消解蒸发装置及测定微量元素含量的方法与流程

1.本发明涉及石油地质及油气勘探测试技术领域，特别地涉及一种消解蒸发装置及测定微量元素含量方法。


背景技术：

2.电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)是20世纪80年代发展起来的测试技术，具有灵敏度高、检出限低、选择性好、可测元素覆盖面广、线性范围宽、能进行多元素同时检测和同位素比测定等优点，是一种具有广阔前景的痕量(超痕量)无机多元素分析技术，已被广泛用于不同领域各类样品中金属元素的测定。近年来，由于仪器的不断更新改进，由于icp-ms测定金属元素的灵敏度显著提高，检出限明显改善，改进了金属元素的分析性能。
3.测定地质样品中微量元素的含量，是地球化学研究工作的基本内容，亦是当代石油地质研究的重要课题。目前，地质样品中微量元素的测定有分光光度法、发射光谱法、原子吸收光度法、x射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)等。无机元素的检测离不开前处理，样品的加热消解是无机元素分析的关键因素，常用的加热消解方法有电热板消解、微波消解、高压密闭消解等，其中，运用任何一种处理方法的关键都是酸消解体系的选择和消解条件的确定。
4.在长期消解实践中，地质样品在经过酸消解后进行加热赶酸，在酸蒸干后，发现样品在蒸锅底部沉积一定的厚度酸溶的残渣，由于底部在继续加热，会使样品残渣发生爆裂，部分样品残渣颗粒会蹦出容器外，造成分析结果误差，并且如果样品残渣颗粒蹦入其他的样品容器中就会污染其他样品。


技术实现要素：

5.本发明提供一种消解蒸发装置及地质样品中微量元素含量测定方法，用于解决至少上述一个技术问题。
6.根据本发明的第一个方面，本发明提供一种消解蒸发装置，包括：
7.样品容器，其用于承载样品；
8.加热装置，所述样品容器设置于所述加热装置上，所述样品容器的底部至少有部分与所述加热装置不接触且所述样品容器的侧部至少有部分与所述加热装置相接触，使所述加热装置能够对所述样品容器与其相接触的部位进行加热；以及
9.震荡装置，所述加热装置设置于所述震荡装置上，所述震荡装置带动所述加热装置晃动，使所述样品容器内的样品发生晃动。
10.在一个实施方式中，所述加热装置包括：
11.蒸发板，其用于承载所述样品容器，所述样品容器的底部至少有部分与所述蒸发板不接触且所述样品容器的侧部至少有部分与所述蒸发板相接触；以及
12.加热平板，其设置于所述震荡装置上，所述蒸发板与所述加热平板可拆卸连接，所述加热平板将加热能量传导至所述蒸发板，使所述蒸发板能够对所述样品容器与其接触的
部位进行加热。
13.在一个实施方式中，所述蒸发板上开设有至少一个第一台阶孔，所述样品容器设置于所述第一台阶孔的上孔内，所述样品容器的底部至少有部分与所述第一台阶孔中部的台阶面不接触，所述样品容器的侧部至少有部分与所述第一台阶孔的上孔的侧壁相接触。
14.在一个实施方式中，所述加热装置为环绕立体加热板，所述环绕立体加热板设置于所述震荡装置上。
15.在一个实施方式中，所述环绕立体加热板上开设有至少一个第二台阶孔，所述样品容器设置于所述第二台阶孔的上孔内，所述样品容器的底部至少有部分与所述第二台阶孔中部的台阶面不接触，所述样品容器的侧部至少有部分与所述第二台阶孔的上孔的侧壁相接触。
16.在一个实施方式中，所述震荡装置包括至少两个间隔设置的可升降的基柱，所述加热装置与所述基柱相连，所述基柱通过升降动作使其相对高度发生变化，以带动所述加热装置和所述样品容器晃动，使所述样品容器内的样品发生晃动。
17.在一个实施方式中，所述震荡装置包括四个可升降的基柱，所述加热装置设置于四个所述基柱的顶部，四个所述基柱按照顺序进行升降动作以使四个所述基柱的相对高度发生变化，从而带动所述加热装置和所述样品容器晃动，使所述样品容器内的样品发生晃动。
18.在一个实施方式中，所述样品容器内开设有溶解空间，所述溶解空间的底面为弧面。
