碰撞反應池MC-ICP-MS 高精度銅、鋅同位素測試技術分析

魏亞雄

（山西地寶能源有限公司，山西 太原 030045）

0 引言

高精度銅、鋅同位素測試對于研究天體撞擊成因、金屬礦床成因、古地理氣候等方面均有著極為重要的意義。現有銅、鋅同位素測試技術多是采用統一離子交換柱實現單一元素或者兩種元素分離，并且相關測試技術較不適用于大批量樣本分析[1-2]。據此，基于現有測試技術，對具體實驗流程和元素分離成效進行優化調整，介紹一種碰撞反應池MC-ICP-MS 高精度銅、鋅同位素測試技術，可對現有研究進行補充完善。

1 實驗材料及儀器

1.1 實驗試劑及材料

1.1.1 實驗試劑

主要實驗試劑包括HNO3、HCl、HF 等，相關試劑均需通過兩次亞沸蒸餾純化處理；研究用水采用超純水。

1.1.2 實驗材料

主要實驗材料包括地質標準樣品和銅（Cu）、鋅（Zn）標準樣品。其中，地質標準樣品主要分為玄武巖（BCR-2、BHVO-2、BIR-1a）和安山巖（AGV-2）；Cu 同位素標準樣品和Zn 同位素標準樣本均采用地質科學院地質研究所的Cu 同位素標準溶液（CAGS-Cu）和Zn同位素標準溶液（CAGS-Zn）。

1.2 實驗儀器

主要實驗儀器為多接收電感耦合等離子體質譜和電感耦合等離子體質譜。整體實驗過程中Cu 和Zn同位素分析均會在多接收電感耦合等離子體質譜上完成；樣品主量和微量元素分析均在電感耦合等離子體質譜上完成[3]。

2 實驗方法

2.1 樣品消解

為保障樣品的消解效果，需根據巖性差異，合理選擇對應的消解方式。具體地質標準樣品消解流程如下：

精準稱取100 mg 地質標準樣品，將樣品置入PFA 坩堝中。在內PFA 坩堝中加入4.5 mLHCl、2.3 mL HF 以及1.5 mL HNO3，并將PFA 坩堝置于鋼套中，擰緊固定后置于烘箱中，于200 ℃環境下加熱48 h。取出鋼套室溫環境下冷卻6 h 后，從鋼套中取出PFA 坩堝，放置于電熱板上，設置125 ℃蒸干處理。

加入1 mL HNO3，再次加熱蒸干處理，重復加入HNO33 次后，在坩堝中加入1～3 mL HClO4，通過電熱板于210 ℃條件下再次蒸干處理。加入1 mL 濃HCl，于125 ℃條件下蒸干，重復3 次。加入2 mL 濃度為6 mol/L 的HCl，擰緊蓋子后，于120 ℃條件下加熱2 h。溶液過柱前需對溶液進行離心處理，取1 mL 上清液過柱，另取1 mL 離心后溶液備用。

2.2 銅、鋅分離純化同位素質譜分析

通過1 mL 移液槍將AG-1-X8 [200～400 目（0.040～0.074 mm）]樹脂移入到高純石英玻璃柱中，柱內樹脂量和柱內高度應分別控制在1 mL 和4 cm 左右；另選AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]加入到高純石英玻璃柱中，柱內樹脂量和柱內高度應分別控制在1 mL 和7.5 cm 左右。

Cu 和Zn 分離純化流程：洗柱環節中，依次采用濃度為3 mol/L 的HNO3、超純水、HCl、超純水實施洗柱操作，每次洗柱均應以滿柱為標準，重復6 次后，采用10 mL 濃度為6 mol/L 的HCl 實施柱平衡，再采用8 mL 濃度為6 mol/L 的HCl 進行介質樣品上樣，實際裝載樣體積應控制在1 mL 左右。

通過5 mL HCl 清洗基體雜質，再依次采用8 mL濃度為6 mol/L 的HCl 和3 mL 濃度為0.5 mol/L 的HNO3接收Cu 和Zn 淋洗液，接受完淋洗液后，依次通過超純水、濃度為6 mol/L 的HCl、超純水進行洗柱操作，每次洗柱均應以滿柱為標準，重復3 次操作[4]。

