非天然同位素丰度的元素浓度测量方法及系统转让专利
申请号 : CN202110698833.X
文献号 : CN113340978B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 梁帮宏 , 苏冬萍 , 甘泉 , 罗婷 , 李顺涛 , 张劲松 , 陈云明 , 李兵 , 王国华 , 姚亮 , 孙鹏
申请人 : 中国核动力研究设计院
摘要 :
本发明公开了非天然同位素丰度的元素浓度测量方法及系统，测量方法包括以下步骤：S1、标准配制：配制天然同位素丰度元素的系列标准溶液B1～Bn；S2、参数调节；S3、标准测量：采用电感耦合等离子体质谱仪分别测量标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率；S4：样品测量：用电感耦合等离子体质谱仪测量样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率；S5、数据处理：计算样品溶液中的元素浓度。本发明针对核行业的同位素富集元素和核反应产物的元素浓度测量时，缺乏标准和参考物质，现有方法存在灵敏度不高或单一方法难以快速测量的问题，首次将电感耦合等离子质谱应用于非天然同位素丰度元素浓度测量领域。
权利要求 :
1.非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、标准配制：配制天然同位素丰度元素的系列标准溶液B1～Bn；
S2、参数调节：电感耦合等离子体质谱仪的参数调节；
S3、标准测量：采用电感耦合等离子体质谱仪分别测量标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率；
S4：样品测量：用电感耦合等离子体质谱仪测量样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率；
S5、数据处理：
S51、基于标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率分别计算标准溶液B1～Bn的总计数率，基于样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率计算样品溶液E的总计数率；
S52、基于标准溶液B1～Bn的总计数率，以及标准溶液B1～Bn对应的浓度，采用最小二乘法计算标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a和斜率值b；
S53、基于样品溶液E的总计数率、截距a和斜率值b，以元素浓度与总计数率的线性方程计算样品溶液E中元素浓度。
2.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S1的具体过程如下：
根据待测元素种类和大致浓度，逐级稀释与待测样品元素种类相同的天然同位素丰度元素标准溶液B0，配制n个系列标准溶液，依据浓度从低到高依次命名为B1、B2……Bn，其对应的元素浓度值分别为DB1、DB2……DBn，单位为nmol/L。
3.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S2的具体过程如下：
S21：调谐：进调谐液，使仪器的指标满足测量要求；
S22：校正：对仪器进行质量校正和检测器的交叉校正。
4.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：
S31：测量B1：测量B1中待测元素的全部同位素的计数率CB11～CB1m，m为B1中待测元素的同位素个数；
S32：按照浓度由低到高的顺序，依次测量B2、B3……Bn，测量方法同S31，分别得到计数率CB21～CB2m、CB31～CB3m……CBn1～CBnm，单位为cps。
5.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S4的具体过程如下：
在所有仪器条件与标准溶液一致的前提下，测量样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率CE1～CEx，x为样品溶液E中待测元素的同位素个数。
6.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S51中，总计数率为待测元素的全部同位素的求和。
7.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S52中，斜率值b的计算模型如下：式中： 为CB1、CB2……CBn的算数平均值，CB1、CB2……CBn分别为标准溶液B1～Bn的总计数率，单位为cps； 为DB1、DB2……DBn的算数平均值，DB1、DB2……DBn分别为B1～Bn的浓度，单位为nmol/L。
