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電感耦合等離子體光譜法研究測(cè)定地?zé)崴袖?/h1>
2021-12-08 09:55:36張辰凌劉冰冰
光譜學(xué)與光譜分析 2021年12期
關(guān)鍵詞:徑向軸向基體

張辰凌,賈 娜,劉 佳,劉冰冰,韓 梅

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050061

引 言

地?zé)崴怯傻刭|(zhì)作用形成,儲(chǔ)藏于地球內(nèi)部的地下水,可以作為熱源、水源和礦物資源加以利用[1-3]。地?zé)崴V物質(zhì)種類豐富,鈉、鉀、鈣、鎂等無機(jī)鹽組分含量高。鋰是最輕的金屬元素,在地殼中的含量約為0.006 5%,廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、光電等行業(yè)[4-6],在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占重要的戰(zhàn)略地位。我國(guó)液體鋰礦資源豐富[7-10],多地地下水及鹽湖水鋰儲(chǔ)量可觀。開發(fā)一種快速準(zhǔn)確的分析測(cè)試方法,對(duì)鋰礦的勘測(cè)、開發(fā)、利用具有重要的意義。

電感耦合等離子體光譜法(ICP-OES)具有靈敏度高、線性范圍寬、多元素同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、環(huán)境和生物等領(lǐng)域中鋰元素的分析。然而,由于地?zé)崴泻休^高濃度的鈉、鉀、鈣、鎂等易電離元素,等離子炬中的離子和電子過于豐富,嚴(yán)重的基體效應(yīng)會(huì)帶來測(cè)試誤差[11]。雖然標(biāo)準(zhǔn)加入法、基體匹配法可降低這些干擾,但是方法操作繁瑣,不適用于大批量樣品分析。

目前多數(shù)的等離子體光譜儀都能提供軸向、徑向兩種觀測(cè)方式。一般來說軸向觀測(cè)靈敏度高,干擾嚴(yán)重; 徑向觀測(cè)靈敏度低,干擾少。本實(shí)驗(yàn)探討兩種觀測(cè)方式下地?zé)崴w對(duì)鋰的測(cè)試影響。采用改進(jìn)的部分基體匹配法,對(duì)地?zé)崴畼悠愤M(jìn)行分析測(cè)試。方法快速、準(zhǔn)確,試用于不同基體類型的地?zé)崴袖嚨姆治鰷y(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Optima8000,美國(guó)PerkinElmer公司),電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(820-MS,美國(guó)Varian公司)。鋰標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 000 mg·L-1,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院); 實(shí)驗(yàn)用藥品NaCl、KCl、無水CaCl2、無水MgCl2、硝酸均為優(yōu)級(jí)純(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司); 實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。地?zé)崴疄榛w組成不同的三種地?zé)崴?檢測(cè)方法為電感耦合等離子體光譜法),見表1。

表1 地?zé)崴M分表Table 1 Composition of geothermal water samples

1.2 方法

儀器條件,波長(zhǎng)670.780 nm,功率1 300 W,冷卻氣12.0 L·min-1,輔助氣0.20 L·min-1,霧化氣0.70 L·min-1。鋰標(biāo)準(zhǔn)溶液及樣品(包括加標(biāo)回收率試驗(yàn)和稀釋法試驗(yàn)中各組樣品)中再加入2 000 mg·L-1Na+,采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈉、鉀、鈣、鎂的影響

鋰在波長(zhǎng)670.780 nm處信噪比高,且鈉、鉀、鈣、鎂在該波長(zhǎng)附近幾乎無譜線重疊,光譜干擾小。但是地?zé)崴袩o機(jī)鹽含量高,樣品組成與標(biāo)準(zhǔn)溶液存在差異,導(dǎo)致進(jìn)樣量、霧化效率、激發(fā)態(tài)原子或離子數(shù)量不同,從而造成分析誤差。圖1為水中2 000 mg·L-1K+,Na+,Ca2+,Mg2+分別對(duì)1.0 mg·L-1鋰的影響結(jié)果。由圖可見,徑向觀測(cè)受共存離子影響小,回收率在97.1%~115.0%之間,鈣的增敏作用略大于其他三種元素。軸向觀測(cè)方式下,四種離子對(duì)鋰有大幅度的增敏作用。其中,鈉增幅最大,可達(dá)到310%,鉀為270%,鈣鎂大致220%。此外,對(duì)比單離子基體與四種離子共存基體對(duì)鋰的測(cè)試干擾。徑向觀測(cè)中,鉀鈉鈣鎂共存條件下鋰的強(qiáng)度小于單鈣離子下的增敏作用; 軸向觀測(cè)中,四種離子條件下鋰的強(qiáng)度小于單鈉離子下的增強(qiáng)作用。因而,鉀鈉鈣鎂對(duì)鋰的增敏作用不是簡(jiǎn)單加和。

圖1 共存離子的影響Fig.1 Effects of co-existing ions on lithium determination

2.2 儀器參數(shù)優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),射頻功率與觀測(cè)高度對(duì)增敏作用影響不大,而霧化氣流速有很大影響。圖2為Na+,K+,Ca2+,Mg2+四種離子共存條件下(濃度均為2 000 mg·L-1),霧化氣流速的影響。如圖2所示,較低流速下,響應(yīng)強(qiáng)度隨霧化氣流速增大而減小; 中高流速下,鋰的信號(hào)強(qiáng)度隨霧化氣流速的增大而增大。軸向觀測(cè)方式,當(dāng)霧化氣流速為0.80 L·min-1,鋰的回收率達(dá)到300%。

