摘要：近十来年铁铜锌同位素研究已经成为热门研究领域，铁铜锌同位素分析方法日趋成熟，但是铁铜锌同位素标准物质却十分匮乏。目前欧盟参考物质及测量研究所(IRMM)有1个铁同位素标准物质和1个锌同位素标准物质，前者售罄，后者价格昂贵；美国国家标准局(NIST)有1个铜同位素标准物质。为了适应我国铁铜锌同位素研究的发展，本文使用铁铜锌元素浓度标准溶液作为备选标准溶液研制了铁铜锌三个同位素标准溶液(CAGS-Fe、CAGS-Cu和CAGS-Zn)。三个备选标准溶液经过F检验均匀性良好；在38个月内δ56Fe、δ57Fe、δ65Cu、δ66Zn 和δ68Zn值没有显著性变化，具有良好的稳定性；主要特性值的推荐值及95%置信水平的不确定度为：CAGS-Fe，δ56FeIRMM014(‰)=0.80±0.05，δ57FeIRMM014(‰)=1.20±0.10；CAGS-Cu，δ65CuIRMM976(‰)=0.57±0.06；CAGS-Zn，δ66ZnIRMM3702(‰)=-0.77±0.10，δ68ZnIRMM3702(‰)=-1.55±0.13。本文研制的标准溶液可用于多接收器等离子体质谱仪测定铁铜锌同位素时的仪器校正和质谱分析过程监控，对于不同实验室的测试数据对比具有重要意义。
关键词：铁铜锌同位素； 标准溶液； 特性值; 多接收器电感耦合等离子体质谱法
铁、铜、锌同属于过渡族元素，随着多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)技术的发展，铁、铜、锌同位素正在逐渐广泛和深入地应用于地球科学的各个领域，其中包括地质成矿过程、壳幔物质循环、古环境研究、生物圈对岩石圈的作用等，取得了很多突出的研究成果，成为备受关注的同位素地球化学研究方向[1-4]。
铁、铜、锌同位素研究，依赖于同位素组成的高精准的分析方法，而方法的建立和校准则要以标准物质为基础。国际标准物质是稳定同位素测定的基准点。目前，国际上使用的铁、锌同位素标准物质是由欧盟参考物质及测量研究所(IRMM)研制的IRMM-014和IRMM-3702，分别是纯铁丝和硝酸锌溶液；铜同位素标准物质是由美国国家标准局(NIST)研制的SRM976，是纯铜块。这些标准物质价格昂贵，比较稀缺，甚至铁同位素的国际标准物质 IRMM-014已经售罄，因此使用时慎之又慎。另外，测定铁、铜、锌同位素组成时仅有一种国际标准物质是不够的。通常，在进行仪器和流程校正时至少还需要另外一种标准物质(通常称为实验室标准物质)，这个标准物质与国际标准物质之间的差异作为一把简易的尺子来衡量仪器状态是否正常[5-6]。实验室标准物质还可以直接作为样品分析时的基点，分析测试完成后根据实验室标准物质和国际标准物质的同位素差异，再将样品同位素组成数据换算至相对于国际标准物质的同位素结果。
近年来，国际上的铁铜锌同位素研究取得了巨大的发展，我国相关研究成果也不断涌现。而实验室标准物质的研究仍然很欠缺，相关实验室的实验室标准物质的研究缺乏长期性和系统性。国土资源部同位素地质重点实验室作为我国最早开展铁、铜、锌同位素研究的实验室，遵循GB/T15000系列导则，按照《一级标准物质技术规范》(JJG 1006—1994)和《标准物质定值的通用原则及统计学原理》(JJF1343—2012)规范[7]，研制了铁、铜、锌三种同位素标准溶液，确定了它们相对于国际标准物质的同位素差异。这三种标准溶液可以作为样品测定的参比标准，实现量值的传递与测试仪器的校准、分析质量的监控和分析方法的评定。
1 铁铜锌同位素分析方法
1.1 铁铜锌同位素组成的表示
铁、铜、锌同位素组成通常用δ值表示，δ(‰)=(R样品/R标准-1)×1000。式中：δ为样品中同位素比值相对于国际标准同位素比值的千分差值，R样品为样品中的同位素比值，R标准为国际标准中的同位素比值。铁、铜、锌同位素组成表示如下：
δxFe/54Fe(‰)
(x=56,57)
δ65Cu/63 Cu(‰)
δ xZn/64Zn(‰)
(x=66,68)
