国家地质实验测试中心

国家地质实验测试中心主要围绕地球科学的发展，结合我国地球科学研究、资源环境调查、评价的需要，开展实验测试新技术新方法研究与推广应用，开展地质实验测试标准化研究，开展生态环境地球化学调查与评价技术研究，推动地质行业实验测试技术的不断进步，为国家基础性、公益性地质工作提供技术支撑，为国民经济发展和社会进步服务。

截至到2008年底，共有在职职工98人，其中专业技术人员85人，包括正高级职称11人、副高级职称23人，中级职称41人，有博士学位研究人员12人，硕士学历研究人员25人，本科32人。现有3个职能处室、4个专业研究室、2个其他业务机构，有1个院级重点实验室、1个公开出版学术期刊《岩矿测试》、3个专业委员会挂靠在中心。2008年度获国土资源科学技术奖二等奖2项，获准国家一级标准物质2项（其中1项合作），参加起草2个标准方法，公开发表科技论文共计44篇，其中SCI检索刊物论文8篇。

副主任吴淑琪研究员

副主任、党委副书记、纪委书记宋其敏高级政工师

副主任罗立强研究员

主任、党委书记尹明研究员

2008年中心实现货币工作总量4132万元，固定资产达到3931万元。2008年，中心共承担（参加）各类科研、地调项目73项，项目经费总计1779万元。其中：国家级项目（课题）24项，经费509万元；地质调查项目12项，经费982万元；省部级项目7项，经费29万元；基本科研业务费项目25项，经费245万元；其他项目5项，经费14万元。

中心集科学研究与对外测试服务于一体，主要开展实验测试新技术、新方法研发（包括实验测试仪器设备的研发与升级改造）；生态环境地球化学研究；地质实验测试标准化研究；地矿部门权威的分析测试、应用推广与培训。

中心是国家科技部所属的13个国家级行业分析测试中心之一，是中国地质调查局命名的地质实验测试基地，通过了国家技术监督局计量认证、国家实验室认可，并获得国土资源部产品质量监督检验中心资质。

2008年度重要研究成果

科学仪器支撑装置

科学仪器支撑装置和系统的研制与开发：属国家十五科技攻关计划重大项目《科学仪器研制与开发》第六课题，主要研究人员包括：江林、邓赛文、詹秀春、尹明、刘明钟、关亚风、王建清、王安邦、牛刚、成红龙等。课题研制了9类装置12种产品，取得专利15项（发明3项、实用新型10项、发明申请2项），在国内外核心期刊上发表论文20余篇，这些装置突出了在技术上的先进性、实用性，并且有较广泛的用户需求和较好的市场前景，通过这些成果的推广和应用，可以提高目前我国此类装置的技术含量，缩短与国外先进水平的差距，改善分析样品前处理工作的条件，大大提高目前我国分析科学仪器的应用水平和效率，这些装置分别是：①功率连续可调微波消解装置采用微波功率连续可调技术，具有防爆膜及多重安全保护机构。结合计算机控制技术实现样品消解过程中的智能、连续、低耗、低污染。输出功率：200～1200W 连续可调；最高温度：230°C；最大压力：5MPa。②通用型自动进样装置分为三维方式（带通用模块）和极坐标方式两类，通过计算机编程控制和精密机械结合对样品的进样进行准确、定量、自动采集和控制。③X荧光光谱分析熔样机采用电热和高频感应加热技术，设计结构框架、摇动机构和计算机参数条件控制程序。最大升温：1250℃。④固相微萃取器配合GC使用，有3种以上的不同类型的萃取头(PDMS、PA、碳涂层）；使用寿命在50次以上。⑤1700℃陶瓷纤维马弗炉比普通装置节电60%以上，升温速度快约1倍。其关键技术是设计及承受1700℃的陶瓷纤维板炉芯设计。⑥变频致冷水循环器采用变频原理，制冷功率/系统发热功率低于定速式同类设备的1.5～2.0，可连续工作，温度波动半径约1℃。⑦微型固态吸附棒萃取器和热解吸装置微型搅拌棒耐温250℃以上；对农残有可逆吸附特性；对常用的有机氯（六六六类）、氮、磷和菊酯类农药富集倍数不小于104；使用寿命30次以上。⑧室内装修主要有害气体检测试剂盒大气甲醛最低检测浓度0.05mg/m3、氨最低检测浓度0.1mg/m3；自动气体采样装置可无动力精确取样10mL、20mL或50mL。⑨全自动磨样机磨样速度≤30s/深度0.5mm；磨样深度达2mm/次；磨样平面度0.01mm；样品夹持力：磨样时样品上面施加力应大于30kg；样品温度可达800℃。该项成果获得2008年度国土资源科学技术奖二等奖。

