1、研究生課程報告題目：土壤硒含量測定的新方法以及相關地質意義 課程名稱： 任課教師： 姓名： 學號： 院（系）： 專業(yè)： 2015年月評語對課程論文的評語:平時成績：課程論文成績：總成績：評閱人簽名：注：1、無評閱人簽名成績無效；2、必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無效；3、如有平時成績，必須在上面評分表中標出，并計算入總成績。土壤硒含量測定的新方法以及相關地質意義一、 前言近些年來，在生命科學、農業(yè)科學、食品科學、環(huán)境科學、地質科學等研究中硒已經引起世界的廣泛關注。1-3在生命科學中，硒是人類生命必需的14種必需微量元素之一，每天攝入量不能低于0.1mg/kg（相對于平均體重），攝入過量或者

2、缺乏都會引起身體的各種疾病。1在地質科學中，硒的同位素比值可以作為示蹤劑指示古地質環(huán)境/古生物環(huán)境，現(xiàn)階段已經確定了硒同位素分餾的主要機制。3-5在農業(yè)科學與食品營養(yǎng)學中，對于土壤、食品中的硒的檢測已經建立了很多前處理與檢測手段。6-8因此，為了進一步探究硒在環(huán)境、地質、生命中遷移規(guī)律、轉化形式、和分布規(guī)律，建立一個快速、精確、經濟的測定方法是必要的。電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）以其優(yōu)越的分析能力已經成為現(xiàn)今最有力的分析測試手段之一，已被廣泛應用于各分析領域。ICP-MS具有靈敏度高、檢出限低、分析迅速、譜線干擾少、動態(tài)線性范圍寬、多元素同時檢測等眾多優(yōu)點。隨著制造行業(yè)的發(fā)展，ICP-

3、MS在儀器上的改善也日益提高，由最初的四級桿電感耦合等離子體質譜（Q-ICP-MS）逐漸發(fā)展到飛行時間電感耦合等離子體質譜儀（TOF-ICP-MS）、離子阱電感耦合等離子體質譜儀（Iontrap-ICP-MS）、雙聚焦扇形磁場電感耦合等離子體質譜儀(ICP-SF-MS)、動態(tài)反應碰撞池電感耦合等離子體四極桿質譜儀（DRC-Q-ICP-MS）和多接收杯高分辨率電感耦合等離子體質譜（MC-HR-ICP-MS）。儀器的發(fā)展使得ICP-MS的應用更加廣泛。二、 硒的地球化學性質硒是地球化學上的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素。它在自然界中存在六個穩(wěn)定同位素74Se、76Se、77Se、78Se、80Se和82Se其豐

4、度分別為0.89%、9.37%、7.64%、23.77%、49.61%和8.73%。硫的化學性質與硫類似，具有多重價態(tài)，但是硒在地球化學上與硫存在差異性。同時，硒存在親生物性。3,5硒在自然界中的存在形式、各種形式的遷移規(guī)律、各個儲庫中的含量也不同，所以硒的形態(tài)轉化、在環(huán)境中的遷移循環(huán)等都會導致硒同位素的分餾。這一原理就指示著硒可以作為一種新的、潛在的地球化學示蹤劑9。三、 ICP-MS對硒測定中的困難在土壤樣品中，硒的含量很小。對于這些土壤樣品，硒的測定中不可忽視的因素是在硒的信號上，基體中所含有的其他元素產生的抑制或者干擾。這就要求在測定硒的前處理更加完備，排除其他的干擾元素。此外，在IC

5、P-MS測定硒中，由于氬氣是等離子氣，氬的多原子離子會產生質譜干擾。同時，硒元素屬于難電離元素，它的電離能限制了硒的完全電離，影響了硒的精確精測。以上困難僅是測定樣品中硒含量的存在的。對于硒的測定中，不僅要排除上述困難，而且要克服在樣品處理過程中的元素分餾問題。無機氧化還原反應會引起硒同位素的分餾，對于硒同位素的處理和測定過程中，就要保證每一步中硒同位素比值和樣品中的比值保持不變。綜上所述，在硒的測定中基體帶來的質譜干擾、ICP-MS存在的質譜干擾、硒元素自身的元素性質以及硒同位素測定中的分餾問題。同時在ICP-MS測定中一直存在的儀器漂移問題也是硒測定中值得注意的問題。四、 ICP-MS測定

