铀的仪器分析方法

环境中微量铀的仪器分析方法
一、铀元素简介及选题理由
铀，元素系数92，元素符号为U，是自然界中能够找到的最重元素，在自然状态下主要存在3种同位素，分别为铀-234，铀-235，铀-238均具有放射性和非常长的半衰期。

另外由于人类的使用需要，还存在12种人工同位素，铀226——铀-240。

铀是致密而有延展性的银白色放射性重金属。

在接近绝对零度时具超导特性。

铀的化学性质十分活泼，能和几乎所有的非金属作用且能与多种金属形成合金，在空气中易发生氧化，形成发暗的氧化膜。

此外，铀还可以与酸发生反应。

铀在最初被发现时被用作玻璃及陶瓷釉料添加剂，在1938年发现核裂变现象后成为主要的核原料。

纯度为3%的铀-235被用作核电站原料。

铀元素的储量较大，随着铀提炼技术的提高，几十年来铀的使用量大增，且随着世界范围的能源危机，核能作为一种较为高效的能源，势必会得到更大规模的使用。

然而作为一种具有极长半衰期的放射性重金属，铀在环境中对其他生物的影响很大，因此使用分析仪器对环境中的铀浓度进行测量分析也就很有必要了。

所以这次作业选择铀作为研究对象，了解现有的铀的仪器方法。

二、铀的分析方法
一、紫外脉冲荧光法
1、选用方法的理由：
激光微量铀分析仪的出现，比较完善地解决了多种样品中微量铀的分析问题，在很多领域得到了广泛应用，并且制定成核工业行业标准。

然而近20年的应用证明，该类仪器的最大缺点是由于激光管在高压状态工作，故障发生率较高。

此外，激光管的使用寿命较短，一般情况下，寿命仅一年左右。

这两大缺点，给分析工作带来很大不便。

随着新一代荧光光源的应用，该类仪器的稳定性和光源的使用寿命大大改善，其检出下限不大于0．03 ng／mL (以标准偏差的3倍定义时)；测量精密度不大于10％；量程范围为20 ng／mL，线性关系好，相关系数不小于0．999。

紫外脉冲荧光法是目前分析微量铀的最有效的方法，与其他铀分析技术相比具有以下三个明显优点：
（1）灵敏度高。

由于激发光源是激光，所以它激发样品所产生的信号强
（2）选择性好。

由于该仪器用脉冲激光做光源，不仅根据物质发光波长差异，还根据它的寿命差异选择性分析铀。

（3）方法简便。

对含铀的液体样品，可以直接测定，对含铀的固体样品，只要转化为水溶
液，不用分离、富集等复杂化学操作，亦可快速分析。

2、仪器原理：
样品中被分析物质分子，常态下处于最低能级E0上，若吸收紫外激光能量便跃迁到高能级E11，E12，E13，E21，E22，E23……上,处于第一激发态E11以上的受激分子，与周围分子交换能量，返回E11能级上。

而聚集在第一激发态E11上的分子也不稳定，对于发光现象而言，以不同方式跃迁回基态E0，产生荧光，如果从E11能级跃迁到f能级，之后返回E0产生的光为磷光，E11-f-E11-E0叫延迟荧光。

铀的稀溶液用紫外脉冲激光照射所发出的荧光强度与它的浓度成正比：
根据上式测得的荧光强度便可通过
荧光强度得到铀的浓度，这便是激
光-时间分辨技术的定量数学依据。

3、举例说明：
LMU一3型激光微量铀分析仪是利用激光一时间分辨技术对微量铀进行分析的分析仪器，其由两部分组成，激光器系统和测量系统。

两系统简图如下：
当经由R1，R2使C1，C2。

充电到
某一高压时，如果来一个控制信
号使闸流管导通，则C1 上的
电荷经闸流管迅速放掉但由于
R2值较闸流管导通电阻大得多，
所以C2还来不及放电时，已
在激光管两极阃形成高电压差，
此电压差使激光管内工作气体
产生粒子数反转，即迅速地把大批工作气体分子激发到高能态。

几乎与此同时，管内气体被电离辉光放电，因此又迅速C2上的电荷放掉，激光管两电极间电压差消失被激发的工作气体分子由高能态返回时，产生超辐射激光。

如此不断循环，则可以不断产生脉冲激光。

光电耦合器输出信号经过控制电路，一方面使荧光取样信号产生电踌产生荧光取样控制
信号，另一方面还使激光取样信号产生电路产生激光取样控制信号。

除此之外，当控制电路经过预先设定的累积次数(128)后，通过累积次数电路输出，使A／D转换控制电路产生A／D 转换控制信号，此信号控制A／D转换器把已经累积的荧光和激光强度转换成数字量。