科学仪器支撑装置

课题组成员在研发的设备前

地质调查多形态元素测试技术方法研究：属国土资源地质大调查工作项目，主要完成人员包括：李冰、詹秀春、江林、王晓红、饶竹、汪双清、孙青、王烨、周康民、周剑雄、杜谷、徐金沙、方金东、李刚。项目取得的主要成果如下：

（1）建立了HPLC-ICP-MS测定天然水、土壤样品中碘形态分析方法；建立了碱消解HPLC-ICP-MS测定生物样品中的甲基汞与乙基汞形态分析方法。

（2）完成了锆石、硅酸盐矿物和玻璃等进行了多元素微区原位的LA-ICP-MS定量分析方法研究，获得较佳的结果；建立了基体归一校正法；开展了锆石中U/Pb同位素定年方法的研究，初步建立了锆石U/Pb的LA-ICP-MS方法。

（3）采用了经改进的封闭熔矿溶解装置进行铂钯样品的分解，提高了样品分解效率，减少了试剂用量及环境污染；制定了模拟野外驻地现场铂钯快速分析方法。

（4）利用优化处理后的带消解、蒸馏和萃取的四种功能模块，建立了总磷、挥发酚、氰化物及阴离子表面活性剂的在线分析方法，达到了对不同的样品进行快速、简便的分析目的。

（5）研制出地下水除氟滤料产品，其吸氟率达到1.1g/kg。解决了滤料吸氟饱和再生难题。研制出多功能除氟配套装置，制定了简单、合理的除氟工艺流程；进行了小、试及现场应用试验，除氟效果达到国家生活饮用水标准。

（6）根据我国地质实验室从事地质物料痕量元素分析工作的特点，提出了检出限的确定方式和计算模式。确定了允许误差的确定模式，提出了测试方法检出限与地球化学图色阶划分的关系。

（7）完成了超细加工技术与设备以及地质样品粒度检测技术与设备的调研。采用超细地质样品的XRF分析结果表明，精度好于200目原样压样法，与熔融法相当。超细样品用于高灵敏度的ICP-MS/AES样品量可降至2mg，减少了试剂消耗和样品处理时间。

（8）建立了电子探针测定U、Th、Pb和稀土的分析方法。建立了电子探针测定独居石年龄的分析方法和编程工作。制备与测试了二个磷酸盐稀土标样。完成了独居石电子探针应用实例。

典型矿物激光剥蚀坑的SEM照片

A—橄榄石；B—锆石；C—石榴子石

自动在线水分析处理装置：总磷预处理功能模块

（9）初步建立了三个地区不同类型的油气地质样品微量元素分析的电子探针分析测试方法。初步建立了针对不同类型油气地质样品的能谱分析方法。

（10）将固相萃取、圆盘萃取、加速溶剂和微波萃取等先进的样品预处理技术用于不同的环境样品分析，提高了分析效率和准确性。提出了电子轰击和负化学电离源联合测定多氯联苯的新方法，使检测的灵敏度和准确性明显提高。首次采用国产502树脂制备可重复使用的固相萃取小柱，在满足分析要求的前提下性价比较目前的商品小柱明显提高。

（11）建立了采用加速溶剂萃取技术测定烃源岩可溶有机质萃取和氯仿沥青质含量的方法，并形成了烃源岩样品可溶有机质萃取的ASE *** 作规范。建立了石油族组分分离制备（中压液相色谱）方法，并提出了中压液相色谱技术分离制备石油族组分的 *** 作规范。

