应用XRF与ICP-MS研究陨石样品的元素分布
李文翠1, 于湛1, 付玉1, 吴优1, 辛士刚2, 吕勇1, 赵震1, 王莹1,*
1. 沈阳师范大学化学化工学院, 辽宁 沈阳 110034
2. 沈阳师范大学实验中心, 辽宁 沈阳 110034
*通讯联系人 e-mail: wy0339@126.com

作者简介: 李文翠, 女, 1993年生, 沈阳师范大学化学化工学院硕士研究生 e-mail: 15942384386@163.com

摘要

分别采用X射线荧光光谱无标样全定量分析法(XRF)和微波消解/电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对铁陨石和石陨石样品进行了元素分析。 XRF法检测陨石样品中的常量元素, ICP-MS检测陨石中的微量元素。 实验结果表明: XRF法可以检测出陨石样品中含量在10 μg·g-1以上的所有金属和非金属元素, 得出两类陨石中共同含有的6种常量元素是Fe, Mg, Si, Na, Al和Ca。 不同地区的铁陨石中均含有大量的Fe, 石陨石中含有大量的Si。 ICP-MS法检测陨石中的24种元素, 选出共同存在的9种元素V, Ni, Mo, Ag, Sn, La, Gd, Hg和Pb进行对比分析, 得出铁陨石中的重金属元素和稀土元素的含量远高于石陨石。 所有的铁陨石样品中Sn元素的含量大约是石陨石的10~25倍, 铁陨石中稀土元素La和Gd的含量大约是石陨石的6倍, 新疆的5A号和6A号铁陨石中Pb的含量比来自山东的铁陨石(1A, 2A, 3A, 4A)多5~13倍, 来自内蒙古的石陨石(9B, 10B)比来自新疆的石陨石(7B, 8B)多了三种元素La, Mo和Gd。

关键词: 铁陨石; 石陨石; 电感耦合等离子质谱; X射线荧光光谱; 元素分析
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Study on Element Distribution in Meteorite Samples by XRF and ICP-MS
LI Wen-cui1, YU Zhan1, FU Yu1, WU You1, XIN Shi-gang2, LÜ Yong1, ZHAO Zhen1, WANG Ying1,*
1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China
2. Experimental Center, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China
*Corresponding author
Abstract

In this paper, X-ray fluorescence spectrometry (XRF), no standard complete quantitative analysis and microwave digestion/inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) were used to perform the elemental analysis of two types of meteorites. Determination of macro-element in meteorite samples by XRF method, and determination of micro-element in meteorite samples by ICP-MS method. Experimental results show that: The XRF method can be used to detect the meteorite samples content in 10 μg·g-1 above all metal and nonmetal elements, it is concluded that the 6 major elements in the two types of meteorites are Fe, Mg, Si, Na, Al, Ca. Iron meteorites in different regions contain large amounts of Fe, stone meteorites contain a large amount of Si . Determination of 24 elements in meteorites by ICP-MS, by comparing and analyzing the 9 elements of V, Ni, Mo, Ag, Sn, La, Gd, Hg, Pb, the content of heavy metals and rare earth elements in iron meteorite is much higher than that in stone meteorite. The content of Sn in all iron meteorite samples is about 10~25 times as much as that in stony meteorites, the contents of rare earth elements La and Gd in iron meteorites are about 6 times as much as those of stony meteorites. The content of Pb in 5A and 6A iron meteorites in Xinjiang is 5~13 times more than that in iron meteorites from Shandong (1A, 2A, 3A, 4A). The stone meteorites from Inner Mongolia (9B, 10B) have more than three elements La, Mo and Gd from the stone meteorites (7B, 8B) from Xinjiang.

Keyword: Iron meteorites; Stone meteorites; ICP-MS; XRF; Elemental analysis
引 言

陨石是数亿年前形成的宇宙流星或粉尘碎块散落到地球表面的未燃尽的石质、 铁质或石铁混合物, 其作为宇宙形成的唯一见证者, 是人类认知宇宙过程中珍贵、 稀有的实际样本, 也是我们最容易接触到的除了地球以外的宇宙物质, 因此, 对其进行元素分析就显得十分必要。

目前, 很多学者利用不同的方法从不同的角度对陨石进行了大量的分析研究, 为太阳系演化的早期历史及地球的演化史提供了有力的证据[1, 2, 3, 4, 5]。 本文采用两种不同的分析技术: XRF法和ICP-MS法研究两类陨石样品[6, 7], 根据元素种类和含量的差别确定铁陨石与石陨石的元素分布。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪(7900型)(美国安捷伦有限公司); 微波消解仪(意大利Anton Paar公司), 微波消解仪的工作参数如表1所示; 加热板(BHW型)(上海博通化学科技有限公司); X射线荧光光谱仪(ARLTM PERFORM’ X Sequential X-Ray型)(美国赛默飞世尔有限公司)。

表1 微波消解工作参数 Table 1 Operating parameters for microware digestion

硝酸、 盐酸、 氢氟酸(均为优级纯)、 硼酸、 无水乙醇(国药集团化学试剂沈阳有限公司)。

标准储备液: V, Ni, Mo, Ag, Sn, La, Gd, Hg和Pb的标准溶液均为1 000 μ g· mL-1, 国家钢铁材料测试中心冶金部钢铁研究总院。