利用多接收器电感耦合等离子体质谱仪Nu-Plasma HR(英国Nu Instrument)测定，样品通过自动进样器和DSN-100膜去溶装置进入等离子体，仪器的质量歧视校正采用标准样品标准方法(Standard-Sample Bracketing,SSB)。铁同位素在高分辨条件下测定[8]，铜、锌同位素在低分辨条件下测定[9-11]。
1.2 铁铜锌同位素国际标准物质储备液制备方法
铁同位素国际标准物质储备液：准确称取一定质量的IRMM-014(铁丝)，加入硝酸加热溶解，再以水稀释，配制成含Fe的400 μg/mL标准储备溶液，使用时逐级稀释至2.5 μg/mL。
铜同位素国际标准物质储备液：取适量SRM-976(铜块)称重，加硝酸溶解，待完全溶解后蒸干，转化为盐酸介质，配制成含Cu的200 μg/mL标准储备溶液。使用时逐级稀释至0.2 μg/mL。
锌同位素国际标准物质储备液：将IRMM-3702(Zn的浓度是3.074 μmol/g，1 mol/L硝酸介质)蒸干，转化为盐酸介质，配制成含Zn的20 μg/mL标准储备溶液。使用时逐级稀释至0.2 μg/mL。
2 铁铜锌标准溶液的制备
2.1 标准溶液的选取
按照GB/T15000.5—1994标准样品工作导则中物料选取的原则，同时考虑同位素标准溶液的特性，备选同位素标准溶液需要同时满足两个基本要求：①标准溶液纯度要高，避免其他杂质元素同位素的信号干扰被测元素同位素的信号；②实验室标准与国际标准的同位素组成要有一定差异，在仪器测试时，首先要判断仪器的工作状态，先通过多次测试工作标准的同位素比值，观察仪器的内精度。如果内精度达到要求，再把实验室标准作为样品，测定实验室标准与国际标准间的同位素差异(δ值)，将结果与标准参考值进行比较，并判断各组同位素比值是否符合质量分馏(比如δ56Fe与δ57Fe是否是2/3关系)。如果测定结果与参考值一致，并且符合质量分馏，说明仪器状态满足要求，可以进行样品的分析。但是，当工作标准与国际标准的同位素组成基本一致，即δ值为“0”时，就不利于识别判断仪器的工作状态，因此需要实验室标准与国际标准之间的同位素有一定差异。由于不同生产机构购买的单元素浓度标准溶液的纯度不尽相同，而且在提纯铁、铜、锌单质元素时，不同的制备工艺会导致铁、铜、锌的同位素组成有所差异，例如纯的铁丝和铁粉，由于提纯制作工艺不同，它们的铁同位素组成就各不相同。国际上通用的铁同位素国际标准IRMM-014是纯的铁丝，测试发现，其他由铁丝制成的Fe元素浓度标准溶液的Fe同位素组成与IRMM-014基本一致，即δ值为“0”。经过实验，本文选择北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的铁铜锌单元素浓度标准溶液，作为铁铜锌同位素的备选标准溶液，进行铁铜锌同位素标准溶液的研制。
2.2 标准溶液的制备和分装
研制铁铜锌同位素标准溶液所用的试剂包括：Milli-Q水(电阻率18.2 MΩ·cm)，高纯盐酸和硝酸(国产优级纯盐酸和硝酸经过二次亚沸蒸馏纯化)。标准溶液瓶采用进口15 mL高密度聚乙烯小瓶，使用纯硝酸和 Milli-Q水反复加热洗净后烘干备用。
铁同位素备选标准溶液：将铁元素浓度标准溶液2000 mL，放入高密度聚乙烯瓶中，充分混匀后分装至15 mL小瓶中，每瓶10 mL，Fe的浓度为1000 μg/mL，介质为1 mol/L硝酸。瓶口密封，再装入盒中避光静置保存。此溶液暂命名为CAGS-Fe。
铜同位素备选标准溶液：将同一批号20瓶(50 mL/瓶)铜元素浓度标准溶液倒入1000 mL高密度聚乙烯瓶中，充分混匀后从中取出120 mL,加热蒸干，转移成盐酸介质，配制成Cu的浓度为1000 μg/mL，介质为5%盐酸，静置充分混匀。取此溶液1 mL,装至15 mL小瓶中，加Milli-Q水9 mL,配得Cu的浓度为100 μg/mL，介质为0.5%盐酸, 共120瓶。瓶口密封，再装入盒中避光静置保存。此溶液暂命名为CAGS-Cu。