圖2 霧化氣流量的影響Fig.2 Influence of atomizer flow

在鈉鉀鈣鎂含量2 000 mg·L-1條件下,軸向觀測(cè)和徑向觀測(cè)的最佳流速分別為0.50和0.55 L·min-1。但是由于這四種元素對(duì)鋰的增敏程度各異,且這種增敏強(qiáng)度不是離子強(qiáng)度的簡(jiǎn)單加和,在大批量地?zé)崴疁y(cè)試中,基體組成相差很多,很難通過調(diào)整霧化氣流速得到滿意的強(qiáng)度。此外,地?zé)崴畼悠窡o機(jī)鹽含量高,霧化氣流速過低會(huì)導(dǎo)致霧化效果差,測(cè)試穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度降低。因此,需要探索其他方法減小基體干擾。

2.3 部分基體匹配法

由于地?zé)崴泻孔疃嗟慕M分是氯化鈉,在標(biāo)準(zhǔn)系列及待測(cè)樣品中加入氯化鈉,探索部分基體匹配法對(duì)鋰的測(cè)定的影響。配置4組1.0 mg·L-1Li+模擬樣品(均含四種基體離子,離子濃度均為0,100,200,500,1 000,1 500和2 000 mg·L-1),分別加入一定量Na+,濃度分別為500,2 000,4 000和6 000 mg·L-1。圖3和圖4分別是徑向觀測(cè)和軸向觀測(cè)條件下Na+加入量對(duì)鋰的測(cè)定影響。從圖3可以看出,徑向觀測(cè)方式下,加入500 mg·L-1Na+,鋰的測(cè)試回收率在95%~105%之間,即可滿足地?zé)崴锈c、鉀、鈣、鎂含量在2 000 mg·L-1之內(nèi)的鋰的測(cè)試要求。

圖3 徑向觀測(cè)下Na+加入量的影響Fig.3 Influence of Na+ addition on radial determination

由圖4可以看出,在模擬地?zé)崴w中加入500 mg·L-1Na+,軸向觀測(cè)方式下鋰的ICP-OES回收率較不加Na+有很大改善。在鈉、鉀、鈣、鎂含量都為2 000 mg·L-1時(shí),回收率由300%降至130%。而在標(biāo)準(zhǔn)系列及樣品基體中加入2 000 mg·L-1Na+,回收率穩(wěn)定保持在95%~105%之間,可以很好的消除干擾,滿足ICP-OES軸向觀測(cè)鋰的測(cè)試要求。因此,在實(shí)際測(cè)試中,樣品中加入NaCl溶液使得Na+濃度為2 000 mg·L-1,采用軸向和徑向兩種觀測(cè)方式進(jìn)行測(cè)定均可得到滿意的結(jié)果。

圖4 軸向觀測(cè)下Na+加入量的影響Fig.4 Influence of Na+ addition on axial determination

2.4 方法檢出限

按照1.2節(jié)中樣品分析流程,連續(xù)測(cè)定空白溶液12次,以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為儀器檢出限,以10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測(cè)定下限。表2為部分基體匹配法與傳統(tǒng)無基體匹配法進(jìn)行對(duì)比,部分基體匹配法檢出限及測(cè)定下限并無顯著增大。

表2 檢出限Table 2 Determination limits

2.5 稀釋法驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPA200.7[12]方法中對(duì)干擾的判定,對(duì)比樣品稀釋前后測(cè)定結(jié)果,驗(yàn)證樣品基體的干擾影響,進(jìn)而判斷本方法對(duì)不同基體的穩(wěn)定性。表3為實(shí)際樣品原樣及稀釋1倍后實(shí)驗(yàn)結(jié)果??梢钥闯觯瑑煞N觀測(cè)方式鋰的測(cè)試結(jié)果相一致,RSD在0.14%~1.63%之間。稀釋試驗(yàn)系數(shù)為98.6%~102.0%,原樣和稀釋樣擬合良好,完全滿足±10%的要求。

表3 稀釋驗(yàn)證試驗(yàn)Table 3 Dilution test

2.6 樣品加標(biāo)回收率

從表4可以看出,ICP-OES兩種觀測(cè)方式鋰的測(cè)試結(jié)果擬合良好,加標(biāo)回收率在96.5%~105.6%,RSD在0.14%~1.63%之間。

表4 樣品加標(biāo)回收率試驗(yàn)Table 4 Analyte addition test of real samples

3 結(jié) 論

(1)地?zé)崴w對(duì)ICP-OES測(cè)定鋰有強(qiáng)干擾,軸向觀測(cè)受干擾程度比徑向觀測(cè)大。水中鈉鉀鈣鎂對(duì)鋰有強(qiáng)增敏作用,但增敏作用強(qiáng)度不疊加。

(2)增敏作用受霧化氣流速影響大。在較低流速下,鋰的回收率均隨著霧化氣流速的增大而減小。在中高流速下,隨著霧化氣流速的增大而增大。

(3)采用部分基體匹配方法可以有效降低基體干擾。在標(biāo)準(zhǔn)溶液及待測(cè)樣品中加入一定量NaCl標(biāo)準(zhǔn)溶液,鋰的加標(biāo)回收試驗(yàn)及稀釋法試驗(yàn)驗(yàn)證良好,方法簡(jiǎn)便、可行、有效。

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