Применение микроволновых систем MARS-5 и UltraWAVE для разложения силикатных пород с последующим МС-ИСП анализом

Проведено сравнение эффективности двух микроволновых систем — камерной MARS-5 и реакторной UltraWAVE — для разложения силикатных пород с последующим определением 32 элементов (Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Nb, Ta, Cs, Ba, 14 РЗЭ, Hf, Ta, Th, U) методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (МС-ИСП). Отработка методик разложения и подтверждение правильности полученных результатов выполнены с использованием международных стандартных образцов — базальтов BHVO-2 и BCR-2, серпентинита UB-N и перидотита JP-1. Микроволновое разложение включало двухстадийную обработку проб смесью концентрированных кислот HF, HNO₃, HCl в MARS-5 (T = 190 °C, P = 20 бар) и UltraWAVE (T = 240 °C, P = 80 бар) с отгонкой избытка фторида в виде SiF₄ между стадиями микроволнового разложения. Определение концентраций аналитов в полученных растворах выполнено с использованием масс-спектрометра высокого разрешения ELEMENT в низком и среднем разрешении по внешней градуировке с учетом кислотного состава растворов и внутренним стандартом (In). Пределы обнаружения аналитов после кислотного разложения в MARS-5 и UltraWAVE сравнимы и позволяют определить все заданные элементы, кроме Ta в JP-1. Использование разработанной методики пробоподготовки в MARS-5 обеспечивает полноту разложения BHVO-2, BCR-2, UB-N с последующим МС-ИСП определением 32 заданных элементов в полученных растворах без дополнительных стадий концентрирования. Погрешность определения составляет 2 – 9 % для BHVO-2, BCR-2 и 3 – 12 % для UB-N с увеличением до 16 – 25 % (Nb, Ta) в связи с приближением к пределу обнаружения. Более эффективное микроволновое разложение в UltraWAVE по сравнению с MARS-5 доказано на примере полного разложения образца JP-1 с переведением в раствор всех элементов, включая Cr.

1. Pinto F., Escalfoni R., Saint’Pierre T. Sample preperation for determination of rare earth elements in geological samples by ICP-MS: a critical review / Anal. Lett. 2012. Vol. 45. N 12. P. 1537 – 1556. DOI: 10.1080/00032719.2012.677778

2. Balaram V., Subramanyam K. S. V. Sample preparation for geochemical analysis: Strategies and significance / Adv. Sample Prep. 2022. Vol. 1. 100010. DOI: 10.1016/j.sampre.2022.100010

3. Cotta A., Enzweiler J. Classical and New Procedures of Whole Rock Dissolution for Trace Element Determination by ICP-MS / Geostand. Geoanal. Res. 2012. Vol. 36. N 1. P. 27 – 50. DOI: 10.1111/j.1751-908X.2011.00115.x

4. Navarro M., Andrade S., Ulbrich H., et al. The direct determination of rare earth elements in basaltic and related rocks using ICP-MS: Testing the efficiency of microwave oven sample decomposition procedures / Geostand. Geoanal. Res. 2008.Vol. 32. N 2. P. 167 – 180. DOI: 10.1111/j.1751-908X.2008

5. Zhang W., Yang F., Zhang C., Wang W. An Experimental Method for Effectively Digesting Geological Samples / J. Geosci. Environ. Prot. 2019. Vol. 7. P. 83 – 89. DOI: 10.4236/gep.2019.76007

6. Bychkova Y. V., Sinitsyn M. Yu., Petrenko D. B., et al. Methodical features of multielement analysis of rocks by inductively coupled plasma mass spectrometry / Vestn. Mosk. Univ. Ser. 4. Geol. 2016. N 6. P. 56 – 63 [in Russian]. DOI: 10.33623/0579-9406-2016-6-56-63

7. Magaldi T., Navarro M., Enzweiler J. Assessment of Dissolution of Silicate Rock Reference Materials with Ammonium Bifluoride and Nitric Acid in a Microwave Oven / Geostand. Geoanal. Res. 2019. Vol. 43. N 1. P. 189 – 208. DOI: 10.1111/ggr.12242

8. Roy P., Balaram V., Kumar A., et al. New REE and trace element data on two kimberlitic reference materials by ICP-MS / Geostand. Geoanal. Res. 2007. Vol. 31. N 3. P. 261 – 273. DOI: 10.1111/j.1751-908X.2007.00836.x

9. Nna-Mvondo D., Martin-Redondo M., Martinez-Frias J. New application of microwave digestion-inductively coupled plasma-mass spectrometry for multi-element analysis in komatiites / Anal. Chim. Acta. 2008. Vol. 628. N 2. P. 133 – 142.DOI: 10.1016/j.aca.2008.09.008

10. Kubrakova I. V., Toropchenova E. S. Microwave sample preparation for geochemical and ecological studies / J. Anal. Chem. 2013. Vol. 68. N 6. P. 467 – 476. DOI: 10.1134/S1061934813060099

11. Totland M., Jarvis I., Jarvis K. An assessment of dissolution techniques for the analysis of geological samples by plasma spectrometry / Chem. Geol. 1992. Vol. 95. N 1 – 2. P. 35 – 62. DOI: 10.1016/0009-2541(92)90042-4

12. Yu Z., Robinson P., McGoldrick P. An evaluation of methods for the chemical decomposition of geological materials for trace element determination using ICP-MS / Geostand. Newsl. 2001. Vol. 25. N 2 – 3. P. 199 – 217. DOI: 10.1111/j.1751-908X.2001.tb00596.x