8.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S52中，截距a的计算模型如下：式中： 为CB1、CB2……CBn的算数平均值，CB1、CB2……CBn分别为标准溶液B1～Bn的总计数率，单位为cps； 为DB1、DB2……DBn的算数平均值，DB1、DB2……DBn分别为B1～Bn的浓度，单位为nmol/L。
9.根据权利要求1所述的非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，其特征在于，步骤S53中，样品溶液E中元素浓度的计算模型如下：DE＝a+b·CE
式中：DE为样品溶液E的元素浓度，单位为nmol/L；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps，a和b分别为标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性方程的截距和斜率值。
10.一种用于权利要求1‑9任一项所述非天然同位素丰度的元素浓度测量方法的测量系统，其特征在于，包括电感耦合等离子体质谱仪，数据传输模块、数据处理装置；
所述电感耦合等离子体质谱仪用于测量标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率、样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率；
所述数据传输模块用于将电感耦合等离子体质谱仪的测量数据传输至数据处理装置；
所述数据处理装置包括数据接收单元和处理单元，所述数据接收单元用于接收数据传输模块传输的测量数据，所述处理单元调用数据接收单元中的数据并依次计算标准溶液B1～Bn的总计数率、样品溶液E的总计数率、标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a和斜率值b、样品溶液E中元素浓度。
说明书 :
非天然同位素丰度的元素浓度测量方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及核化学与放射化学技术领域，具体涉及非天然同位素丰度的元素浓度测量方法及系统。
背景技术
[0002] 电感耦合等离子体质谱(ICP‑MS)是20世纪80年代发展起来的无机元素和同位素分析测试技术，它以独特的接口技术将电感耦合等离子体的高温电离特性与质谱计的灵敏
快速扫描的优点相结合而形成一种高灵敏度的分析技术。电感耦合等离子体质谱具有灵敏
度高、检测限低、线性范围宽、多元素同时分析、基体干扰小等优点，可测定的元素几乎覆盖
元素周期表中大部分元素，是一种具有广阔前景的痕量(超痕量)无机多元素含量测定技
术，被广泛应用于环境和生命科学、地质和考古学、医学和食品、金属合金和贵金属、矿物
油、核材料、高纯物质等领域。
快速扫描的优点相结合而形成一种高灵敏度的分析技术。电感耦合等离子体质谱具有灵敏
度高、检测限低、线性范围宽、多元素同时分析、基体干扰小等优点，可测定的元素几乎覆盖
元素周期表中大部分元素，是一种具有广阔前景的痕量(超痕量)无机多元素含量测定技
术，被广泛应用于环境和生命科学、地质和考古学、医学和食品、金属合金和贵金属、矿物
油、核材料、高纯物质等领域。
[0003] 电感耦合等离子体质谱仪测量元素浓度时，采用相对测量法进行定量分析，即通过与已知的标准或参考物质比较，实现未知试样中元素的定量分析。自然界出现的每种元
素都有一个或几个同位素，每个特定同位素离子给出的信号与该元素在试样中的浓度呈线
性关系。由于天然元素标准溶液的种类齐全且易于获取，使电感耦合等离子体质谱仪的相
对测量方法可以广泛应用于核行业以外的各个领域。
素都有一个或几个同位素，每个特定同位素离子给出的信号与该元素在试样中的浓度呈线
性关系。由于天然元素标准溶液的种类齐全且易于获取，使电感耦合等离子体质谱仪的相
对测量方法可以广泛应用于核行业以外的各个领域。
[0004] 在核行业中，核科学工作者将要分析以下两种对象的元素浓度：一是人工将天然235 10 88
元素中的某同位素富集，制成浓缩元素，如富集 U的浓缩铀、富集 B的浓缩硼、富集 Sr的
浓缩锶等，这些元素中的同位素种类与天然一致，但其同位素丰度与天然不同；二是各种核
反应产物，如裂变产物、活化产物、衰变产物等，核反应伴随着原子核状态发生变化或新的
原子核的形成。核反应后，元素的同位素组成会发生改变，甚至产生了新的非天然同位素，
233 236 63 89 32
如 U、 U、Ni、Sr、P等。
元素中的某同位素富集，制成浓缩元素，如富集 U的浓缩铀、富集 B的浓缩硼、富集 Sr的
浓缩锶等，这些元素中的同位素种类与天然一致，但其同位素丰度与天然不同；二是各种核
