一种以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法技术

本发明专利技术公开一种以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法。该方法包括：用化学氧化等方法合成氧化石墨烯；用稀硝酸和超纯水洗涤纯化；将定容后的氧化石墨烯作为电离增强剂，加载在单铼带灯丝表面，进行灯丝碳化处理；再加载铀样品，加载电流蒸干水分；将样品灯丝装入热电离质谱，采用全蒸发法和法拉第杯多接收方式对铀样品进行同位素测量。本发明专利技术方法的电离效率达到0.2％，可测量亚ng级铀样品，且

A METHOD FOR THE DETERMINATION OF URANIUM ISOTOPE ABUNDANCE WITH GRAPHITE OXIDE AS IONIZATION ENHANCER

The invention discloses a method for measuring uranium isotope abundance using graphene oxide as ionization intensifier. The method includes: synthesizing graphene oxide by chemical oxidation, washing and purifying with dilute nitric acid and ultra-pure water, loading graphene oxide with constant volume on the surface of single rhenium filament as ionization enhancer for filament carbonization, loading uranium sample and electric current to evaporate water, loading sample filament into thermal ionization mass spectrometry, adopting total evaporation method and Faraday cup multi-reception method. The isotope measurements of uranium samples were carried out. The ionization efficiency of the method can reach 0.2%, and the uranium sample of sub-ng grade can be measured.

【技术实现步骤摘要】
一种以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法
本专利技术涉及分析化学的质谱分析
，具体涉及一种以氧化石墨烯作为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法。
技术介绍
铀的同位素丰度分析在核科学、核防护、地质与环境分析、核取证、矿产开采等领域中非常重要。近年来，众多相关的科研和
愈发关注痕量铀样品的同位素丰度分析。热电离质谱法(TIMS)是铀同位素测量最准确的方法之一。然而，受限于传统TIMS法电离效率的不足，为了保证低丰度铀同位素测量值的准确度和精密度，通常需要用较大量的样品(μg级以上)进行加载和测量。较大的样品需求量极大地制约了地质与环境分析、核科学与核取证等研究的发展，对于亚ng级铀含量的样品以及一些不易获取的珍稀样品，以传统的TIMS法进行同位素丰度分析无法获得足够的灵敏度和稳定的离子流信号，难以满足科研或工程技术对同位素丰度测量准确度和精密度的需求。因此亟需发展有效提高TIMS电离效率的手段，并应用于铀的同位素丰度分析。热电离质谱的样品通常被负载在铼丝上，通过对真空下的铼丝加载电流从而使得样品在离子源室中电离。在铀加载过程中，电离增强剂的引入可有效地提升样品在铼丝上的电离效率。由于铼-碳固溶体的表面功函数大于铼金属本身，可以使更多的中性原子在高温下离化成正离子形态。因此，热电离质谱的灯丝碳化技术是提升灵敏度的关键。当前已报道了一些可提供碳源的电离增强剂用于灯丝碳化，如石墨胶体、苯蒸汽、树脂珠-高铼酸等，并取得了一定的电离增强效果，然而这些方法的便捷度和稳定性仍然有待提高。如苯蒸汽蒸镀法电离效率约0.2-0.3％，但是因为苯毒性较大，且需要在真空条件下蒸镀苯于铼带上，操作步骤繁琐，不利于技术的实际应用普及；而树脂珠-高铼酸法尽管可以达到0.6％的电离效率，但在操作时需要先将铀吸附在树脂上，再用粘合剂将细小的树脂珠固定在铼灯丝上，对操作者的能力要求很高，且在真空烧结和质谱测试过程中，树脂珠很容易从灯丝上脱落，稳定性欠佳，这些缺点限制了该方法的应用。综上所述，为解决亚ng级铀样品的同位素分析灵敏度差、精密度低的问题，并同时克服苯蒸汽蒸镀法和树脂珠-高铼酸法的不足，达到无毒、便捷、高稳定性和重现性，需要研究既具有高效的电离增强剂，又操作便利的灯丝碳化技术。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种高效的电离增强剂和快速、便捷、稳定性好的灯丝碳化技术，提高铀在热电离质谱分析中的电离效率及检测灵敏度，应用于痕量铀的同位素丰度分析。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，包括利用氧化石墨烯材料作为铀的电离增强剂的步骤。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，包括以下步骤：1)电离增强剂制备：制备氧化石墨烯，纯化氧化石墨烯，并配制为分散性良好的悬浊液；2)灯丝碳化与铀加载：取氧化石墨烯悬浊液滴加在铼灯丝表面中间位置，通过质谱专用点样器对铼灯丝加载电流，缓慢加热铼灯丝；待悬浊液水分完全蒸干后，将铀样品加载至铼灯丝表面的氧化石墨烯层上，并加载电流对灯丝缓慢加热，待样品溶液水分完全蒸干，停止加电流；3)质谱测量：将制备好的样品灯丝装入热电离质谱仪，采用单带法全蒸发测量技术对样品进行同位素丰度测量。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，所述步骤1)具体包括以下步骤：步骤1-a，制备氧化石墨烯：通过Hummers-Hoffman法(化学氧化法)或其他方法合成氧化石墨烯(Grapheneoxide，GO)，真空干燥成泡沫状固体备用；步骤1-b，酸洗涤：称量氧化石墨烯固体于离心管中，加入稀硝酸后超声分散，使其形成均匀的悬浊液，摇晃离心管15min以上后，将离心管进行离心，弃去上层清液，收集洗涤后的氧化石墨烯，重复上述洗涤步骤2次以上；步骤1-c，水洗涤：将步骤1-b收集的氧化石墨烯用超纯水进行分散，使其形成均匀的悬浊液，摇晃离心管15min以上后，将离心管进行高速离心，弃去上层清液，收集洗涤后的氧化石墨烯，重复上述洗涤步骤2次以上；步骤1-d，定容：将步骤1-c收集的氧化石墨烯用超纯水定容，摇匀备用。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤1-b所述的稀硝酸采用工艺超纯级饱和浓硝酸配制。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤1-b和1-c的洗涤步骤，所述稀硝酸或超纯水与氧化石墨烯的体积质量比≥5mL/mg。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤1-d定容后氧化石墨烯的浓度为0.1～2.5mg/mL。本专利技术以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤1)用于制备氧化石墨烯的石墨粉末纯度不低于99.9％。更优地，所用石墨粉末为325目或以上。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤2)中灯丝碳化与铀加载所用的铼灯丝类型为单铼带灯丝。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤2)所述加载电流为：0.5A～1A。进一步地，上述以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，步骤2)加载在铼灯丝表面的氧化石墨烯悬浊液的加载量为：0.5～10μg。进一步地，步骤3)质谱测量时，铼灯丝加载电流的提升速率参数范围为：1500～2500mA/min。进一步地，步骤3)质谱测量时，铼灯丝加载电流的最大值不超过5500mA。本专利技术采用氧化石墨烯材料作为铀的电离增强剂，可显著提升样品在热电离质谱中的电离效率，降低样品用量。氧化石墨烯具有纳米级的二维片层结构和极大的比表面积，其作为电离增强剂对铼灯丝进行碳化，在加热过程中，大的比表面积和纳米结构保证了氧化石墨烯与金属铼的接触和充分反应，生成的铼-碳固溶体的表面功函数大于铼金属。铼-碳固溶体的生成可以使更多的铀原子在更低的温度下电离，降低蒸发对样品的损失，大幅提升电离效率。此外，氧化石墨烯表面带负电荷的官能团能与铀溶液中的正离子产生静电相互作用，使铀与电离增强剂接触更加充分，进一步提升电离效率。本专利技术的优点与积极效果包括：1、电离效率高：铀同位素传统质谱测量法为双铼带法，电离效率约为0.02％左右。本专利技术相比于传统的双铼带法，电离效率提升了约10倍，达到0.2％，与苯蒸汽蒸镀法相当。本专利技术相比于石墨法，电离效率提升了6倍以上。本专利技术虽然低于树脂珠-高铼酸法的电离效率，但方法稳定性好，操作简便快捷。2、同位素测量结果准确、精密度高：氧化石墨烯经纯化处理，可以消除氧化石墨烯中的铀本底干扰，不影响亚ng级铀样品的的同位素分析。对于亚ng级铀样品多次测量，结果精密度高，电离效率稳定，准确性好。3、操作快速便捷：本专利技术中，铼灯丝的碳化处理方法便捷，快速，在10min左右即可完成灯丝碳化和铀加载过程。相比较苯蒸汽蒸镀法，无需对灯丝进行真空灼烧。相比较树脂珠-高铼酸法，无需样品的长时间吸附过程，且不必担心样品从灯丝上的脱落。4、降低样品用量：传统的双铼带法样品用量在μg级，本方法仅需要亚ng级铀样品即可测得高精度的同位素丰度信息。5、节约成本：本专利技术基于单铼带法，可减少传统双铼带法铼灯丝的一半用量，节约了实验材料成本。本专利技术提出的氧化石墨烯作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，其特征在于，该方法包括利用氧化石墨烯材料作为铀的电离增强剂的步骤。

