巰基棉富集分離-原子熒光光譜法測定高碳高硫地質樣品中痕量硒

馬萬平， 溫漢捷， 葉琴， 趙越， 楊季華

(1.東華理工大學地球科學學院， 江西 南昌 330013；2. 長安大學地球科學與資源學院， 陜西 西安 710054；3.中國科學院大學地球與行星科學學院， 北京 100049)

硒作為稀散元素之一，具有十分重要的工業價值，據美國地質調查局(USGS)報道2020年全球硒主要用于冶金、制造業、農業、化工、太陽能電池等領域[1]；同樣，硒在中國現代化建設中同樣具有重要地位[2-3]。硒在地殼中的豐度很低，一般為0.05×10-6～0.09×10-6，主要伴生于富有機質巖石和硫化物礦物中[2-5]。硒不僅是重要的成礦元素，更可作為重要的地球化學示蹤元素，指示成礦物質來源及生物地球化學過程等，在地球科學和環境科學研究中具有重要的意義[5-9]。

氫化物發生-原子熒光光譜法(HG-AFS)應用于測定砷、銻、鉍、汞、碲、硒、錫、鎘和鉛等痕量元素方面具顯著的優勢，因而被廣泛應用于環境檢測、地質礦產、醫學藥物、材料化學等領域中痕量重金屬元素的測定[10]。目前HG-AFS法已成為測定地質樣品中硒的首選分析方法，該方法的優勢在于操作簡易、檢測下限低、干擾因素少、靈敏度高、線性范圍寬、準確率高等[10-12]；但地質樣品復雜的基質同樣增加了分析難度，如與待測元素共存的陰陽離子、共存的過渡金屬、有機質配合物等產生新的化學氣體帶來的測試干擾[10]，特別是對富含有機質樣品和硫化物樣品，前處理是十分重要的。

巰基棉(thiol cotton fibre，TCF)富集分離硒是目前常規的前處理方法，但在處理富含有機質樣品與硫化物樣品時常會出現回收率不穩定、TCF過早飽和的現象，從而影響了富集分離效果和測試數據的準確性。因此，本文旨在建立一套適用于富含有機質與硫化物的地質樣品中痕量硒的測定方法，以滿足各種地質樣品中痕量硒的檢測需求。通過系統的實驗比較，在前人的方法上進行了改進[13-14]，建立了微波消解樣品、巰基棉分離富集和HG-AFS法測定高碳高硫地質樣品中痕量硒的方法。對于富含有機質樣品使用雙TCF柱法，兩次吸附以減少有機質的干擾；針對硫化物樣品，可通過增加TCF的用量或者減少稱樣量來提高硒的回收率；經過標準物質和實際樣品的分析結果驗證了該方法的可靠性。運用改進后的方法處理后的溶液，硒的回收率滿足HG-AFS測試要求。該方法可為地質樣品中的痕量硒測定和硒同位素前處理提供技術參考。

1 實驗部分

1.1 標準物質和實驗樣品

實驗中使用的標準物質包括：USGS-玄武巖參考物質標準(BHVO-2)；USGS-油頁巖參考標準物質(SGR-1b)；水系沉積物成分分析標準物質(GBW07303)；土壤成分分析標準物質(GBW07407)；硫化物單礦物標準物質(GBW07270)；鋅礦石標準物質(GBW07237)。

實際樣品：硫化物全巖樣品(MA-1)采自陜西金堆城斑巖礦床，硫化物主要為黃鐵礦，呈浸染狀分布；硫化物全巖樣品(MA-2)采自陜西金堆城斑巖礦床，硫化物主要為黃鐵礦，呈網脈狀分布；輝鉬礦單礦物樣品(MA-3)采自安徽沙坪溝斑巖鉬礦床，輝鉬礦呈脈狀、浸染狀分布；黑色頁巖樣品(MA-4)采自新疆塔里木盆地北緣阿克蘇地區；黑色頁巖樣品(MA-5)采自貴州黔北地區泥頁巖。