反应产物，如裂变产物、活化产物、衰变产物等，核反应伴随着原子核状态发生变化或新的
原子核的形成。核反应后，元素的同位素组成会发生改变，甚至产生了新的非天然同位素，
233 236 63 89 32
如 U、 U、Ni、Sr、P等。
[0005] 核行业面临的元素浓度分析对象，往往没有与样品同位素组成一致的标准或参考234 235 236 238 234 235 238
物质。如核裂变后的铀元素包含 U、 U、 U、 U，而天然铀元素只有 U、 U、 U，核裂变
的程度不同，铀元素的同位素组成各异，不可能找到与待测样品一致的标准物质。此外，核
工业要测量的多为人工制备的非天然同位素，核反应的装置和条件极其苛刻，标准物质的
制作要付出极大的代价，大多非天然同位素还具有放射性，其制备、运输、使用的要求严格，
往往一“标”难求。面对核行业的特殊应用场景和标准物质缺乏的现状，电感耦合等离子体
质谱仪的使用受到极大限制，使核行业难以将这一具有优势的无机多元素测定技术进行广
泛应用。
物质。如核裂变后的铀元素包含 U、 U、 U、 U，而天然铀元素只有 U、 U、 U，核裂变
的程度不同，铀元素的同位素组成各异，不可能找到与待测样品一致的标准物质。此外，核
工业要测量的多为人工制备的非天然同位素，核反应的装置和条件极其苛刻，标准物质的
制作要付出极大的代价，大多非天然同位素还具有放射性，其制备、运输、使用的要求严格，
往往一“标”难求。面对核行业的特殊应用场景和标准物质缺乏的现状，电感耦合等离子体
质谱仪的使用受到极大限制，使核行业难以将这一具有优势的无机多元素测定技术进行广
泛应用。
[0006] 面对核行业的元素浓度测量需求，业界一般采用两种方法解决：一是浓度较高的元素采用光谱法分析，但光谱的检出限远高于电感耦合等离子质谱仪，而核反应产物的量
往往较低，光谱的应用范围十分有限；二是放射性核素根据其核物理性质，采用能谱法(如α
能谱法、β能谱法和γ能谱法)测量，该法灵敏度高，但无法测量非放射性的稳定同位素，当
面临放射性同位素和稳定同位素同时存在的情况时，无法用一种方法快速测量出目标元素
浓度。如利用反应堆辐照生产同位素时，辐照后的靶件中既有天然稳定同位素，又有核反应
88 89
产生的放射性同位素，如利用富集 Sr靶件生产医用同位素 Sr时，靶件中既有天然锶的同
89 90
位素，又有非天然同位素 Sr、Sr。
往往较低，光谱的应用范围十分有限；二是放射性核素根据其核物理性质，采用能谱法(如α
能谱法、β能谱法和γ能谱法)测量，该法灵敏度高，但无法测量非放射性的稳定同位素，当
面临放射性同位素和稳定同位素同时存在的情况时，无法用一种方法快速测量出目标元素
浓度。如利用反应堆辐照生产同位素时，辐照后的靶件中既有天然稳定同位素，又有核反应
88 89
产生的放射性同位素，如利用富集 Sr靶件生产医用同位素 Sr时，靶件中既有天然锶的同
89 90
位素，又有非天然同位素 Sr、Sr。
[0007] 因此，针对核行业的同位素富集元素和核反应产物分析时，缺乏标准和参考物质，现有方法存在灵敏度不高或单一方法难以快速测量的问题，亟待建立一种对标准物质依赖
性不强、灵敏度高、简单快速的元素测量方法。
性不强、灵敏度高、简单快速的元素测量方法。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供非天然同位素丰度的元素浓度测量方法及系统，利用感耦合等离子体质谱仪，采用普通天然同位素丰度的元素标准，即可测定同位素富集元素和核
反应产物的元素浓度，包括人工制备的非天然同位素，以解决现有采用光谱法和能谱法测
量非天然同位素浓度存在灵敏度低、无法测量非放射性稳定同位素的问题。
反应产物的元素浓度，包括人工制备的非天然同位素，以解决现有采用光谱法和能谱法测
量非天然同位素浓度存在灵敏度低、无法测量非放射性稳定同位素的问题。
[0009] 本发明通过下述技术方案实现：
[0010] 非天然同位素丰度的元素浓度测量方法，包括以下步骤：
[0011] S1、标准配制：配制天然同位素丰度元素的系列标准溶液B1～Bn；
[0012] S2、参数调节：电感耦合等离子体质谱仪的参数调节；
[0013] S3、标准测量：采用电感耦合等离子体质谱仪分别测量标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率；
[0014] S4：样品测量：用电感耦合等离子体质谱仪测量样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率；
[0015] S5、数据处理：
[0016] S51、基于标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率、样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率分别计算标准溶液B1～Bn、样品溶液E的总计数率；