混合标准溶液: 将1 000 μ g· mL-1的标准储备液用去离子水稀释, 混合后标准液的浓度分别为0.00, 2.00, 4.00, 8.00和10.00 μ g· L-1

陨石样品来源: 1A— 4A(铁陨石, 山东); 5A和6A(铁陨石, 新疆乌鲁木齐); 7B和8B(石陨石, 新疆); 9B和10B(石陨石, 内蒙古赤峰)。

1.2 测定方法

1.2.1 XRF法

将陨石样品用粉碎机磨成粉末, 在105 ℃烘烤2 h, 准确称取2.000 0 g样品与2.000 0 g硼酸在玛瑙研钵充分研磨混匀, 装入模具摊平, 用硼酸垫底镶边, 40 t压力下保压时间 60 s, 压制成试样直径为32 mm和镶边外径为40 mm的圆片。 样品压片后在干燥无污染的环境中贴签保存, 进行无标样全定量分析法分析。

1.2.2 ICP-MS法

准确称取0.100 0 g陨石样品放入聚四氟乙烯消解罐中, 加入6 mL盐酸, 2 mL硝酸, 2 mL氢氟酸, 按照微波消解仪工作参数(表1)进行消解。 待消解完毕后放到加热板上130 ℃赶酸3 h至溶液体积为黄豆粒大小。 冷却, 用去离子水定容于50 mL容量瓶中。

2 结果与讨论
2.1 XRF对陨石样品中元素含量的测定

采用1.2.1 方法分析研究两类陨石的10个样品。 检测出陨石样品中含量在10 μ g· g-1以上的所有金属和非金属元素, 得出两类陨石共同含有的6种常量元素, 结果如表2

表2 XRF法分析陨石中元素含量(mg· g-1) Table 2 Analysis of element content in meteorites by XRF(mg· g-1)

表2可以看出, 不论是来自山东(1A— 4A)还是新疆乌鲁木齐(5A, 6A)的铁陨石样品, 陨石中的主要元素均是Fe元素, 而其他常量元素的含量较低。 石陨石(7B— 10B)中的主要元素是Si元素, 常量元素的种类较多。 不同种类的陨石所包含的常量元素种类及含量差别很大, 地域影响因素较小, 可以通过XRF明显的区分陨石的种类。

2.2 ICP-MS对陨石样品中元素含量的测定

采用1.2.2中ICP-MS法对两类陨石10个样品的24种元素进行分析研究, 选出共同存在的9种微量元素进行进一步分析, 结果如表3

表3 ICP-MS法分析陨石元素含量(μ g· g-1) Table 3 Analysis of element content in meteorites by ICP-MS(μ g· g-1)

表3可以看出, 铁陨石中微量金属元素含量普遍高于石陨石, 所有的铁陨石样品中Sn元素的含量大约是石陨石的10~25倍, 来自新疆和内蒙古的石陨石中都未检测到重金属元素Hg和Pb, 铁陨石中稀土元素La和Gd的含量大约是石陨石的6倍。 新疆的5A号和6A号铁陨石中Pb的含量比来自山东的铁陨石(1A, 2A, 3A, 4A)多5~13倍, 来自内蒙古的石陨石(9B, 10B)比来自新疆的石陨石(7B, 8B)多了三种元素La, Mo和Gd。

3 结 论

使用XRF和ICP-MS两种分析方法对铁陨石和石陨石的元素进行检测。 XRF法检测出陨石样品中含量在10 μ g· g-1以上的所有金属和非金属元素, 得出两类陨石共同含有的六种常量元素是Fe, Mg, Si, Na, Al和Ca, 不同地区的铁陨石中均含有大量的Fe, 石陨石中含有大量的Si。 ICP-MS法检测陨石中的24种元素, 选出共同存在的九种元素V, Ni, Mo, Ag, Sn, La, Gd, Hg和Pb进行对比分析, 得出铁陨石中的重金属元素和稀土元素的含量远高于石陨石。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Scott P, Asplund M, Grevesse N. Astronomy & Astrophysics, 2015. (573): 26. [本文引用:1]
[2] Ehmann W D, Setser. Science, 2017, 139(3555): 594. [本文引用:1]
[3] LIN Yang-ting(林杨挺). Chinese Science Bulletin(科学通报), 2016, 61(32): 3428. [本文引用:1]
[4] José J, Iliadis C. Reports on Progress in Physics, 2011, 74(9): 096901. [本文引用:1]
[5] Pizzarello S, Williams L B, Lehman J. PNAS, 2011, 108(11): 4303. [本文引用:1]
[6] LI Xiao-li, ZHANG Li-juan, ZENG Jiang-ping(李小莉, 张莉娟, 曾江萍). Analysis Laboratory(分析试验室), 2012, 11(31): 82. [本文引用:1]
[7] ZHOU Wei, YU Jie, ZHOU Jian-bin(周伟, 喻杰, 周建斌). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2017, 37(7): 2242. [本文引用:1]