浅谈ICP-MS在地质金属元素测试中的应用

浅谈 ICP-MS在地质金属元素测试中的应用

赵慧涛 1 张丽娜 1 麻天军 2

内蒙古自治区有色地质勘查局五一二队 1 内蒙古包头 014040 内蒙古第三地质矿产勘查开发有限责任公司 2 内蒙古呼和浩特 010011

摘 要：随着我国工业经济的飞速发展，对地质的构造及金属含量的掌握及其重要，各种金属元素的分布状态，对后续的采矿、选矿作业都有非常重要的指导意义。电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和传统分析技术相比较，其具有灵敏度高、检出限低、操作简单、干扰少、精度高等优点，广泛运用于半导体、地质、环境和生物制药等行业。

关键词：ICP-MS；地质；金属元素；测定

质谱分析是先将物质离子化，按离子的质荷比分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。质谱分析法，已经在众多领域得到广泛的应用。电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术是目前公认的最强有力的元素分析技术，它的主要特点有灵敏度高，背景低；元素的质谱相对简单，干扰较少，几乎周期表上的所有元素都可以进行测定；样品引入和更换方便，便于与其他进样技术联用。

1地质金属元素测定整体分析

1.1 ICP-MS技术介绍

目前由于激光对不同矿物的选择性剥蚀，利用ICP-MS对于地质样品直接分析仅适用于隐晶质火山岩、火山玻璃或者细粒的泥质岩石。如何获得主、微量元素含量分布均匀的样品是影响利用ICP-MS分析全岩样品的关键。相对于SN-ICP-MS分析，利用ICP-MS分析全岩样品具有低背景、低氧化物干扰、样品制备简单、高效率等优点。根据样品制备方式，利用ICP-MS进行全岩样品整体分析主要有岩石薄片直接分析、粉末压片法、熔融玻璃法等3种方法。直接的粉末压片避免了对样品的稀释作用，但要求样品粉末粒度要足够细。如果样品粉末粒度不够细、压片不够牢固，激光剥蚀过程中的粉末爆发会引起分析信号不稳定和激光对不同矿物的选择性剥蚀，导致分析结果的精密度和准确度较差。

1.2地质检测金属元素方法

由于人造包裹体和天然包裹体内部的压力不同，包裹体被打开后，挥发性物质释放的速率不同，简单外标校正无法解决剥蚀量差异引起的误差。先后对利用ICP-MS分析单个流体/熔体包裹体的影响因素、校正方法、准确度和检出限等进行了系统综述。首先对利用ICP-MS分析单个流体包裹体中的元素组成进行了可行性分析研究。提出了利用石盐中合成的流体包裹体作外标分析单个流体包裹体的校正策略。采用将标准溶液密封在玻璃毛细管中作为人造流体包裹体的方法，可简单外标校正对石盐和石英中的单个流体包裹体进行了分析。因此，采用以人造包裹体作外标，利用cryo-SEM-EDS测定的Cl含量作内标来分析单个流体包裹体组成。

2 ICP-MS技术在地质金属元素测定研究中的应用

当前，地质金属元素测定对样品分析技术提出越来越高的要求：测定的元素越来越多，测定下限越来越低。在ICP-MS发展的初期，由于四极杆质量分析器测定同位素比值的精度很难控制，故仅在某些要求较宽的领域中应用，如地质和环境研究中Pb来源的鉴别等。ICP—MS所具有的优点使其非常适合于地球科学中痕量、超痕量元素分析以及某些同位素比值的快速分析。最近几年来，随着四极杆ICP-MS仪器的改进及其他质量分析器的ICP-MS的出现，比如多接收器磁扇形等离子体质谱仪(MC—ICP_MS)等，同位素分析精密度大大改善，和传统使用的热电离源质谱(TIMS)等技术相比，具有了真正的竞争力。