[0017] S52、基于标准溶液B1～Bn的总计数率，以及标准溶液B1～Bn对应的浓度，采用最小二乘法计算标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a和斜率值b；
[0018] S53、基于样品溶液E的总计数率、截距a和斜率值b，以元素浓度与总计数率的线性方程计算样品溶液E中元素浓度。
[0019] 本发明与现有采用电感耦合等离子体质谱仪测量天然同位素丰度的元素浓度测量方法主要存在以下区别：测量数据为全部同位素的计数率，而不是单个同位素的浓度；且
根据实际的数据为全部同位素的计数率设计了对应的数据处理方法。具体地：
根据实际的数据为全部同位素的计数率设计了对应的数据处理方法。具体地：
[0020] (1)本发明不需要与待测样品的元素组成一致的标准溶液
[0021] 根据相对法测量原理，标准物质与待测样品应该保持一致。根据这一原理，按照现有方法，在没有同位素富集元素和核反应产物的元素的对应标准物质的情况下，是无法采
用电感耦合等离子体质谱仪测量非天然同位素丰度元素浓度的。现有方法中，元素标准与
待测样品元素的同位素组成完全一致，电感耦合等离子体质谱仪测量时，选定元素中的一
种同位素同时作为标准及待测样品的被测同位素，仪器将样品与标准溶液信号的响应进行
比较，直接通过仪器内置软件给出样品中待测元素的浓度。若标准物质与样品中元素的同
位素组成不一致，仪器也将按照同位素组成一致的常规方法进行处理，给出完全错误的测
量结果。
用电感耦合等离子体质谱仪测量非天然同位素丰度元素浓度的。现有方法中，元素标准与
待测样品元素的同位素组成完全一致，电感耦合等离子体质谱仪测量时，选定元素中的一
种同位素同时作为标准及待测样品的被测同位素，仪器将样品与标准溶液信号的响应进行
比较，直接通过仪器内置软件给出样品中待测元素的浓度。若标准物质与样品中元素的同
位素组成不一致，仪器也将按照同位素组成一致的常规方法进行处理，给出完全错误的测
量结果。
[0022] 本发明根据同一元素的所有同位素化学性质一致、在高温等离子体中的干燥、蒸发、原子化和电离的响应一致，即电离效率一致的原理，分析推导出以下规律：样品中给定
元素经电感耦合等离子质谱仪的样品引入系统和离子传输系统到达检测器，仪器接收信号
的强弱只与该元素的总原子个数成正比，而与元素的同位素组成无关。根据本发明推导的
这一基本论断，就可利用种类齐全且易于获取的天然元素标准测量非天然同位素丰度元素
浓度，不仅可测量同位素组成与标准不一致的样品，还可以测量标准中不存在的人工制备
的新同位素。
元素经电感耦合等离子质谱仪的样品引入系统和离子传输系统到达检测器，仪器接收信号
的强弱只与该元素的总原子个数成正比，而与元素的同位素组成无关。根据本发明推导的
这一基本论断，就可利用种类齐全且易于获取的天然元素标准测量非天然同位素丰度元素
浓度，不仅可测量同位素组成与标准不一致的样品，还可以测量标准中不存在的人工制备
的新同位素。
[0023] (2)本发明的数据处理方法与现有方法不一致
[0024] 现有方法按照相对测量法原理，要求标准溶液和样品的同位素组成严格一致，样品与已知浓度的标准溶液的计数率比较，直接给出样品中元素浓度。该方法内置于仪器的
软件中，测量结果直接在商用仪器软件界面给出。
软件中，测量结果直接在商用仪器软件界面给出。
[0025] 本发明配制的元素标准溶液与待测样品元素组成不同，标准溶液中的元素为天然丰度，而待测样品元素的同位素为非天然丰度，甚至在样品元素中含有新的人工同位素。根
据本发明推导的规律，不再按照现有方法选定一种同位素作为监测对象，而是将元素的全
部同位素作为监测对象，即在标准和样品中均以待测元素的全部同位素计数率之和作为监
测的对象。将系列标准溶液的测量数据作为观察样本，计算出标准溶液的元素浓度与总计
数率的一元线性回归方程。该一元线性回归方程即为预测模型，用于计算出待测样品的元
素浓度。
据本发明推导的规律，不再按照现有方法选定一种同位素作为监测对象，而是将元素的全
部同位素作为监测对象，即在标准和样品中均以待测元素的全部同位素计数率之和作为监
测的对象。将系列标准溶液的测量数据作为观察样本，计算出标准溶液的元素浓度与总计
数率的一元线性回归方程。该一元线性回归方程即为预测模型，用于计算出待测样品的元
素浓度。
[0026] 因此，本发明所述测量方法可利用种类齐全且易于获取的天然元素标准测量非天然同位素丰度元素浓度，不仅可测量同位素组成与标准不一致的样品，还可以测量标准中
不存在的人工制备的新同位素。可用天然非放射性标准物质替代原来的放射性标准物质，
不仅节约了资源、降低了人员受照剂量，关键还解决了核行业的特殊应用场景和标准物质
缺乏的问题，使灵敏度高、功能强大的电感耦合等离子体质谱仪在核行业得以广泛应用。