19.根据本发明的第二个方面，本发明提供测定地质样品中微量元素含量方法，使用上述消解蒸发装置，包括以下操作步骤：
20.s1：将预定重量的样品置入样品容器中，加入硝酸和氢氟酸后将样品容器密封，并将样品容器放入烘箱中进行加热消解；
21.s2：消解完毕后，从烘箱中取出样品容器，将密封的样品容器打开并放置在加热装置上，进行加热赶酸，通过震荡装置带动所述加热装置和所述样品容器晃动，使样品容器内的样品发生晃动，待样品蒸干后，停止晃动；
22.s3：从加热装置上取下样品容器，在样品容器中加入1:1硝酸后将样品容器密封，并再次将样品容器放入烘箱中进行加热复溶；
23.s4：复溶完毕后，取出并打开样品容器，在样品容器中加入纯水将样品定容；
24.s5：采用电感耦合等离子体质谱对定容后的样品进行微量元素测定。
25.在一个实施例中，步骤s2中，所述加热装置的加热温度为130
±
2℃。
26.与现有技术相比，本发明的优点在于：在赶酸过程中，加热装置仅对样品容器与其接触的部位进行加热，而对样品容器底部与其不接触的部分不加热，这样，采用这种周边环绕立体加热而底部至少部分不加热的方式，在样品蒸干后，不会使样品容器底部聚集的样品沉淀因温度过高而发生爆裂蹦出样品容器，降低了因加热产生的迸溅造成的分析结果误差，也避免了污染其它样品。同时，在加热过程中，震荡装置带动加热装置和样品容器晃动，使样品容器内的样品发生晃动，提高了蒸发效率，其样品的消解速度快过于平板加热。
附图说明
27.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
28.图1是本发明的一个实施例中蒸发板结构示意图；
29.图2是图1所示的蒸发板的剖视图；
30.图3是本发明的一个实施例中加热装置与震荡装置结构示意图；
31.图4是本发明的实施例中样品容器结构示意图。
32.图5是本发明的一个实施例中两个基柱的一种升降过程示意图；
33.图6是本发明的一个实施例中两个基柱的另一种升降过程示意图；
34.图7是本发明的一个实施例中四个基柱的一种升降过程示意图；
35.图8是本发明的一个实施例中四个基柱的另一种升降过程示意图。
36.图9是本发明的测定地质样品中微量元素含量的方法流程图。
37.附图标记：
38.1-蒸发板；2-基柱；3-样品容器；4-加热装置；
39.5-频率调节旋钮；6-温度调节设置按钮；7-温度显示屏；
40.11-第一台阶孔；111-上孔；112-下孔；
具体实施方式
41.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
42.本发明提供一种消解蒸发装置，尤其适用于无机元素的消解蒸发。本发明的消解蒸发装置包括样品容器3、加热装置4和震荡装置。其中，样品容器3，用于承载样品。样品容器3设置于加热装置4上，样品容器3的底部至少有部分与加热装置4不接触且样品容器3的侧部至少有部分与加热装置4相接触，使加热装置4能够对样品容器3与其相接触的部位进行加热。由于样品容器3的底部至少有部分与加热装置4不接触，因此加热装置4在对样品容器3进行加热时，能够使样品的消解速度快于平板加热，而且不会因容器中心底部过热发生爆裂蹦出的现象。加热装置4设置于震荡装置上，震荡装置用于使样品容器3内的样品发生晃动，通过对样品容器3内样品进行晃动，能够使样品被均匀地加热并且能够使样品中的酸快速蒸发。
43.其中，样品容器3是用于消解样品的容器，例如试管、烧杯、烧瓶等。
44.实施例1
45.本实施例的加热装置4包括加热平板和蒸发板1，其中，蒸发板1用于承载样品容器3，蒸发板1上开设有多个第一台阶孔11，样品容器3设置于第一台阶孔11的上孔111内，样品容器3的底部至少有部分与第一台阶孔11中部的台阶面不接触，样品容器3的侧部至少有部分与第一台阶孔11的上孔111的侧壁相接触。加热平板用于提供加热能量，加热平板设置于震荡装置上，蒸发板1设置于加热平板上，加热平板将加热能量传导至蒸发板1，使蒸发板1能够对样品容器3与其接触的部位进行加热。