將淋洗液置于電熱板上以120 ℃條件下加熱蒸干，然后在淋洗液中加入1 mL HNO3實施二次亞沸純化，在以120 ℃條件下加熱蒸干處理，重復一次操作。將獲取的Cu 和Zn 淋洗液分為2 份，一份淋洗液以體積分數為2%的HNO3進行稀釋處理，稀釋倍數為2 000 倍，最后采用ICP-MS 測定過柱溶液中的Cu 和Zn 含量以及淋洗液中Cu 和Zn 含量，根據實驗操作結果繪制淋洗液曲線，并由此計算Cu 和Zn 回收率，每次試驗均應配置空白實驗作為對照實驗；另一份Cu 和Zn 淋洗液分別采用體積分數為2%的HNO3，稀釋為質量濃度為300 μg/L 和4 mg/L 的淋洗液，并通過MC-ICP-MS 進行質譜分析。

采用低分辨率模式實施Cu 和Zn 同位素測定，具體測試中選用SSB 法進行儀器質量校正。每組樣品測試時間應控制為20 min，每次實驗需為地質標樣設置至少3 個平行樣，每個樣品重復3 次測定操作。

3 實驗結果與分析

3.1 不同樹脂及樹脂柱淋洗結果的影響

如圖1 所示，AG-1-X8 [200～400 目（0.040～0.074 mm）]樹脂淋洗過程中，對Cu 同位素測試分析產生干擾的Co 元素基本上已經洗入到Cu 淋洗液中，并且部分Zn 元素也被洗入到Cu 淋洗液中，使得Cu 同位素精準性受到影響的同時，造成Zn 回收率偏低情況。另外，此種樹脂洗脫過程中存在Cu 洗脫峰較寬和拖尾情況[5]。

圖1 AG-1-X8[200～400 目（0.040～0.074 mm）]樹脂淋洗曲線

如圖2 所示，AG-MP-1 [100～200 目（0.074～0.150 mm）]樹脂淋洗過程中，對Cu 同位素測試分析產生干擾的Co 元素分析效果較為理想，并且洗脫峰整體較為狹窄，未出現拖尾情況。綜合分析后可知，AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]樹脂后Cu和Zn 的回收率分別為97.4%±5.7%和96.0%±2.3%，即Cu 和Zn 回收率均處于95%以上，實際回收率較高。

圖2 AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]樹脂淋洗曲線

3.2 不同樣品的消解方式對回收率的影響

現階段常用的樣品消解方法為通過敞口溶樣杯進行樣品消解，但此種消解方法存在樣品消解不完全情況。對此，研究中采用鋼套高溫高壓消解法對地質標樣進行消解處理，并與傳統敞口溶樣杯消解方法進行匹配對比。

具體鋼套高溫高壓消解法的消解酸介質流程及用量與傳統敞口溶樣杯消解方法保持一致，但差異點與上文中消解過程鋼套處理流程，在此不再另行說明。

通過研究發現，通過傳統敞口溶樣杯消解方法實施樣品消解處理后，Cu 和Zn 平均回收率分別為95.8%±1.5%和97.7%±1.7%；通過鋼套高溫高壓消解法實施樣品消解處理后，Cu 和Zn 平均回收率分別為99.8%±2.2%和101.7%±2.8%。對比分析后可知，鋼套高溫高壓消解法的平均回收率更高，確認其在應用中更有利于保障Cu、Zn 同位素測定精準性，因而應優先采用此種方法。

4 結論

基于現有Cu、Zn 同位素實驗測試方法，介紹一種碰撞反應池MC-ICP-MS 高精度銅、鋅同位素測試技術。此同位素測試技術中引入鋼套高溫高壓消解法和AG-MP-1[100～200 目（0.074～0.150 mm）]樹脂淋洗法，相較于傳統同位素實驗測試方法來說，該方法具有測定精準性強、平均回收率高等優勢，可在后續地質樣品Cu、Zn 同位素測試中進行參考應用。