不存在的人工制备的新同位素。可用天然非放射性标准物质替代原来的放射性标准物质，
不仅节约了资源、降低了人员受照剂量，关键还解决了核行业的特殊应用场景和标准物质
缺乏的问题，使灵敏度高、功能强大的电感耦合等离子体质谱仪在核行业得以广泛应用。
[0027] 进一步地，步骤S1的具体过程如下：
[0028] 根据待测元素种类和大致浓度，逐级稀释与待测样品元素种类相同的天然同位素丰度元素标准溶液B0，配制n个系列标准溶液，依据浓度从低到高依次命名为B1、B2……Bn，
其对应的元素浓度值分别为DB1、DB2……DBn，单位为nmol/L。
其对应的元素浓度值分别为DB1、DB2……DBn，单位为nmol/L。
[0029] 进一步地，步骤S2的具体过程如下：
[0030] S21：调谐：进调谐液，使仪器的指标满足测量要求；
[0031] S22：校正：对仪器进行质量校正和检测器的交叉校正。
[0032] 进一步地，步骤S3的具体过程如下：
[0033] S31：测量B1：测量B1中待测元素的全部同位素的计数率CB11～CB1m，m为B1中待测元素的同位素个数；
[0034] S32：按照浓度由低到高的顺序，依次测量B2、B3……Bn，测量方法同S31，分别得到计数率CB21～CB2m、CB31～CB3m……CBn1～CBnm，单位为cps。
[0035] 进一步地，步骤S4的具体过程如下：
[0036] 在所有仪器条件与标准溶液一致的前提下，测量E中待测元素的全部同位素的计数率CE1～CEx，x为E中待测元素的同位素个数。
[0037] 进一步地，步骤S51中，总计数率为待测元素的全部同位素的求和。
[0038] 计算标准溶液B1～Bn和样品溶液E的总计数率：
[0039]
[0040]
[0041] 以此类推，有：
[0042]
[0043]
[0044] 式中，CB1、CB1……CBn分别为标准溶液B1、B2……Bn的总计数率，单位为cps；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps。
[0045] 进一步地，步骤S52中，斜率值b的计算模型如下：
[0046]
[0047] 式中： 为CB1、CB2……CBn的算数平均值，CB1、CB2……CBn分别为标准溶液B1～Bn的总计数率，单位为cps； 为DB1、DB2……DBn的算数平均值，DB1、DB2……DBn分别为B1～Bn的浓
度，单位为nmol/L。
度，单位为nmol/L。
[0048] 进一步地，步骤S52中，截距a的计算模型如下：
[0049]
[0050] 式中： 为CB1、CB2……CBn的算数平均值，CB1、CB2……CBn分别为标准溶液B1～Bn的总计数率，单位为cps； 为DB1、DB2……DBn的算数平均值，DB1、DB2……DBn分别为B1～Bn的浓
度，单位为nmol/L。
度，单位为nmol/L。
[0051] 进一步地，步骤S53中，样品溶液E中元素浓度的计算模型如下：
[0052] DE＝a+b·CE (7)
[0053] 式中：DE为样品溶液E的元素浓度，单位为nmol/L；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps，a和b分别为标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性方程的截距和斜率值。
[0054] 样品溶液E的元素浓度可由物质的量浓度换算为质量浓度，计算公式为：
[0055] D'E＝MEDE/103 (8)
[0056] 式中，D'E为样品溶液E中元素的物质的量浓度，单位为μg/L；ME为样品溶液E中元素的平均原子量。
[0057] 一种非天然同位素丰度的元素浓度测量系统，包括电感耦合等离子体质谱仪，数据传输模块、数据处理装置；
[0058] 所述电感耦合等离子体质谱仪用于测量标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率、样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率；
[0059] 所述数据传输模块用于将电感耦合等离子体质谱仪的测量数据传输至数据处理装置；
[0060] 所述数据处理装置包括数据接收单元和处理单元，所述数据接收单元用于接收数据传输模块传输的测量数据，所述处理单元调用数据接收单元中的数据并依次计算标准溶
液B1～Bn、样品溶液E的总计数率、标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a
和斜率值b、样品溶液E中元素浓度。
液B1～Bn、样品溶液E的总计数率、标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a