6、硒的前處理樣品前處理過程中應該特別注意污染問題。樣品前處理主要是要實現(xiàn)分離和富集的目的。4.1樣品的消解為了避免污染同時實現(xiàn)分離與富集的目的，在前處理過程中，對于酸、分解方法的選用都至關重要。通常在樣品消解過程，硝酸、鹽酸、氫氟酸等都會被選擇用于消解。但是由于Se的測定很容易受到氬和氯的多原子離子干擾，所以鹽酸在消解含硒樣品過程中很少用到。朱建明（朱建明，2008）使用HNO3+HF+H2O2消解碳質頁巖和土壤，同時使用濃硝酸消解硫化物。但這一套消解過程中要進行驅氟，有時還得進行二次驅氟。采用HNO3消解已經被廣泛使用在消解含硒樣品中了。另一方面Wang等（wang，2013）采用了HNO3+

7、HCl消解樣品，雖然引進了氯，但是鹽酸具有一定得還原性，可以使高價態(tài)的硒轉換為低價態(tài)的硒，有利于后期的檢測。但是由于氯的引入，在消解過程中，采用HNO3取代HCl是必須做得一步。Schilling(Schilling,2014)使用了HCl測定了印度高硒土壤的同位素值。而在消解方式上，無論使用哪種酸消解，研究者們都采用了高溫密閉消解法。這是基于防止在消解過程中硒的流失。4.2分離與富集由于硒屬于氫化物發(fā)生元素，在目前測定硒的方法中，氫化物發(fā)生法是主流方法。與之對應的樣品前處理方法中較為重要的是巰基棉纖維吸附分離技術（TCF，thiolcottonfiber）和化學順序提取法(sequentia

8、lextractiontechnique)。TCF技術TCF的原理是利用硫醇基團對金屬離子的強親和力，使得一些金屬離子吸附在TCF上，從而達到分離的技術。關于TCF的制備流程，各個實驗室大致相同，巰基乙酸、醋酸酐、冰醋酸、濃硫酸和去離子水浸泡醫(yī)用脫脂棉的方法制備TCF。運用TCF技術測定硒的主要原因是：TCF可以保證一個很高的硒回收率，并同時去除一些測定硒時所存在的同質異位素的干擾。此外，采用TCF技術后，TCF上吸附的硒可以保存20天（YuandLiu,1983）。由于回收率很高，TCF技術很好地解決了化學分離中存在的質量分餾效應。在測定硒的過程中干擾元素主要是氫化物元素（Ge、As、Sb、

9、Te）和過渡族金屬離子。在前人的實驗結果中已經可以說明：經TCF技術處理后，Se/Ge比值大于100（Rouxel,2002）。因此Ge的干擾可以排除。但As的干擾相對Ge而言較小，但是自然樣品中的As含量較高，所以As對Se測定仍是存在干擾，而且在TCF上As與Se共存。Sb在TCF技術處理后可以與硒分離（Rouxel,2002）。在Te在自然樣品中含量較少，所以在測定中不會產生干擾（Rouxel,2002）。對于過渡族金屬元素，在pH值為1.52.0時，TCF吸附Se，但大部分堿金屬、堿土金屬、過渡金屬和非金屬都不會被吸附（溫漢捷，2008），而吸附在TCF上的金屬可以用6N的鹽酸去除（Y

10、u,2002）。雖然TCF技術很好，但是TCF不能重復利用。在TCF富集分離過程中，朱建明1、溫漢捷8,11、Rouxel3等都提出了幾套不同的流程。Rouxel3等首次采用TCF技術消除了Ge、As的干擾，其中Ge的去除率高達99.9%以上，最終得到了回收率大于95%。步驟如下：1、稀釋樣品溶液酸度至1NHCl，過濾，轉入聚四氟乙烯管子（含有0.14gTCF，先前用3mlH2O清洗，用1ml6NHCl和1ml1NHCl）；2、用2ml6NHCl洗脫Sb；3、TCF轉入Pyrex試管中，加入100uL濃硝酸和100uL水，沸水浴20min；4、加入3.3mlH2O離心，用移液槍移出3ml至0.