锌同位素备选标准溶液：将同一批号20 瓶(50 mL/瓶)锌元素浓度标准溶液倒入1000 mL高密度聚乙烯瓶中，充分混匀后从中取出120 mL,加热蒸干，转移成盐酸介质，配制成Zn的浓度为1000 μg/mL，介质为5%盐酸，静置充分混匀。取此溶液1 mL,装至15 mL小瓶中，加Milli-Q水9mL,配得Zn的浓度为100 μg/mL，介质为0.5%盐酸，共120瓶。瓶口密封，再装入盒中避光静置保存。此溶液暂命名为CAGS-Zn。
上述溶液稀释后，利用多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)仪器对干扰元素的谱峰进行扫描，虽然有少量杂质元素，但经过检验不会对铁铜锌同位素组成的测定产生影响。
3 铁铜锌标准溶液的均匀性和稳定性检验
3.1 均匀性检验
铁铜锌同位素备选标准溶液都是浓度标准溶液，虽然它们各自的元素浓度是均匀的，但是铁铜锌同位素特性值的均匀性如何还是需要进一步检验。按照国家一级标准物质技术规范(JJF1006—94)，铁铜锌标准溶液各随机抽取15个样品，每个样品取2份，CAGS-Fe标准溶液以0.1 mol/L硝酸逐级稀释至含Fe为2.5 μg/mL的溶液，测定δ56Fe和δ57Fe。CAGS-Cu和CAGS-Zn标准溶液，逐级稀释至含Cu、Zn各为0.2 μg/mL的溶液，测定δ65Cu和δ66Zn、δ68Zn。均匀性检验采用GB/T15000.3—2008/ISO Guide35:2006推荐的方差分析法，铁铜锌备选标准溶液各特性量值的方差SS、自由度df、均方MS、统计量F和临界值Fα(ν1,ν2)汇于表1中。
经计算得到的F<Fα (v1，v2)，可认为数据组间无明显差异，铁铜锌备选标准溶液的均匀性检验合格。根据均匀性检验方法和结果，确定标准样品最小取样量为2 μL。
表 1 均匀性检验分析结果
Table 1 Analytical results of homogeneity test
3.2 稳定性检验
对铁铜锌同位素备选标准溶液的稳定性检验，包括短期稳定性和长期稳定性检验。短期稳定性检测了备选标准溶液在经过夏冬两季、0～5℃和50℃分别恒温8 h、搬运(飞机、火车运输)前后，它们的特性值没有变化，均在测量误差范围内。长期稳定性通过在38个月期间不定期(先短后长)测定，将多次特性值测量数据统计，采用 t 检验法检验稳定性。测试的实验方法与定值分析相同，不同时间间隔各标准溶液中铁铜锌同位素组成的累计测试数据和统计分析结果见表2。按照GB/T15000.3—2008/ISO Guide35:2006推荐的一元线性拟合模型对稳定性进行评价并计算不确定度，当|b1|<t0.95,n-2×S(b1)，表明斜率是不显著的，样品的稳定性良好，符合国家标准物质制备要求。
表 2 标准溶液稳定性分析结果
Table 2 Analytical results of long-term stability test
4 铁铜锌标准溶液的定值和不确定度评估
4.1 定值分析方法
由于我国开展铁铜锌同位素研究的实验室较少，本研究采用独家定值。由实验室具有同位素分析工作经验的分析人员，各自独立按照铁铜锌同位素分析方法进行分析，铁、铜和锌同位素分别得到10、7和6组数据，每组数据各有6个测试数据。按照计量技术规范 JJF1343—2012 中标准物质定值的通用原则及统计学原理，所有数据利用格拉布斯(Grubbs)检验法，对组内可疑值进行了检验，未发现可疑值。采用科科伦法(Cochran)对组间数据的标准偏差进行了等精度检验，各数据组没有显著性差异。当各组数据等精度时，用格拉布斯(Grubbs)法对各组数据平均值进行检验，各平均值无显著性差异，而后合并所有数据，检验数据分布的正态性，铁同位素是用达戈斯提诺法(D’Agostoon)检验，铜和锌同位素是以夏皮罗-威尔克法(Shapiro-Wilk)检验，所有数据均符合正态分布，全部可以参加定值统计。
4.2 定值分析结果