46.这样，加热平板采用平面设计，通过在蒸发板1上设置台阶孔，使样品容器3的底部有部分漏空，从而实现以周边环绕立体加热而容器底部至少有部分不加热的方式对样品容器3进行加热。当蒸发板1损坏或需要更换时，直接从加热平板上取下即可，操作简单。
47.可选地，可设计多个分别具有不同规格的第一台阶孔11的蒸发板1，用于与样品容
器3相匹配。
48.如图1和图2中所示，蒸发板1上均匀排列设置有多个第一台阶孔11，使多个样品容器3可布置于蒸发板1上，同时对多个样品进行赶酸蒸发实验。
49.具体地，设置蒸发板1的长为400mm，宽为250mm，沿其长度方向每排设置10个第一台阶孔11，共6排。
50.在一个实施例中，样品容器3的横向截面为圆形，其管外径为35mm，其管内径为22mm。相应的，第一台阶孔11的上孔111的孔径设计为36mm，其下孔112的孔径设计为20mm。
51.优选地，蒸发板1的第一台阶孔11的上孔111的高度应于样品容器3中需消解蒸发的样品的高度相匹配。
52.在一个实施例中，样品容器3内需消解蒸发的样品的重量为50mg，具体地，上孔111的高度设计为10mm，下孔112的高度设计为10mm。
53.实施例2
54.本实施例描述与上述实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
55.本实施例中，加热装置4为环绕立体加热板，环绕立体加热板上开设有多个第二台阶孔，样品容器3设置于第二台阶孔的上孔内，样品容器3的底部至少有部分与第二台阶孔中部的台阶面不接触，样品容器3的侧部至少有部分与第二台阶孔的上孔的侧壁相接触，使环绕立体加热板能够对样品容器3与其相接触的部位进行加热。
56.加热装置4上通过开设台阶孔，实现了对样品容器3的底部的中部不加热，以避免在样品容器3底部聚集的样品沉淀因温度过高而发生爆裂蹦出样品容器3。
57.其中，第二台阶孔的形状及径向尺寸应于样品容器3的形状及径向尺寸相匹配。
58.实施例3
59.本实施例描述与上述实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
60.本实施例的震荡装置包括两个间隔设置的可升降的基柱2，加热装置4设置于两个基柱2的顶部，两个基柱2交替升降，带动加热装置4和样品容器3晃动，使样品容器3内的样品发生晃动。
61.具体的，如图5中所示，两个基柱2交替进行升降动作，每次一侧的基柱2进行升降动作，另一侧的基柱2保持不动，使两个基柱2顶部的相对高度交替地变化，从而带动设置于两个基柱2的顶部的加热装置4和样品容器3沿上下方向和左右方向晃动，使样品容器3内的样品发生晃动。
62.可选地，如图6中所示，两个基柱2也可以同时持续地进行方向相反的升降动作，当一侧的基柱2上升时，另一侧的基柱2下降，两个基柱2顶部的相对高度也会交替地变化，从而带动设置于两个基柱2的顶部的加热装置4和样品容器3沿上下方向和左右方向晃动，使样品容器3内的样品发生晃动。
63.与现有的利用偏心旋转使容器中的液体产生涡流震荡的技术方案相比，本发明的震荡装置通过基柱2的升降运动，使样品容器3沿上下方向和左右方向摇晃，由于加热能量主要来自于样品容器3的外周壁，样品容器3内的液体样品也随之沿上下方向和左右方向晃动，使样品容器3内中央的液体能够充分的与其外周的液体混合，热量交换更加充分均匀，更有利于液体样品的蒸发，提高了蒸发效率。
64.实施例4
65.本实施例描述与上述实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
66.本实施例的震荡装置包括四个的可升降的基柱2，四个基柱2呈四角排列设置，加热装置4设置于四个摇动基柱2的顶部，四个基柱2按照顺序轮流进行升降动作，每次一个或两个相邻的基柱2进行升降动作，以带动加热装置4和样品容器3晃动，使样品容器3内的样品发生晃动。