（12）完成了8个配套方法，建立了湖泊水体生态环境调查样品中30项化学组分的分析方法。

（13）建立了一套合理的农业地质植物样品的制备方法；建立了适合于植物样品中痕量和超痕量元素的分析方法系列。

（14）研制了一个尿素有机碳同位素实验室工作标准，建立了EA-IRMS测量碳同位素测量方法和GBⅡ－IRMS测量水中氧同位素和氢同位素分析方法。

甲基汞和乙基汞混合标准HPLC-ICPMS色谱图

地质调查实验测试标准方法研究与标准物质研制：属国土资源地质大调查工作项目，主要完成人员：罗代洪、郑存江、董高翔、宋业文、顾铁新、程志中、冯静、姜莹、夏宁、甘露、孙德忠、屈文俊等。项目研制完成了13个金地球化学标准物质、5个高含量铜钼及银钒多金属系列标准物质、9个铁矿石标准物质、4个铬铁矿石标准物质、7个重晶石标准物质、12个稀有稀土精矿成分分析标准物质、1个地下水标准物质；还完成了4个硫化物多金属矿石标准物质、5个油页岩标准物质、3个珠江三角洲沉积物地球化学标准物质的样品采集和样品制备工作。该项目研制的标准物质定值元素多、覆盖元素广，每个元素所采用的定值方法均系该元素最适用的方法，主要为依据基准物质的湿法分析（滴定法、电感耦合等离子体原子发射光谱、原子吸收光谱、等离子质谱法、分光光度法）或绝对法（重量法），绝大多数均采用了两种以上不同原理的方法，从而保证了定值的溯源性，标准研制过程溯源链完整。所研制的标准物质均采自我国具有典型意义的多金属矿床，覆盖了不同矿源、补充扩展了我国重要的多金属矿石标准物质系列和地下水、金、油页岩、三角洲沉积物等标准物质。开展了生态环境地球化学调查评价中生物样品分析标准方法研究。

项目开发了地质实验测试标准研究技术合作与管理平台，制订了标准物质技术合作平台元数据标准和数据规范，设计了数据库，完成了数据处理和平台系统的功能模块开发的软件设计、编程、调试、应用等工作，并采集了标准物质原始数据。采用开发的标准研究技术合作与管理平台，实现了项目管理工作的创新。

标准物质

标准物质信息管理平台

反应原理：

动态闪烧-色谱分离法， 通俗的叫法是杜马斯燃烧法。样品经过粉碎研磨后，通过锡囊或银囊包裹，经自动进样器进入燃烧反应管中，向系统中通入少量的纯氧以帮助有机或无机样品燃烧，燃烧后的样品经过进一步催化氧化还原过程，其中的有机元素碳C、氢H、氮N、硫S和氧O, 全部转化为各种可检测气体。 混合气体经过分离色谱柱进一步分离， 最后通过TCD热导检测器完成检测过程。整个过程根据样品性质的不同和检测元素种类的不同通常可以在5-10分钟内完成。根据样品类型和用户的应用领域，又可以分为多种模式。也可以扩展连接同位素比质谱仪使用，确定OH和NC同位素组成。

产品简介：

元素分析仪，是指同时或单独实现样品中几种元素的分析的仪器。各类元素分析仪虽结构和性能不同，但均基于色谱原理设计。其工作原理是在复合催化剂的作用下，样品经高温氧化燃烧生成氮气、氮的氧化物、二氧化碳、二氧化硫和水，并在载气的推动下，进入分离检测单元。在吸附柱将非氮元素的化合物吸附保留后，氮的氧化物经还原成氮气后被检测器测定。其他元素的氧化物再经吸附-脱附柱的吸附解析作用，按照C、H、S的顺序被分离测定。样品中氟、磷酸盐或大的重金属物质的存在会对分析结果产生负效应，而强酸、碱或能引起爆炸性气体的物质禁止使用元素分析仪进行测定。由于土壤样品矿物质成分、晶型结构比较复杂，为保证测定结果的准确性和稳定性，在使用元素分析仪时样品颗粒必须充分均匀。