铁铜锌同位素标准溶液，分别由10、7和6组测量结果计算出平均值和标准偏差(SD)，其结果列于表3，将平均值作为最终定值结果。按照标准GB/T15000.3—2008/ISO Guide35:2006原则，计算出定值的不确定度Uchar。
4.3 标准溶液的不确定度评估
本研究采用JJF1343—2012推荐的标准值的不确定度评定方法，对铁铜锌同位素标准溶液特性值的不确定度进行分析，主要考虑定值测定的不确定度分量(Uchar)、批内瓶间差异引起的不均匀性不确定度分量(Ubb)和实验室保存引起的长期不稳定性不确定度分量(Ults)。标准溶液不确定度(UCRM)采用下式进行合成：
Uc=k×UCRM
(取k=2)
式中：定值测定的不确定度分量(Uchar，见表3)由定值测定数据直接计算得到，瓶间不均匀性不确定度分量(Ubb，见表1)和长期不稳定性不确定度分量(Ults，见表2)分别通过均匀性检验和稳定性检验的实验数据进行估算。总不确定度(Uc)为扩展不确定度，包含因子(k)等于2。标准值和不确定度列于表4。
表 3 标准溶液定值分析结果
Table 3 Analytical results of CAGS-Fe, CAGS-Cu and CAGS-Zn standard solutions
表 4 均匀性、稳定性及定值不确定度比较
Table 4 Comparison of homogeneity, stability and uncertainty
4.4 其他实验室测定铁铜锌标准溶液的结果验证
由于在铁、铜、锌同位素标准溶液研制阶段，我国开展铁、铜、锌同位素研究的实验室很少，有两个国内实验室和一个国外实验室对铁、铜、锌同位素标准溶液进行了测定，提供了标准溶液的分析结果：①国家海洋局第一海洋研究所海洋环境测试中心和②英国牛津大学地球科学系对CAGS-Fe、CAGS-Cu 和 CAGS-Zn同位素标准溶液进行了测定，③中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室对CAGS-Fe和CAGS-Cu进行了分析，没有提供CAGS-Zn测试数据。其中第①和第②家实验室所用仪器与本研究相同，第③家实验室所用仪器为Thermo Finnigan的Neptune型高分辨多接收器电感耦合等离子体质谱仪，表5列出了各实验室的铁铜锌同位素的测量值、测量次数n和测量误差(2SD)。这三家实验室的测试结果与本研究分析结果在误差范围内是一致的，进一步验证了本研究对于标准溶液CAGS-Fe、CAGS-Cu 和 CAGS-Zn定值结果的准确性。
表 5 不同实验室分析结果比对
Table 5 Comparison of the analytical results for collaborating laboratories
5 结论
铁铜锌同位素标准溶液是国内首次研制，其均匀性、稳定性均达到国家一级标准物质要求。目前还存在定值数据不充分的问题，需要进一步完善。铁铜锌同位素标准溶液可以作为仪器校准、分析方法评价和监控铁铜锌同位素分析质量的测量标准。同时可以作为实验室标准，即当此标准溶液相对于国际标准的δ测量值与参考值一致时，可以在分析样品时，测得样品相对于此实验室标准溶液的同位素组成，然后换算成相对于国际标准的同位素组成[12]，这样可以减少国际标准的使用量。另外，由于国际上铁同位素标准物质IRMM014已经售罄，因为有了铁同位素标准溶液相对于IRMM014的准确定值，所以利用所研制的标准溶液可以方便地追溯到IRMM014。国际上锌同位素标准物质IRMM3702，价格昂贵，以锌同位素标准溶液作为实验室测定锌同位素的标准，测定结果换算成相对于IRMM3702的锌同位素结果，可以大大降低测试成本。
铁铜锌等非传统稳定同位素研究正在成为热门研究领域，研制铁铜锌同位素标准溶液，对铁铜锌同位素分析方法验证、分析质量控制和不同实验室数据对比具有重要意义，同时对促进铁铜锌同位素体系的研究有所助益。事实上，标准溶液 CAGS-Fe、CAGS-Cu 和 CAGS-Zn，已经应用于铁铜锌同位素方法的深入研究[13-15]和同位素应用的广泛研究[16-18]。