和斜率值b、样品溶液E中元素浓度。
[0061] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0062] 1、本发明针对核行业的同位素富集元素和核反应产物的元素浓度测量时，缺乏标准和参考物质，现有方法存在灵敏度不高或单一方法难以快速测量的问题，首次将电感耦
合等离子质谱应用于非天然同位素丰度元素浓度测量领域，为非天然同位素丰度元素浓度
测量提供了新的思路。
合等离子质谱应用于非天然同位素丰度元素浓度测量领域，为非天然同位素丰度元素浓度
测量提供了新的思路。
[0063] 2、本发明对标样的依赖性不强，可利用种类齐全且易于获取的天然元素标准测量非天然同位素丰度元素浓度，不仅可测量同位素组成与标准不一致的样品，还可以测量标
准中不存在的人工制备的新同位素，可用天然非放射性标准物质替代原来的放射性标准物
质，节约了资源、降低了人员受照剂量。
准中不存在的人工制备的新同位素，可用天然非放射性标准物质替代原来的放射性标准物
质，节约了资源、降低了人员受照剂量。
[0064] 3、本发明基于电感耦合等离子体质谱仪对元素浓度进行测量，方法的灵敏度高6 ‑1
(大于1.2×10cps/μg.L )，检出限低(小于1ng/L)，即本发明灵敏度高、检出限低。
(大于1.2×10cps/μg.L )，检出限低(小于1ng/L)，即本发明灵敏度高、检出限低。
[0065] 4、本发明流程简单，测量效率高，可快速测量非天然丰度同位素的元素浓度，具体广泛的应用前景。
具体实施方式
[0066] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本
发明的限定。
发明的限定。
[0067] 实施例1：测量富集10B的浓缩硼浓度
[0068] 具体包括以下顺序进行的步骤：
[0069] S1：标准配制：配制天然同位素丰度硼的系列标准溶液B1～B5；
[0070] S11：根据待测元素种类和大致浓度，逐级稀释与待测样品元素种类相同的天然同位素丰度硼标准溶液B0(B0中硼浓度为1000mg/L)，配制5个系列标准溶液，依据浓度从低到
高依次命名为B1、B2……B5，硼元素质量浓度值分别为0μg/L、1μg/L、10μg/L、50μg/L、100μ
g/L，对应硼的物质的量浓度为DB1＝0nmol/L、DB2＝9.250nmol/L、DB3＝925.0nmol/L、DB4＝
4625nmol/L、DB5＝9250nmol/L。其中，准溶液B0为普通市售的硼元素浓度标准溶液，系列标
准溶液的浓度涵盖待测样品的浓度；
高依次命名为B1、B2……B5，硼元素质量浓度值分别为0μg/L、1μg/L、10μg/L、50μg/L、100μ
g/L，对应硼的物质的量浓度为DB1＝0nmol/L、DB2＝9.250nmol/L、DB3＝925.0nmol/L、DB4＝
4625nmol/L、DB5＝9250nmol/L。其中，准溶液B0为普通市售的硼元素浓度标准溶液，系列标
准溶液的浓度涵盖待测样品的浓度；
[0071] S2：参数调节：电感耦合等离子体质谱仪参数调节；
[0072] S21：调谐：进调谐液，使仪器的灵敏度、氧化物等指标满足测量要求；
[0073] S22：校正：对仪器进行质量校正和检测器的交叉校正；
[0074] S3：标准测量：采用电感耦合等离子体质谱仪测量系列标准溶液B1～B5；
[0075] S31：测量B1：测量B1中待测元素的全部同位素的计数率CB11＝62cps、CB12＝241cps；
[0076] S32：按照浓度由低到高的顺序，依次测量B2、B3……B5，测量方法同S31，分别得到5 5 6
计数率CB21＝1.770×10 cps、CB22＝7.154×10 cps、CB31＝1.773×10cps、CB32＝7.163×
6 6 7 7
10cps、CB41＝8.938×10 cps、CB42＝3.613×10cps、CB51＝1.790×10cps、CB52＝7.198×
7
10cps；
计数率CB21＝1.770×10 cps、CB22＝7.154×10 cps、CB31＝1.773×10cps、CB32＝7.163×
6 6 7 7
10cps、CB41＝8.938×10 cps、CB42＝3.613×10cps、CB51＝1.790×10cps、CB52＝7.198×
7
10cps；
[0077] S4：样品测量：采用电感耦合等离子体质谱仪测量样品溶液E：
[0078] 在所有仪器条件与标准溶液一致的前提下，测量E中待测元素的全部同位素的计6 5
数率CE1＝5.649×10cps、CE2＝3.681×10cps；
数率CE1＝5.649×10cps、CE2＝3.681×10cps；
[0079] S5：数据处理：计算样品溶液E中的硼浓度：