13. Fedyunina N., Seregina I., Bolshov M., et al. Investigation of the efficiency of the sample pretreatment stage for the determination of the Rare Earth Elements in rock samples by inductively coupled plasma mass spectrometry technique / Anal. Chim. Acta. 2012. Vol. 713. P. 97 – 102. DOI: 10.1016/j.aca.2011.11.035

14. Gupta J. G., Bertrand N. B. Direct ICP-MS determination of trace and ultratrace elements in geological materials after decomposition in a microwave oven. I. Quantitation of Y, Th, U and the lanthanides / Talanta. 1995. Vol. 42. N 11. P. 1595 –1607. DOI: 10.1016/0039-9140(95)01612-0

15. Yasnygina T. A., Markova M. E., Rasskazov S. V., Pakhomova N. N. Determination of Rare-Earth Elements Y, Zr, Nb, Hf, Ta, Th in Reference Specimens from DB Series Using Inductuvely Coupled Plasma Mass-Spectromentry (ICP-MS) / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2015. Vol. 81. N 2. P. 10 – 20 [in Russian].

16. Kravchenko A. A., Nikolaeva I. V., Palessky S. V. Microwave acid digestion of mafic and ultramafic rocks in ICP-MS determination of the rare earth elements / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2020. Vol. 86. N 10. P. 10 – 17 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-10-10-17

17. UltraWAVE: the Game Changer in Microwave Sample Preparation. https://www. milestonesrl.com/products/microwave-digestion/ultrawave (accessed November 18, 2022).

18. Michel T. Breaking the Sample Preparation Bottleneck With a New Approach to Microwave Digestion / Am. Lab. 2010. Vol. 42. N 11. P. 32 – 35.

19. Karasinski J., Bulska E., Wojciechowski M., et al. On-line separation of strontium from a matrix and determination of the 87Sr/86Sr ratio by Ion Chromatography/Multicollector-ICPMS / J. Anal. At. Spectrom. 2016. Vol. 31. N 7. P. 1459 – 1463.DOI: 10.1039/C6JA00109B

20. Karasinski J., Bulska E., Wojciechowski M., et al. High precision direct analysis of magnesium isotope ratio by ion chromatography/multicollector-ICPMS using wet and dry plasma conditions / Talanta. 2017. Vol. 165. P. 64 – 68.DOI: 10.1016/j.talanta. 2016. 12.033

21. Pontér S., Pallavicini N., Engström E., et al. Chromium isotope ratio measurements in environmental matrices by MC-ICP-MS / J. Anal. At. Spectrom. 2016. V. 31. P. 1464 – 1471. DOI: 10.1039/c6ja00145a

22. Cruz-Hernández Y., Ruiz-García M., Villalobos M., et al. Fractionation and mobility of thallium in areas impacted by mining-metallurgical activities: Identification of a water-soluble Tl(I) fraction / Environ. Pollut. 2018. Vol. 237. P. 154 –165. DOI: 10.1016/j.envpol.2018.02.031

23. Shafiee N. S., Achmad Bahar A. M., Ali Khan M. M. Potential of Rare Earth Elements (REEs) in Gua Musang Granites, Gua Musang, Kelantan / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 549. N 1. P. 012027. DOI: 10.1088/1755-1315/549/1/012027

24. Jochum K., Weis U., Schwager B., et al. Reference Values Following ISO Guidelines for Frequently Requested Rock Reference Materials / Geostand. Geoanal. Res. 2016. Vol. 40. N 3. P. 333 – 350. DOI: 10.1111/j.1751-908X.2015.00392.x

25. Godard M., Awaji S., Hansen H., et al. Geochemistry of a long in-situ section of intrusive slow-spread oceanic lithosphere: Results from IODP Site U1309 (Atlantis Massif, 30 degrees N Mid-Atlantic-Ridge) / Earth Planet. Sci. Lett. 2009. Vol. 279. N 1 – 2. P. 110 – 122. DOI: 10.1016/j.epsl.2008.12.034

26. Makishima A., Nakamura E. Determination of major, minor and trace elements in silicate samples by ICP-QMS and ICPSFMS applying isotope dilution-internal standardisation (ID-IS) and multi-stage internal standardisation / Geostand. Geoanal. Res. 2006. Vol. 30. N 3. P. 245 – 271.DOI: 10.1111/j.1751-908X.2006.tb01066.x

27. Makishima A., Nakamura E., Nakano T. Determination of Zirconium, Niobium, Hafnium and Tantalum at ng g-1 levels in geological materials by direct nebulisation of sample HF solution into FL-ICP-MS / Geostand. Newslett. 1999. Vol. 23. N 1. P. 7 – 20. DOI: 10.1111/j.1751-908X.1999.tb00555.x

28. Debret B., Albers E., Walter B., et al. Shallow forearc mantle dynamics and geochemistry: New insights from IODP Expedition 366 / Lithos. 2019. Vol. 326. P. 230 – 245.DOI: 10.1016/j.lithos.2018.10.038

29. Rospabe M., Benoit M., Candaudap F. Determination of Trace Element Mass Fractions in Ultramafic Rocks by HRICPMS: A Combined Approach Using a Direct Digestion/Dilution Method and Preconcentration by Coprecipitation / Geostand. Geoanal. Res. 2018. Vol. 42. N 1. P. 115 – 129. DOI: 10.1111/ggr.12181