【技术特征摘要】
1.一种以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，其特征在于，该方法包括利用氧化石墨烯材料作为铀的电离增强剂的步骤。2.根据权利要求1所述的以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)电离增强剂制备：制备氧化石墨烯，纯化氧化石墨烯，并配制为分散性良好的悬浊液；2)灯丝碳化与铀加载：取氧化石墨烯悬浊液滴加在铼灯丝表面中间位置，通过质谱专用点样器对铼灯丝加载电流，缓慢加热铼灯丝；待悬浊液水分完全蒸干后，将铀样品加载至铼灯丝表面的氧化石墨烯层上，并加载电流对灯丝缓慢加热，待样品溶液水分完全蒸干，停止加电流；3)质谱测量：将步骤2)制备好的样品灯丝装入热电离质谱仪，采用单带法全蒸发测量技术对样品进行同位素丰度测量。3.根据权利要求2所述的以氧化石墨烯为电离增强剂的铀同位素丰度测量方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下步骤：步骤1-a，制备氧化石墨烯：合成氧化石墨烯，真空干燥成泡沫状固体备用；步骤1-b，酸洗涤：称量氧化石墨烯固体于离心管中，加入稀硝酸后超声分散，使其形成均匀的悬浊液，摇晃离心管15min以上后，将离心管进行离心，弃去上层清液，收集洗涤后的氧化石墨烯，重复上述洗涤步骤2次以上；步骤1-c，水洗涤：将步骤1-b收集的氧化石墨烯用超纯水进行分散，使其形成均匀的悬浊液，摇晃离心管15min以上后，将离心管进行高速离心，弃去上层清液，收集洗涤后的氧化石墨烯，重复上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凌，张海路，熊鹏辉，许杰，陈禄敏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51