主要特点：

1、该系统由PC机控制，可完成绝大多数金属材料中元素的含量测定，系统程序的编制采用目前时尚的可视化编程语言，因此系统的功能强大，界面友好。

2、系统在分析过程中，零点和满度自动跟踪，并由PC机进行辅助定标，保证了测量精度。系统的 *** 作简单快捷。

3、电子天平和系统联机，实现了分析过程的不定量称样，提高了系统的分析速度。

4、系统建立了功能强大的数据库，用于分析结果数据及工作曲线的储存和查询，其数据的修改和曲线的增删均十分方便。

南京诺金高速分析仪器厂从事高速分析仪器研发、生产、销售及售后服务为一体的专业化高科技企业。公司产品电脑多元素分析仪可检测多种材料：普通钢、低合金钢、不锈钢、生铸铁、球墨铸铁、耐磨铸铁、合金铸铁等。检测结果直接电脑显示，台式打印机直接打印，并可打印各元素符号。

目前，质谱分析法 ( mass spectrometric method) 是测量同位素丰度最有效的方法。质谱仪根据带电原子和分子在磁场或电场中具有不同的运动，将它们相互分离。由于质谱仪的种类多样，用途又非常广泛，因此，就不一一进行介绍下面仅简单介绍一下质谱分析的基本原理，详细论述可参考 Brand ( 2002) 。

质谱仪一般可分为四个重要的组成部分: ① 进样系统② 离子源③ 质量分析器④ 离子检测器 ( 图 1. 8) 。

图 1. 8 用于稳定同位素测量的气源质谱仪示意图

( 1) 进样系统 ( inlet system) : 这一特殊装置需要在几秒钟内迅速、连续地分析两个气体 ( 样品和标准气) ，所以安装较为特殊，包括一个转换阀( changeover valve) 。这两种气体由直径约 0. 1mm、长约 1m 的毛细管从储样室( reservoir) 中引入，其中一种气体流向离子源 ( ion source) ，另一种气体流向废气泵 ( waste pump) ，从而保持毛细管中的气流连续不断。为避免质量损失( mass discrimination) ，气体物质的同位素丰度测量利用黏性的气体流。在黏性气流状态下，分子的自由路径长度非常小，因此分子经常发生碰撞，气体混合均匀，从而不会发生质量分离 ( mass separation) 。在黏性流进样系统的末端，有一个泄漏口 ( leak) ，使得流线收缩。应用双路进样系统 ( dual inlet system)可以对非常少量的样品进行高精度分析，同时，样品分析受黏性气流保持状态的限制。这一过程一般在 15 ～ 20mbar ( 100Pa) 的压力下进行 ( Brand，2002) 。如要减小样品量，则必须在毛细管之前将气体浓缩为很小的体积。

( 2) 离子源 ( ion source) : 是质谱仪中离子形成、加速、聚焦成为狭窄的离子束的部位。在离子源中，气体流总是呈分子状态。气体样品的离子多由电子轰击 ( electron bombardment) 产生。电子束，一般由加热的钨丝或铼丝发出，在静电场中进行加速，在进入电离室 ( ionization chamber) 之前的能量达到 50 ～150eV 之间，以便使一次电离效率最大化。电离之后，根据离子获得的能量，带电分子被进一步分成若干分子碎片，从而产生特定化合物的质谱。

为了增加电离的几率，采用同性质的弱磁场使电子保持螺旋轨道 ( spiral path) 。电子在电离室的末端由带正电的捕集器收集，对电子流进行测量，并由电子发射调节器电路 ( emission regulator circuitry) 将其保持在恒定状态。

电离的分子在电场的作用下脱离电子束，随后由高达数千伏的电压进行加速，其路径形成离子束，该离子束通过出口狭缝进入分析器。因此，进入磁场的正离子在本质上都是单能的，即它们拥有相同的动能，其表达式如下:

稳定同位素地球化学( 第六版)