空白樣品：將BHVO-2玄武巖標準樣品，放置于馬弗爐中1000℃恒溫加熱24h，以確保樣品中的硒完全揮發。

1.2 標準溶液、材料和主要試劑

硒標準溶液：將國家鋼鐵研究總院研制的硒標準溶液[編號GSB G62029-90(3401)]，逐級稀釋至100μg/L。

實驗所用材料：醫用級脫脂棉、玻璃與聚四氟乙烯器皿等。實驗所用玻璃與聚四氟乙烯器皿均使用30%硝酸浸泡48h以上，超純水洗凈后使用。

使用的主要試劑均為優級純(GR)，包括：硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸(無硒)、巰基乙酸、乙酸酐(無水乙酸)、冰乙酸、氫氧化鈉、硼氫化鉀。其中實驗使用的鹽酸、氫氟酸、硝酸均為二次亞沸蒸餾。

實驗用水為電阻率18.3MΩ·cm的超純水。

1.3 實驗步驟

1.3.1巰基棉(TCF)的制備

在500mL棕色磨口瓶中依次加入53mL巰基乙酸、35mL乙酸酐(無水乙酸)、16.5mL冰乙酸、0.15mL濃硫酸、5mL超純水和10g醫用級脫脂棉。密閉瓶口并充分振蕩后，將其放置于烘箱中，在40℃下干燥5天。5天后取出，將巰基棉置于分液漏斗中使用超純水洗至中性，轉移至干凈棕色磨口瓶于40℃烘干[13-15]。由于TCF對紫外光十分敏感，需將TCF避光保存。

1.3.2樣品消解和硒的分離純化

(1)使用分析天平稱量樣品，置于微波消解罐中，加入6mL亞沸硝酸和2mL亞沸氫氟酸(V硝酸∶V氫氟酸=3∶1)，擰緊后放入微波消解儀中，設定溫度為200℃，90min后消解完成，溫度降至室溫后取出；將樣品溶液轉移至15mL聚四氟乙烯消解罐中50～60℃蒸干，趕酸后使用5mol/L鹽酸定容至15mL，靜置過夜。

(2)將5mol/L鹽酸介質的樣品溶液以沸水浴30min，冷卻降至室溫后，加入15mL超純水，使得樣品介質變為2.5mol/L的鹽酸溶液，體積共30mL，離心后準備進行硒的富集分離。具體步驟如下：稱取0.15～0.2g的TCF，放入長35mm、直徑4mm的微柱中，并用5mL超純水潤洗TCF柱后，再用5mL 2.5mol/L鹽酸調節TCF柱。將樣品溶液以≤0.05mL/s的流速通過TCF柱，待所有溶液流盡后，使用5mL 2.5mol/L鹽酸潤洗所有容器以及TCF柱。待溶液滴完后，使用吹耳球將TCF柱中殘留的溶液吹盡，并將TCF從微柱中取出，放入比色管中，加入2mL 12mol/L濃鹽酸與2滴濃硝酸，沸水浴3min，冷卻后轉移至離心管，隨后用3mL超純水潤洗3次殘留于比色管壁的TCF，將清洗液轉移離心管用振蕩器振蕩1min，隨后再加入5mL超純水重復以上操作。將上層清液全部轉移，稀釋后上機測試。

1.4 樣品硒含量分析

分析儀器為AFS-8220雙道原子熒光光度計(北京吉天儀器有限公司)，包括蠕動泵和氫化物發生系統(HG)，測定樣品處理前后溶液中硒的含量。儀器工作條件：載氣、屏蔽氣為高純氬氣；載流為5%鹽酸；還原劑為2%硼氫化鉀溶液；載氣流速300mL/min；屏蔽氣流速800mL/min；使用雙陰極硒空心陰極燈，燈電流80mA，光電倍增管負高壓270V。主要分析步驟：采用標準曲線法，配制合適的濃度梯度曲線進行測試。實驗標準曲線相關系數均>0.9997，標準溶液、載流、樣品溶液的鹽酸濃度保持一致。相對標準偏差(RSD)<0.8%。

2 結果與討論

2.1 實驗條件優化

分析測試前，樣品的前處理是十分關鍵的。同樣，巰基棉的吸附效率受多種因素影響，包括樣品的消解、巰基棉的形態、硒的價態、溶液的流速、體積等[16-20]。實驗優化了以下步驟：消解方法，Se(Ⅵ)還原為Se(Ⅳ)的相關處理，TCF吸附裝置的適用性，Se(Ⅳ)的解吸步驟。