11、5ml濃鹽酸中。溫漢捷11在TCF分離過程沿用了Rouxel的流程，但回收率接近100%，并沒有硒同位素的分餾。硝酸、鹽酸并沸水浴中解吸TCF中的硒，已經是一個普遍的方法。但朱建明1等在Rouxel的基礎上改進了TCF，采用硝酸和過氧化氫混合液對TCF富集的Se進行分離，硒的平均回收率大于85%。綜上所述，TCF在硒同位素的測定方面有很大的優(yōu)勢，但仍需要注意在化學處理過程中注意pH的控制、As的干擾等因素。今后，TCF的重復利用和干擾的去除應該是該方法提升的方向之一。4.2化學順序提取法化學順序提取在元素形態(tài)分析中運用最廣。順序提取是根據(jù)物理性質或化學性質把樣品中一種或一組被測定的物質進行分類

12、提取的過程（王亞平，2005）?，F(xiàn)如今，由于樣品的多樣化、處理的復雜化、研究的深入化，一種元素的總量對于研究的幫助已經越來越弱。元素的不同形態(tài)決定著元素在環(huán)境的遷移、用途等性質。因此，了解元素每種形態(tài)的含量才是目前主要的工作。在處理地球化學中涉及到的土壤、沉積物等樣品中元素總量不能用于評估時，化學順序提取是一個好方法。根據(jù)樣品中元素的形態(tài)不同，化學順序順序提取法所選擇的提取液也不同。但化學順序提取流程基本都是在Tessier提出的順序提取法（TessierA,1979）的基礎上發(fā)展起來的。而后歐盟標準局提出了BCR順序提取流程。經過廣泛的研究BCR法重現(xiàn)性優(yōu)于Tessier法。BCR法操作簡單

13、，已掌握，重現(xiàn)性較好。兩者的比較在在王亞平等（王亞平，2005）論文中已進行了詳細的對比。安子怡（安子怡，2009）討論了順序提取法在研究地球化學的可靠性，并應用順序提取法研究討論了土壤和沉積物中重金屬元素。從以上論述，化學順序提取法可以應用于硒同位素的研究。Schilling等（Schilling，2014）在前人的基礎上（Chao，1989）提出了一套適用于土壤中硒元素的提取法。土壤中可溶的硒主要的存在形式是磷酸鹽，因此選用磷酸鹽緩沖溶液作為提取液?？紤]到土壤中硒與金屬氧化物和有機物結合，氫氧化鈉、鹽酸、過硫酸鉀也被運用到不同的提取方法中。在Schilling提出的方法，主要步驟如下：加入

14、氯化鉀，振蕩，離心分離，提取上清液，上清液中含有可溶性的硒使用磷酸二氫鉀緩沖溶液提取在與氧化物結合的硒加入氯酸鉀和鹽酸，振蕩，還原硫化物，加入去離子水，分離提取上清液。采用上述順序提取法，Schilling等得到了土壤中不同形態(tài)的硒同位素比值，并提出了化學順序提取法在同位素比值測量上可行性。化學順序提取法在研究硒的形態(tài)時同時可以研究硒元素的同位素比值，相比TCF是一個不錯選擇。但是化學順序提取法的步驟太過繁瑣，對于不同的樣品，化學順序提取的提取液需重新選擇，沒有TCF法普適性高。五、 硒的測量硒的測定按儀器大致可以分為三種：氣體同位素質譜、負離子熱電離質譜（N-TIMS）、多接收杯電感耦合等離

15、子體質譜（MC-ICP-MS）。在這里主要討論MC-ICP-MS的應用。隨著MC-ICP-MS的發(fā)展，由于其準確、快速、簡便的優(yōu)勢，MC-ICP-MS被廣泛應用于各種元素的分析。硒的測定通常是采用氫化物發(fā)生法（hydridegeneration，HG）和MC-ICP-MS連用。雖然MC-ICP-MS的有點有很多，但是在測量過程中的質量漂移仍是一個困擾的問題。本節(jié)主要就HG-MC-ICP-MS方法及質量校正做一個介紹。5.1HG-ICP-MS硒屬于氫化物發(fā)生元素，應用氫化物發(fā)生法可以很好的去除基體對硒的干擾。在光譜分析中，采用氫化物發(fā)生連用AFS已經是很成熟的方法了。在早期Hall（Hall,1