67.具体地，如图7中所示，四个基柱2按照顺序轮流进行升降动作，每次一个基柱2进行升降动作，其它三个基柱2保持不动，可使设置于四个基柱2顶部的加热装置4和样品容器3沿上下方向、左右方向和前后方向摇晃，样品容器3内的样品随着样品容器3晃动而发生晃动。其中，上述顺序可以是沿顺时针方向或逆时针方向依次轮流动作，也可以是在一个基柱2进行动作之后，位于其对角的基柱2进行升降动作，之后其它两个基柱2中的一个基柱2进行升降动作，最后一个基柱2再进行升降，从而完成一个轮次的动作。
68.可选地，每次也可使相邻的两个基柱2同时进行升降运动，如图8中所示，任意相邻的两个基柱2进行升降动作时，其它两个基柱2保持不动，当进行升降动作的两个基柱2回到初始位置后，至少一个未进行过升降动作的基柱2再开始进行升降动作，直至所有基柱2均完成至少一次升降动作，从而完成一个轮次的动作。
69.与现有的利用偏心旋转使容器中的液体产生涡流震荡的技术方案相比，本发明的震荡装置通过四个基柱2的升降运动，使样品容器3沿上下方向、左右方向和/或前后方向晃动，由于加热能量主要来自于样品容器3的外周壁，样品容器3内的液体样品也随之沿上下方向、左右方向和/或前后方向晃动，使样品容器3内中央的液体能够充分的与其外周的液体混合，热量交换更加充分均匀，更有利于液体样品的蒸发，提高了蒸发效率。
70.需要说明的是，本发明中基柱2的数量也可以设置为三个、五个及其它数量，并且各个基柱2的升降如何相互配合，也可根据实际情况进行设定，只要能够使样品容器3内的样品发生晃动的即可。
71.实施例5
72.本实施例描述与上述实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
73.本实施例中提供一种消解蒸发用的样品容器3，如图4中所示，样品容器3的底面为平面，以更好地与蒸发板1的第一台阶孔11中部的台阶面进行接触，样品容器3的溶解空间的底面为弧面，以保证在样品转移时溶解空间中无死角使样品残存，从而确保分析结果的准确性。
74.实施例6
75.本实施例描述与上述实施例的不同之处，相同之处不再赘述。
76.本实施例中，如图3中所示，加热装置4与震荡装置两者集成一个装置，在其外壳上设有频率调节旋钮5、温度调节设置按钮6和温度显示屏7。其中，通过频率调节旋钮5可调节基柱2的晃动频率，通过温度调节设置按钮6可调节加热装置4的加热温度，以及温度显示屏7上可显示加热装置4的加热温度。
77.实施例7
78.如图9中所示，本实施例中提供一种测定地质样品中微量元素含量的方法，使用上述消解蒸发装置，包括以下操作步骤：
79.s1：将恒重的样品置入样品容器3中，加入硝酸和氢氟酸，将样品容器3密封后，放
入烘箱中进行加热消解；
80.s2：消解完毕后，从烘箱中取出样品容器3，将密封的样品容器3打开并放置在加热装置4上，进行加热赶酸，通过震荡装置带动加热装置4和样品容器3晃动，使样品容器3内的样品发生晃动，样品蒸干后，停止晃动；
81.s3：从加热装置4上取下样品容器3，在样品容器3中加入1:1硝酸，将样品容器3密封后放入烘箱中进行加热复溶；
82.s4：复溶完毕后，取出并打开样品容器3，在样品容器3中加入高纯水将样品定容；
83.s5：应用电感耦合等离子体质谱对定容后的样品进行微量元素测定。
84.实施例8
85.下面以标准样油页岩粉状标准物质(sgr-1b)为例，对本发明的方法进行详细地说明。
86.一种测定地质样品中微量元素含量的方法，使用上述消解蒸发装置，其包括以下操作步骤：
87.s1：将50mg的样品置入样品容器3中，加入足够的硝酸和氢氟酸，将样品容器3密封后，放入烘箱中进行加热消解，加热温度为180℃，消解时间为24h。
88.s2：消解完毕后，取出样品容器3，将消解后的样品容器3打开并放置在蒸发板1的第一台阶孔11内，进行加热赶酸，加热平板的加热温度设置为130℃，在加热过程中震荡装置通过基柱2的升降使蒸发板1缓慢均匀地晃动，使样品容器3中的酸快速蒸发，样品蒸干后，使蒸发板1停止晃动；
89.s3：从蒸发板1上取下样品容器3，在样品容器3中加入1:1硝酸，将样品容器3密封后放入烘箱中进行加热复溶，加热温度为130℃，复溶时间为3h～4h；