由于硒具有強烈的揮發性，因此不同的消解體系和條件對測試結果有不同程度的影響[21]。目前，測定地質樣品中的硒時，常用的消解方法有：常壓強酸消解[13-14,21]、高壓悶罐消解[21]和微波消解等[22]。常壓強酸消解法為了減少硒的損失，消解溫度較低(一般為60℃)，導致樣品消解不完全，消解時間長。高壓悶罐消解法雖能減少硒的揮發，但消解用時較長，過程繁瑣。本研究采用效率更高的微波消解法，從測定結果(圖1)可知：標準物質與實際樣品中硒的測試值與推薦值一致，證明采用微波消解是可行的，相比其他消解方法，其具有消解徹底、高效、消耗試劑少、減少揮發元素損失的優勢[22-25]。

a—本研究實驗樣品中硒分析結果與推薦值對比圖；b—圖a左下角放大圖。圖1 使用微波消解-TCF分離富集后地質樣品中硒的測定值與推薦值對比Fig.1 Comparison of the measured values and the recommen-ded values of selenium in the geological samples after using microwave digestion-TCF separation and enrichment

使用TCF的目的是最大限度地吸附硒，并與干擾元素分離。根據以往的研究，影響TCF吸附效率的主要因素有：巰基棉形態與質量、硒的價態、溶液上柱前酸的濃度、體積以及流速等[17-20,26-27]。關于溶液的鹽酸的濃度、體積以及流速等已有較多的研究[16-20]。因此，本研究選擇的過柱溶液為2.5mol/L的鹽酸介質，溶液體積為30mL，溶液通過TCF的流速≤0.05mL/s。

樣品中硒的價態是影響TCF的吸附率和HG-AFS測定硒含量準確度的重要因素。通常TCF只能吸附價態較低的離子，因此必須將消解溶液中的Se(Ⅵ)還原到Se(Ⅳ)以提高TCF的吸附率[13-20,28-29]。不同的還原劑,如氫溴酸、氫溴酸-鹽酸、鹽酸有不同的還原效果[16,30]，已有學者的研究表明[15]，雖然氫溴酸-鹽酸的還原效果最好，但是尚不清楚Br對儀器的干擾，故首選鹽酸作為還原劑。本文選擇濃度為5mol/L的鹽酸，在Se(Ⅵ)含量為400×10-9的前提下與文獻中的數據[16]進行對比，使用5mol/L鹽酸沸水浴30min后，溶液中的Se(Ⅵ)全部還原為Se(Ⅳ)，與6mol/L的鹽酸還原效果一致(圖2)，并節約了實驗成本。

圖2 鹽酸濃度和時間對硒還原效果的影響Fig.2 Influence of hydrochloric acid concentration and time on reduction effect of selenium

將TCF吸附的硒解吸下來的方法，目前首選高效且簡易的熱脫法[16-20]。具體步驟是：將TCF取下放入比色管中，加入2mL 12mol/L濃鹽酸和2滴濃硝酸，沸水浴加熱3min后冷卻至室溫，轉移至離心管中離心，將解吸后的TCF與溶液分離，此方法解吸后的TCF不能再次使用。為了保證較高的回收率,對TCF進行了多次洗滌[31]，分別在分離溶液后的TCF中加入3mL和5mL超純水，先后兩次充分振蕩后再次離心轉移上層清液，盡可能將殘留在TCF中的硒全部回收。

表1為優化后的整個實驗流程，包括：消解,硒的還原、分離純化、解吸和分析測試幾個步驟。本研究優化的前處理流程，在前人研究的基礎上作了改進，以適用于含有機質與硫化物樣品的痕量硒分析。

表1 優化后的實驗條件和流程

2.2 高有機質樣品中硒的準確測定

已有研究表明，TCF在富集分離過程中其吸附能力會受到樣品中有機質的強烈干擾[16,18-19,31],一般常用的解決方法是在消解過程中去除有機質。如采用高溫焙燒去除樣品中的有機質[32-33]；當有機質含量較少時還可通過加入高氯酸進行去除[34-36]。由于硒在高溫過程中易揮發的特性，而且趕酸時高氯酸易發生爆炸的危險性，故選擇消解時添加H2O2(30%)減少有機質的干擾，并進行了對照實驗。實驗選擇了三種常見且有機質含量有差異的標準物質(Corg代表有機碳含量)：頁巖標準物質SGR-1b(Corg=24.8%)，土壤標準物質GBW07407(Corg=0.81%)，水系沉積物標準物質GBW07303(Corg=0.73%)；以及兩個高有機碳的實際地質樣品：黑色頁巖MA-4(Corg=4.6%)，黑色頁巖MA-5(Corg=7.1%)。實驗通過三種不同處理方法對比樣品硒的回收率，mTCF=0.15g(m代表質量)，分別為：單柱法(即消解溶液一次過柱分離純化)，其中T-1體系為消解時不加入H2O2，T-2體系為消解時加入2mL H2O2；雙柱法(消解溶液過柱，所得的濾液再次過柱)，T-3體系使用雙柱法消解時不加入H2O2。