分析结果如下：
(1)检出下限LMU一3型仪器为3×10*（-11） g／ml
(2)不需量程转换即可在较大范围内进行荧光读数。

(3)稳定性方面，对于2X10*（-9）g／ml标准铀样，3.5h计数最大相对偏差为土8 %
4、文献参考
ⅰ、紫外脉冲荧光微量铀分析仪及其应用裴玲云，张乃昌(核工业北京地质研究院，北京100029)2003.7
ⅱ、LMU-3型激光微量铀分析王克权等(核工业北京地质研究院，100029)1994.9
ⅲ、WP一2L型高频等离子体平面光栅摄谱仪在核燃料铀分析中的应用高真等（核工业第405厂） 1993
ⅳ、某矿区含碳硅岩和碳质灰岩中铀的分析邓起鸿（成都核工业研究所） 2010.3
ⅴ、新一代便携式X射线荧光仪及其在铀分析中的初步应用程锋等（成都理工大学，新疆地矿局）2008.11
ⅵ、铀矿石及含铀岩石中四价铀和六价铀分析方法的研究沈珠琴等(核工业北京地质研究院1OO029) 1996.1
二、电感耦合等离子体质谱法
1、选用方法理由
ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体（ICP），它与原子发射光谱仪所用的ICP是一样的，其主体是一个由三层石英套管组成的炬管，炬管上端绕有负载线圈，三层管从里到外分别通载气，辅助气和冷却气，负载线圈由高频电源耦合供电，产生垂直于线圈平面的磁场。

若通过高频装置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁场作用下又会与其它氩原子碰撞产生更多的离子和电子，形成涡流。

强大的电流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达10000k 的等离子焰炬。

样品由载气带入等离子体焰炬会发生蒸发、分解、激发和电离，辅助气用来维持等离子体，冷却气以切线方向引入外管，产生螺旋形气流，使负载线圈处外管的内壁得到冷却。

电感耦合等离子体质谱法具有灵敏度高，检出限低，干扰少的优点，对测量铀等在环境中含量为痕量或是微量的且具有放射性的物质相当有效。

在对微量铀分析同紫外脉冲激光法相比，电感耦合等离子体质谱法具有仪器可靠性高和分析时间短的优点。

2、仪器原理
目前所使用的
ICP-MS仪器的结构和原
理基本相同，首先样品
通过一定的方式变成气
溶胶状态进入等离子体
高中心通道，ICP作为质
谱的高温离子源
(8000K)，样品在高温中
心通道进行蒸发、解离、原子化及电离，最后绝大部分转化成带一个正电荷的离子。

与电子、光子、氩原子一起以超声波速度通过采样锥并膨胀，由于截取锥后的提取透镜一般为负电压，样品正离子被吸引通过截取锥小孔，而大量Ar原子被机械泵抽走，电子被推斥向接地截取锥而淹没。

正离子从大气压等离子体进入真空系统后。

因同性相斥而膨胀，电聚焦透镜将它们集中成一束进入透镜，再对正离子进行之字形偏转，不带电的样品基体、中子、光子与样品正离子进一步分离并撞击仪器壁而消除。

然后正离子进入四极杆滤质系统，并按荷质比相应顺序分离。

3、举例说明
使用Agilent 75OO ce电
感耦合等离子质谱分析矿渣
中的微量铀。

在仪器标准模式下，依次测
定标准系列溶液，建立标准
工作曲线。

l0次样品空白信
号的3倍标准偏差所对应的
分析物浓度为方法的检出限,
铀的检出限分别为0．017
ng/g 。

4、参考文献
ⅰ、ID-ICP-MS测定高纯石英中微量铀的方法研究谭靖等（核工业北京地质研究院分析测试中心，东华理工学院应用化学系）2003.12
ⅱ、电感耦合等离子体质谱法测定矿物渣中微量铀和钍徐鸿志等（山东理工大学）2008.10
ⅲ、铝中超微量铀的ICP—MS测定刘雪梅等 (中国工程物理研究院)2009.9
ⅳ、珊瑚中微量铀的ID—ICP—MS高精度测定及其在珊瑚u／ca温度计研究中的应用韦刚健（中国科学院广州地球化学研究所香港大学地球科学系）1998.3
ⅴ、用电感耦合等离子体质谱法测定高纯铝中的超微量铀和钍 KikuoTakeda 等。