[0080] S51：计算标准溶液B1～B5和样品溶液E的总计数率：
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087] 式中，CB1、CB1……CB5分别为标准溶液B1、B2……B5的总计数率，单位为cps；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps；
[0088] S52：计算一元线性回归方程的截距a和斜率值b：标准溶液的元素浓度与总计数率之间应存在密切的线性正相关关系，所以元素浓度与总计数率的回归方程应该是个一元线
性回归方程。将系列标准溶液的测量数据作为观察样本，采用最小二乘法即可计算出上述
一元线性回归方程的截距a和斜率值b，计算公式如下：
性回归方程。将系列标准溶液的测量数据作为观察样本，采用最小二乘法即可计算出上述
一元线性回归方程的截距a和斜率值b，计算公式如下：
[0089]
[0090]
[0091] 式中： 为CB1、CB2……CB5的算数平均值，单位为cps； 为DB1、DB2……DB5的算数平均值，单位为nmol/L；
[0092] S53：计算样品溶液E中元素浓度：S52所述一元线性回归方程即为预测模型，用于计算出待测样品的元素浓度。则样品元素浓度计算公式为：
[0093] DE＝‑27.77+1.032×10‑4CE＝593.2nmol/L (17)
[0094] 式中：DE为样品溶液E的元素浓度，单位为nmol/L；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps；
[0095] 样品溶液E的元素浓度可由物质的量浓度换算为质量浓度，计算公式为：
[0096] D'E＝MEDE/103＝5.98μg/L (18)
[0097] 式中，D'E为样品溶液E中元素的物质的量浓度，单位为μg/L；ME为样品溶液E中元素的平均原子量。
[0098] 本实施例中，标准溶液为天然硼，样品为浓缩硼，标准溶液和样品的同位素组成差异很大(见表1所示)，通过本发明的方法，采用天然硼标准溶液实现了对核行业浓缩硼浓度
的准确测量。
的准确测量。
[0099] 表1实施例1的标准溶液和样品的同位素丰度
[0100] 10B 11B标准溶液 19.9％ 80.1％
样品 93.9％ 6.1％
样品 93.9％ 6.1％
[0101] 实施例2：核裂变后的铀浓度测量
[0102] 具体包括以下顺序进行的步骤：
[0103] S1：标准配制：配制天然同位素丰度铀的系列标准溶液B1～B4；
[0104] S11：根据待测元素种类和大致浓度，逐级稀释与待测样品元素种类相同的天然同位素丰度铀标准溶液B0(B0中铀浓度为100mg/L)，配制5个系列标准溶液，依据浓度从低到
高依次命名为B1、B2……B4，其对应的铀元素浓度值分别为1μg/L、10μg/L、DB3＝50μg/L、100
μg/L，其对应的铀的物质的量浓度值分别为DB1＝4.201nmol/L、DB2＝42.01nmol/L、DB3＝
210.1nmol/L、DB4＝420.1nmol/L。其中，准溶液B0为市售的铀元素浓度标准溶液，系列标准
溶液的浓度涵盖待测样品的浓度；
高依次命名为B1、B2……B4，其对应的铀元素浓度值分别为1μg/L、10μg/L、DB3＝50μg/L、100
μg/L，其对应的铀的物质的量浓度值分别为DB1＝4.201nmol/L、DB2＝42.01nmol/L、DB3＝
210.1nmol/L、DB4＝420.1nmol/L。其中，准溶液B0为市售的铀元素浓度标准溶液，系列标准
溶液的浓度涵盖待测样品的浓度；
[0105] S2：参数调节：电感耦合等离子体质谱仪参数调节；
[0106] S21：调谐：进调谐液，使仪器的灵敏度、氧化物等指标满足测量要求；
[0107] S22：校正：对仪器进行质量校正和检测器的交叉校正；
[0108] S3：标准测量：采用电感耦合等离子体质谱仪测量系列标准溶液B1～B4；
[0109] S31：测量B1：测量B1中待测元素的全部同位素的计数率CB11＝1.690×102cps、CB123 6
＝8.911×10cps、CB13＝1.201×10cps；
＝8.911×10cps、CB13＝1.201×10cps；
[0110] S32：按照浓度由低到高的顺序，依次测量B2、B3……B4，测量方法同S31，分别得到2 4 7
计数率CB21＝8.040×10 cps、CB22＝8.712×10 cps、CB23＝1.199×10cps、CB31＝3.707×
3 5 7 3
10cps、CB32＝4.400×10 cps、CB33＝5.911×10cps、CB41＝7.226×10cps、CB42＝8.665×
5 8
10cps、CB43＝1.190×10cps；