表2列出了三種含有機質的標準物質使用不同的處理方法所測定的數據。以GBW07303為例，對T-1體系，單柱法不加H2O2消除有機質時，硒的測定值與推薦值相差較大，硒的回收率低于85.5%±1.50%，其主要原因可能是樣品中的有機碳干擾了TCF的吸附能力，造成回收率過低，這與前人實驗結果一致[16]。T-2體系中，在消解步驟中加入了2mL H2O2處理有機質，再通過單柱法進行硒的富集分離，硒的回收率大于91.5%±1.50%。但一個關鍵的問題是，此過程雖然降低了樣品中有機質的干擾，但需要將消解溶液中的H2O2預先徹底去除，否則殘留的H2O2將破壞TCF結構，影響TCF的吸附能力[16]。

為了避免H2O2可能產生的干擾，本實驗通過雙柱法(T-3體系)兩次富集樣品中的硒，其平均回收率接近100%，很好地滿足了TCF富集分離樣品中硒的回收率要求。三種不同體系相比較(表2)，從T-1(單柱法不加H2O2)到T-2(單柱法加H2O2)再到T-3(雙柱法不加H2O2)，硒的回收率為上升趨勢，其中T-3(雙柱法，不加H2O2)的回收率最高且穩定，故本文選擇不添加H2O2消解樣品后,使用雙柱法富集分離為處理含有機質樣品的優選前處理方法。

表2 不同處理體系測定富有機質地質樣品中的硒含量結果

2.3 硫化物樣品中硒的準確測定

TCF定量吸附一定的元素后就會飽和。Yu等[18-19]討論了TCF的吸附與飽和條件，在鹽酸溶液中，TCF在吸附硒的同時同樣還會吸附其他的重金屬元素，吸附順序為：Bi(Ⅲ)≈Sn(Ⅱ)>Ag(Ⅰ)>Cu(Ⅱ)>In(Ⅲ)>Pb(Ⅱ)>Cd(Ⅱ)>Zn(Ⅱ)>Co(Ⅱ)≈Ni(Ⅱ)>Tl(Ⅰ)[19]。硒的化學性質與硫比較相似，因此硒主要以類質同象的方式存在于硫化物中[2-5]，而硫化物樣品往往富集上述親硫元素。對硫化物樣品進行硒的富集分離時，硫化物樣品中鈷、鎳、銅、鉛和鋅的綜合作用將會造成TCF提前飽和[18-19,37]，TCF會顯現紅色。為了解決TCF過早飽和的問題，本文將硫化物標準及其硫化物樣品分為兩個體系進行對比實驗：S-1組，mTCF=0.15g；S-2組，mTCF=0.2g(mTCF<0.15g時可能無法完全吸附溶液中的硒，mTCF>0.2g時會造成吸附后的硒無法完全解吸[20])。

臨床病理教學針對臨床診斷，其中有患者的個體因素需要考慮，學習內容復雜，臨床癥狀差異萬千，因此需要慕課平臺投入大量的資源，在整個平臺運行中，在線解說、答疑、和討論要更多，所以要求注冊平臺的學生有一定的病理專業知識，同時更要有成為病理科專業醫生的強大熱情。這些特點符合C型慕課平臺“非開放性”和“精英主義”的特點，將為臨床病理培養更多的“病理專業精英醫生”。

比較兩種TCF用量的測試結果(表3)，當mTCF=0.15g時(S-1組)，硫化物標準物質及樣品的回收率均小于89.6%±0.43%；其標準物質及實際樣品硒含量的推薦值與測定值有一定差異。從現象觀察，TCF呈紅色(圖3a)，造成該體系回收率低的原因是硫化物中的多種親硫元素占據了大部分巰基的位置，導致TCF過早飽和而無法再吸附Se(Ⅳ)[18-19,31]。相反，mTCF=0.2g時(S-2組)，TCF未變色(圖3b)，硫化物樣品回收率大于95.5%±1.92%，高回收率也代表純化后溶液中的銅、鉛、砷、銀、金等元素對HG-AFS測定產生的干擾較小。