16、997）就采用了氫化物發(fā)生法連用ICP-MS對55種標準物質中As、Bi、Se、Sb、Te進行了測定。對氫化物發(fā)生法的參數(shù)優(yōu)化等方面，Asfaw（Asfaw,2006）對氫化物發(fā)生的各種參數(shù)進行了優(yōu)化討論，提供了氫化物參數(shù)優(yōu)化的方法流程。在氫化物理論上，孫漢文、戴亞明等(孫漢文，2009，戴亞明，2007)提出了一系列的反應機理。IUPAC（Dulivo,2011）就氫化物發(fā)生法提出了一套完整的理論體系。在氫化物發(fā)生器的研究方面，莊峙廈（莊峙廈，1999）、何蔓（何蔓，2002）、孟君（孟君，2007）都對氫化物發(fā)生器做了總結和改善，但現(xiàn)今運用在同位素測試中仍是商品化的氫化物發(fā)生器。在測定時，

17、選用氫化物發(fā)生法主要有兩點。氫化物發(fā)生更一步分離純化了樣品，去除非氫化物發(fā)生元素。另一個更關鍵是硒屬于難電離元素，在普通溶液進樣方式下其信號強度很低，不能滿足測量需求（使用膜去溶裝置除外）。采用氫化物發(fā)生法解決了以上困擾，但是質譜干擾仍然存在。Floor(Floor,2011)等在HG-MC-ICP-MS測定硒同位素時通入甲烷可以達到降低質譜干擾的效果。此外，很多ICP-MS配備了碰撞反應池可以降低氬的多原子離子干擾。HG-MC-ICP-MS在測定地質樣品中的硒同位素已經有很大的突破，樣品量降低到10ng，精度達到0.2。5.2質量校正MC-ICP-MS從問世以來，其儀器本身存在的儀器漂移/質

18、量漂移一致備受關注。Albarède（Albarède,2004）等對前人研究的MC-ICP-MS質量漂移進行歸納。質量漂移從直覺上應該符合線性法則，但隨著研究的深入，線性法則不能解釋一些問題和現(xiàn)象，從而提出了冪法則和指數(shù)法則，最終提出了一套一般性指數(shù)法則（Mare´chal，1999）。針對上述MC-ICP-MS的質量漂移，前人提出了SSB（samplestandardbracketing）、同位素稀釋劑法等對其進行質量校正。Rouxel(Rouxel,2002)、Wen（Wen,2011）等用SSB法測定硒同位素得到很好的結果，精度達到0.2。SSB法使用的條

19、件是基于設備的質量歧視服從穩(wěn)定態(tài)現(xiàn)象的，樣品同位素比值可以用前后兩個標準樣品的日同位素比值進行計算。這一方法使用還要求測試過程中必須在線性變化段或者平滑變化段采集數(shù)據(jù)。此外，測試過程中，實驗人員還需要注意基體效應、濃度、介質等相關因素。（溫漢捷，2008）在采用SSB時，應對各個樣品的回收率進行評估，因為SSB法不能校正純化過程中可能發(fā)生分餾效應。相反，采用雙稀釋劑法就不需要考慮回收率的問題，原因在于樣品中加入的稀釋劑，由于元素的性質，其在整個流程中的行為時一致的。而采用雙稀釋劑法必須要求該同位素有4個以上同位素，硒恰好滿足這一要求。李津等（李津，2011）闡述了雙稀釋劑法的數(shù)學原理。朱建明（

20、朱建明，2008,2014）采用雙稀釋劑法準確測定了碳質頁巖中硒同位素比值，把精度提高了0.1。六、 地質意義根據(jù)前人研究把自然硒分為三個成因(i)原生成因,指成巖時形成的自然硒,后期未發(fā)生變化,此類成因形成的自然硒極少;(ii)次生成因,指主要指在風化的碳質硅質巖中由于表生作用形成的自然硒，(iii)“石煤”(高碳頁巖)自燃成因,主要是人為活動的結果，因而推測大約66%的硒以自然硒的形式賦存在未風化硅質巖和頁巖中,其余以硫化物類質同象和硒礦物的形式存在.但是，關于硒的富集機制，很多專家提出了如下幾種方法：1.類似于淋濾礦床的“氧化還原”模式2.沉積成因，缺氧環(huán)境下與硫化物類質同象3.由于溫度

