效慢等,但隨著精密儀器的開發(fā)應(yīng)用,以及分析測試技術(shù)和方法的不斷完善,應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)上的稀土元素分析測試方法更加廣泛。