计数率CB21＝8.040×10 cps、CB22＝8.712×10 cps、CB23＝1.199×10cps、CB31＝3.707×
3 5 7 3
10cps、CB32＝4.400×10 cps、CB33＝5.911×10cps、CB41＝7.226×10cps、CB42＝8.665×
5 8
10cps、CB43＝1.190×10cps；
[0111] S4：样品测量：采用电感耦合等离子体质谱仪测量样品溶液E：
[0112] 测量样品溶液E：在所有仪器条件与标准溶液一致的前提下，测量E中待测元素的4 6 5
全部同位素的计数率CE1＝4.324×10cps、CE2＝3.762×10cps、CE3＝6.198×10cps、CE4＝
7
6.051×10cps；
全部同位素的计数率CE1＝4.324×10cps、CE2＝3.762×10cps、CE3＝6.198×10cps、CE4＝
7
6.051×10cps；
[0113] S5：数据处理：计算样品溶液E中的铀浓度：
[0114] S51：计算标准溶液B1～B5和样品溶液E的总计数率：
[0115]
[0116]
[0117]
[0118]
[0119]
[0120] 式中，CB1、CB1……CB4分别为标准溶液B1、B2……B4的总计数率，单位为cps；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps；
[0121] S52：计算一元线性回归方程的截距a和斜率值b：标准溶液的元素浓度与总计数率之间应存在密切的线性正相关关系，所以元素浓度与总计数率的回归方程应该是个一元线
性回归方程。将系列标准溶液的测量数据作为观察样本，采用最小二乘法即可计算出上述
一元线性回归方程的截距a和斜率值b，计算公式如下：
性回归方程。将系列标准溶液的测量数据作为观察样本，采用最小二乘法即可计算出上述
一元线性回归方程的截距a和斜率值b，计算公式如下：
[0122]
[0123]
[0124] 式中： 为CB1、CB2……CB4的算数平均值，单位为cps； 为DB1、DB2……DB4的算数平均值，单位为nmol/L；
[0125] S53：计算样品溶液E中元素浓度：S52所述一元线性回归方程即为预测模型，用于计算出待测样品的元素浓度。则样品元素浓度计算公式为：
[0126] DE＝1.021×10‑1+3.507×10‑6CE＝227.8nmol/L (26)
[0127] 式中：DE为样品溶液E的元素浓度，单位为nmol/L；CE为样品溶液E的总计数率，单位为cps；
[0128] 样品溶液E的元素浓度可由物质的量浓度换算为质量浓度，计算公式为：
[0129] D'E＝MEDE/103＝54.19μg/L (27)
[0130] 式中，D'E为样品溶液E中元素的物质的量浓度，单位为μg/L；ME为样品溶液E中元素的平均原子量。
[0131] 本实施例中，标准溶液为天然铀，样品为核裂变反应后的铀，样品中含有标准溶液236
没有的 U(见表2所示)，通过本发明的方法，采用天然铀标准溶液实现了对核行业裂变反
应后的铀元素浓度的准确测量。
没有的 U(见表2所示)，通过本发明的方法，采用天然铀标准溶液实现了对核行业裂变反
应后的铀元素浓度的准确测量。
[0132] 表2实施例2的标准溶液和样品的同位素丰度
[0133] 234 235 236 238 U U U U
标准溶液 0.006％ 0.72％ —— 99.27％
样品 0.07％ 5.81％ 0.96％ 93.16％
标准溶液 0.006％ 0.72％ —— 99.27％
样品 0.07％ 5.81％ 0.96％ 93.16％
[0134] 实施例3：
[0135] 一种非天然同位素丰度的元素浓度测量系统，包括电感耦合等离子体质谱仪，数据传输模块、数据处理装置；
[0136] 所述电感耦合等离子体质谱仪用于测量标准溶液B1～Bn中待测元素的全部同位素的计数率、样品溶液E中待测元素的全部同位素的计数率；
[0137] 所述数据传输模块用于将电感耦合等离子体质谱仪的测量数据传输至数据处理装置；
[0138] 所述数据处理装置包括数据接收单元和处理单元，所述数据接收单元用于接收数据传输模块传输的测量数据，所述处理单元调用数据接收单元中的数据并依次计算标准溶
液B1～Bn、样品溶液E的总计数率、标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a
和斜率值b、样品溶液E中元素浓度。
液B1～Bn、样品溶液E的总计数率、标准溶液的元素浓度与总计数率之间线性关系的截距a
和斜率值b、样品溶液E中元素浓度。
[0139] 本实施例所述测量系统能够用于实现实施例1和实施例2所述测量方法。
[0140] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。