2.1激光烧蚀电感耦合等离子体质谱技术

激光剥蚀与MC一ICP—MS联机开展高精度固体微区同位素分析已在地球化学领域获得了可喜的应用成果。可以对ICP—MS技术在地质金属元素测定中的应用进行详细的回顾，包括稀土稀散等痕量、超痕量元素分析，铂族元素分析，同位素比值分析等内容。当然LA—ICP—MS也有缺点，主要的问题是：分析结果的偏差较大，依赖于固体样的均匀性、性质和表面状态，以及基体匹配的标准难以获得。在地球科学领域，除整体分析外，LA—ICP-MS已被广泛用于岩石及其矿物组成、矿物微区环带分析、分配系数测定及单个流体包裹体成分等研究。在微区内(如单个包裹体)LA—ICP-MS技术可进行气体、液体组成和成分分析，从而可提供成矿和其他地质一地球化学过程中元素迁移、富集的重要信息。

2.2高效液相色谱电感耦合等离子体质谱技术

HPLC系统与ICP—MS系统间的连结部分为接口，接口技术是该联用技术的核心，其目的在于使色谱流出物与ICP—MS后续测定的要求相匹配。ICP—MS进样系统除对溶液流量有要求外，还对基体浓度、酸的种类和浓度、有机成分的浓度等有严格的要求。另外，HPLC流出物中的有机成分，会在ICP—MS采样锥和截取锥上产生碳沉积，阻塞两锥孔。接口技术的研究并不是孤立的，合适的HPLC分离体系，其色谱流出物可以较完全地满足ICP—MS后续测定的要求，这无凝会减低对接口的要求。所以，有时用直接连接法，并用蠕动泵减低流量，亦能起到很好的效果。

3 ICP-MS极其联用技术在地质学研究中的应用前景分析

当前，地质调查研究项目多、任务重、样品数量大，急迫需求一种能实现多元素同时分析的实验技术。ICP—MS的常规分析技术当然同样适用于地质学的常规研究领域，而且由于地质样品有其自身的特点，使得该技术可望有新的突破。在地质学研究中，ICP—MS技术的优势将可能更多地会体现在其联用技术方面。如前文所述，ICP-MS技术在陆相地质学研究中发挥着不可替代的作用，技术更新与创新速度不断加快。

3.1联用技术的特点

主要应用于形态分析。当今环境污染日益严重，HPLC_ICP—MS技术在地质沉积物中As、Se、Sb、Cd、Sn、Pb、Hg、Te、Cr等元素的形态分析及其溯源研究和迁移富集规律探索等的应用方面，必将成为环境污染监测与治理、营养资源开发最有利的辅助手段之一。纵观地学领域分析技术的进展，只有利用ICP—MS及其联用等先进技术才有可能实现；然而，在地质金属元素测定中，由于地质介质的多样性、复杂性，样品的高含盐性，致使样品基体干扰效应尤其显著，给分析测试工作者带来难以回避的严峻挑战。

3.2联用技术的应用前景

主要应用于微区原位分析，特别是微区痕量元素分析。该技术具有梯形峰形和良好的稳定性，可以为结壳成因、古环境以及资源开采后选冶研究提供重要资料。在大洋多金属结核分析中，可以准确地测定结核每层精细结构的化学元素含量，以获取结核在长期生长过程中古环境、水动力及微生物作用的信息。同时，也应用于生物组织元素分布、生物化石结构、污染监控研究和白鲟鱼的鳍线元素浓度、稳定性及示踪研究等。

4. 结语

一般使用者利用ICP-MS可以达成高空间分辨率的微区元素分析,并对于地矿进行短时间内的整体性分析, 这些都是影响了元素含量分析结果的首要因素,依据样品的类型及元素就优化处理进行探讨并提出相关提高数据精确程度的方式。对于地矿中的元素含量因为某些因素无法做到准确分析,这些因素包含了仪器的缺少、分馏效应因样品机体组成的变化、物质的缺少及准确的灵敏度漂移调整等。ICP-MS作为一种现年发展迅速的同位素分析技术,其在地球的科学研究中占着举足轻重的地位。

参考文献

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[2]朱乾华;;食用矿物油中重金属元素的质谱分析[J];食品工业;2014年07期

[3]李坦平;谢华林;聂西度;梁逸曾;唐有根;;应用电感耦合等离子体质谱研究硅灰中的重金属元素[J];中南大学学报(自然科学版);2014年10期