90.s4：复溶完毕后，取出并打开样品容器3，在样品容器3中加入高纯水将样品定容至50ml；
91.s5：应用电感耦合等离子体质谱对定容后的样品进行微量元素测定。
92.需要说明的是，步骤s2中加热平板的加热温度可设置为130
±
2℃。
93.需要说明的是，本实施例中，所检测的微量元素包括：45sc、89y、139la、140ce、141pr、146nd、147sm、153eu、157gd、159tb、163dy、165ho、166er、169tm、172yb、175lu、232th、238u。
94.对标准样油页岩粉状标准物质(sgr-1b)进行10次重复性检测的结果如表1中所示，各元素的误差均满足方法误差。
95.表1对标准样sgr-1b进行10次重复性检测的结果
96.元素12345678910平均值标准偏差45sc5.826.124.585.855.825.575.225.225.796.045.600.4789y10.239.8310.029.619.6110.129.0210.2310.2510.269.920.40139la18.5718.5018.1418.1218.5618.6018.3118.5718.2718.3218.400.19140ce35.5235.6534.7734.6335.5035.5434.2635.5234.9534.7435.110.49141pr4.134.023.984.214.284.184.124.134.144.104.130.09146nd14.9315.0615.0015.2215.3515.1914.7014.9315.1214.7915.030.20147sm2.592.592.612.682.772.702.592.592.682.642.650.06153eu0.540.520.550.570.570.580.530.540.560.540.550.02157gd2.562.482.532.622.622.682.502.592.582.522.570.06159tb0.340.320.340.350.360.350.330.340.340.340.340.01
163dy1.781.791.811.831.851.851.741.781.821.791.800.03165ho0.350.350.360.370.360.370.340.350.360.360.360.01166er1.071.051.081.111.111.121.041.071.111.051.080.03169tm0.180.160.150.190.180.160.150.180.150.150.170.02172yb0.980.990.991.041.061.040.980.981.011.001.010.03175lu0.150.150.150.160.160.150.150.150.150.150.150.00232th4.614.544.664.845.004.964.914.614.924.674.770.17238u5.365.115.385.445.615.445.415.365.655.205.400.16
97.综上所述，与现有技术相比，本发明的优点在于：在赶酸过程中，加热装置4仅对样品容器3与其接触的部位进行加热，而对样品容器3底部与其不接触的部分不加热，这样，采用这种周边环绕立体加热而底部至少部分不加热的方式，在样品蒸干后，不会使在样品容器3底部聚集的样品沉淀因温度过高而发生爆裂蹦出样品容器3，降低了因加热产生的迸溅造成的分析结果误差，也避免了污染其它样品。就像干旱的田地，其上面和周边热量蒸发后产生田地龟裂而土壤不会蹦跳的原理一样。同时，在加热过程中，通过震荡装置带动加热装置4和样品容器3晃动，使样品容器3内的样品发生晃动，提高了蒸发效率，其样品的消解速度快过于平板加热。
98.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。