21、升高和構造活動導致的自然硒的出融。為了解決富集問題，我們采取硒同位素的方法研究硒的富集機制。引自湖北漁塘壩硒礦床中最大硒同位素分餾的發(fā)現(xiàn)及其指示意義海水中和一般火成巖中Se含量相對較低。并且從上圖我們可以看出，在海洋沉積物中，Se同位素比值跨度較之于頁巖和隕石較大，而相對于熱液硫化物和蝕變頁巖來說，海洋沉積物Se同位素比值變化并不大。那對于Se同位素分餾的原因，很多學者提出了不同的模式，比如Johnson的研究證實硒同位素的主要分餾作用是硒酸鹽和亞硒酸鹽的無機和微生物(細菌)還原過程造成的.但關于Se同位素分餾的解釋具有一定局限性，例如海水中的Se分餾就無法用其理論自圓其說，因此，很多科學家提

22、出了更多想法和思考。我以一篇關于湖北魚塘壩礦床研究硒同位素的文章為例，他們認為硒的富集機制可能與地下水的氧化淋濾-次生富集過程密切相關。其主要依據(jù)是，他們研究的魚塘壩硒礦床呈硒含量上部氧化帶低，下部氧化帶高，原生帶低的特征。當?shù)蛢r硒（富集在原巖中的低價硒，其一般與有機物結合或硫化物結合）在潛水面左右被氧化成高價硒后，氧化作用不會產生明顯的同位素分餾，但是隨著高價硒向下滲濾過程，由于氧化還原環(huán)境的改變，高價硒被還原，導致同位素分餾。另外，通過C/N的比值我們也可以看出氧化還原的狀態(tài)，科學家通過采樣分析發(fā)現(xiàn)C/N比例所反映的氧化還原條件與之前推測的用Ce同位素測得的證據(jù)一致。對于硒的富集問題，有學

23、者認為，Ni-Mo-Se多金屬層沉積于大陸邊緣與弧后盆地的過渡帶,然而陸源碎屑對富集金屬的貢獻很小?？刂平饘僭馗患囊蛩乜赡転榇罅扛患饘僭氐臒嵋毫黧w參與和缺氧環(huán)境。熱液來源的硫化物/硫化氫進入海洋體系被金屬離子快速沉淀可能保存熱液硫化物的硫同位素信息,而在鐵受限制的環(huán)境中硫酸鹽還原菌還原海水中微量硫酸鹽起著非常重要的作用。不同礦區(qū)存在區(qū)域的差別,與硫具有相似化學性質的硒,可能主要通過海底熱液中Se與海水中的硒酸鹽混合后通過有機質和粘土礦物吸附或以類質同象的形式富集。因此，以上我們對硒的富集和同位素分餾有了初步認識。七.展望硒在環(huán)境、生物、地質、食品等各學科已經引起廣泛關注。目前測定硒的方

24、法有很多，HPLC-ICP-MS、FI-MC-ICP-MS等已經在得到廣泛的應用了。另外，在相關判斷物源是陸源還是熱液中也有其重要應用。和但對樣品的原位分析硒同位素還沒有報道。樣品前處理耗時太長、儀器質量漂移校正的完善、使用的國際標樣還沒有統(tǒng)一等問題都亟待解決。在硒同位素在地球化學上一些現(xiàn)象的解釋還沒有，如硒同位素比值的變化為什么只在還原過程中發(fā)生，而在氧化過程中并沒有發(fā)現(xiàn)硒同位素比值的變化。這些問題都是今后應該被研究的問題。隨著研究的深入，這些問題勢必會被一一解決，元素硒的行為會被人們更加了解、利用，推動社會的進步。參考文獻1徐芳.硒的化學形態(tài)與生物形態(tài)分析的新技術與新方法D;復旦大學,20

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