表3 不同處理體系測定硫化物樣品中硒含量結果

a—巰基棉質量為0.15g(S-1組)發生飽和，顯現紅色；b—巰基棉質量為0.2g(S-2組)未發生飽和，無顯色。

測試結果顯示硒的回收率(表3)，S-2組(mTCF=0.2g)>S-1組(mTCF=0.15g)，且S-2組的標準物質和實際樣品的硒測定值與推薦值一致(圖1、表3)，表明通過增加TCF的量來達到預期回收率是可行的，故選擇S-2組的處理方法，0.20g的TCF富集分離硫化物樣品中硒的效果最佳。同時也說明通過減少稱樣量，以防止TCF的提前飽和來提高硒的回收率是可行的。實驗中可通過TCF變色(紅色)來判斷其是否飽和。

2.4 硒標準溶液中硒的準確測定

同樣，當使用硒標準溶液檢驗TCF的吸附效果時，硒的回收率并不能達到100%，故對硒標準溶液進行了TCF富集實驗，使用單柱法(mTCF=0.15g)。為了比較不同步驟處理后的結果，實驗中使用控制變量法將樣品因不同處理步驟分為五組，樣品共10個(表4)，分別為：B-1組(β-1、β-2)無硒玄武巖，按正常樣品處理，經過消解、硒還原、解吸等整個實驗流程；B-2組(β-3、β-4)純硒溶液，經過消解、解吸流程，不作硒還原處理；B-3組(β-5、β-6)純硒溶液，經過消解、硒還原、解吸等整個實驗流程；B-4組(β-7、β-8)純硒溶液，在消解前加入250mg無硒玄武巖，經過消解、硒還原、解吸等整個實驗流程；B-5組(β-9、β-10)純硒溶液，先將250mg無硒玄武巖消解后再添加至硒溶液中，再經過硒還原、解吸等整個實驗流程。

表4 不同處理步驟硒標準溶液的回收率

表4列出了五個不同處理流程中硒標準溶液的回收率。作為樣品空白的無硒玄武巖(B-1)，其硒含量為0，且經過10次重復測定，反映了本文制作的無硒玄武巖的可靠性。當純硒溶液經過TCF富集分離時，不經過還原處理(B-2)，回收率僅為72.3%±0.92%，經過還原處理的純硒溶液(B-3)其回收率也僅為78.3%±3.08%。然而，在消解前添加250mg無硒玄武巖作為基質改進劑(B-4)，經過所有的實驗流程，其回收率可達100.5%±0.80%。同樣地，將消解的無硒玄武巖后添加至純硒溶液中后(B-5)，經過實驗的所有流程，其回收率可達101.9%±0.44%。這些結果表明如果在硒標準溶液中不添加任何礦物基質時，硒可能在還原分離步驟中損失，硒的這種損失可能是在溶液中的總硒被還原為Se(Ⅳ)的過程中，當硝酸鹽/陽離子不存在時，形成單質硒(Se0)的原因而造成的[13-14]。因此，當使用硒標準溶液來檢驗硒的富集分離效果時，通過添加無硒玄武巖改進基質來提高硒的回收率是必要的。

不同性質的礦物、巖石標準物質使用本研究的前處理方法對硒富集分離后，采用HG-AFS測定樣品中痕量硒的含量，分析結果與其他研究中文獻報道值、推薦值進行比較，結果見表5。可見本研究的硒測定值與文獻報道值[38-39]、推薦值相符，數值差異在誤差范圍之內。同樣，采用改進后的方法對實際樣品的處理結果(表3、表4)驗證了本文前處理方法的可靠性，表明改進后的前處理方法同樣適用于實際的地質樣品。

表5 改進后的方法與不同研究中硒的測定值比較

3 結論

本研究建立了微波消解、TCF富集分離、HG-AFS法測定高碳高硫地質樣品中硒含量的方法。在傳統的TCF富集分離地質樣品中硒的方法基礎上，針對高碳地質樣品，可通過使用雙柱法，兩次通過TCF柱來減少有機質的干擾，達到高回收率的效果，回收率大于95.1%±0.37%。針對高硫地質樣品，可通過增加TCF用量，或者減少稱樣量來提高TCF的吸附率，回收率大于95.5%±1.92%。當使用硒標準溶液作為TCF富集分離硒的效果參考時，添加無硒玄武巖改進基質來提高硒的回收率是必要的。