电离效率决定了质谱仪的灵敏度，其值约为 1000 ～2000 个分子产生一个离子( Brand，2002) 。

( 3) 质量分析器 ( mass analyzer) : 可根据其 m/e ( 质量/电荷) 比，将离子源发出的离子束分离开来。当离子束通过磁场时，离子发生偏转，形成圆周轨迹，其圆周半径与 m/e 的平方根成比例。通过这一过程，离子被分离并形成离子束，每个离子束都具有特定的 m/e 值。

1940 年，Nier 提出了扇形磁分析器 ( sector magnetic analyzer) 。在这种分析器中，离子束发生偏转的磁场呈楔形。离子束以与磁场边界呈直角的角度进入和离开磁场，因此其偏转角度等于楔形角 ( 如可以是 60°) 。扇形磁分析器的优势在于其离子源和检测器相对来说，不受分析器磁场质量损失的影响。

( 4) 离子检测器 ( ion detector) : 离子通过磁场后，被离子检测器所收集。离子检测器将输入的离子转换为电脉冲 ( electrical impulse) ，电脉冲随后被输入放大器。Nier et al. ( 1947) 提出，利用多个检测器同时聚集离子流。这种同时利用两个单独放大器的优势在于，对于所有 m/e 离子束，作为时间函数的离子流波动都是相同的。每一个检测器通道都安装有一个适合于所测离子流天然丰度的高电阻的电阻器。

现代同位素比质谱仪具有至少装有三个法拉第杯 ( Faraday collector，Faraday cup) ，它们位于质谱仪的焦平面 ( focal plane) 上。这是由于相邻峰值的间距随质量变化，并且范围是非线性的，因此，每组同位素往往都需要有一套单独的法拉第杯。

连续流: 同位素比值监测质谱仪

20 世纪 50 年代早期，Nier 提出了双黏性流质谱仪 ( dual viscous-flow mass spectrometer) ，20 世纪 80 年代中期对商业质谱仪的硬件做了极小的修改。在过去的几年里，人们为减小用于同位素测量的样品大小而进行了艰苦的尝试。将传统的双路进样技术改为连续流同位素比值监测质谱仪 ( continuous-flowisotope ratio monitoring mass spectrometer) 。使用这种质谱仪时，被分析的气体混合于载气流中的微量的气体中，从而达到黏性流状态。现今，市场在售的大多数气体质谱仪都带有连续流系统，而非双路进样系统。

传统的离线样品制备程序非常耗时，并且分析精度也取决于研究者的技能。而利用在线样品制备技术，可将元素分析器和质谱仪直接结合，从而解决和最大程度地减少很多离线样品制备导致的问题。这两种技术的区别参看表 1. 5。

表 1. 5 离线和在线测量技术之间的对比

这种新型的质谱仪往往结合有色谱技术 ( chromatographic technique) 。同位素测量所需的样品量大小已经急剧减小到十亿分之一摩尔甚至万亿分之一摩尔范围 ( Merritt ＆ Hayes，1994) 。气相色谱-同位素比质谱仪技术 ( GC －IRMS) 的重要特性如下 ( Brand，2002) :

( 1) 按照分子在气相色谱柱 ( GS column) 上流出的顺序对离子流进行测量，但其相对于参比气体的强度将不会发生明显改变。色谱不但能够分离不同的化学物质种类，还可分离不同的同位素种类。也就是说，从色谱柱流出后，随色谱峰上位置的不同，该化合物的同位素组成发生变化。因此，必须对每个色谱峰的整体宽度进行积分，才能获得该化合物真实的同位素比值。

(2)同位素信号的测量时间受色谱峰宽度的限制。对于陡峭的尖峰来说，这一时间可能不超过5s。

(3)在线分析仪器的绝对灵敏度与双路进样系统的仪器相比更为重要。由于色谱法所需的样品量非常小，因此采用大量的样品组以获得有效的统计数据库往往非常重要。

通过采用加入内标样方法，可以实现样品分析标准化。内标样的同位素组成利用传统技术确定。

质谱分析技术有几个独立的发展途径，这些途径均具有两个发展方向:元素分析仪→同位素比质谱仪，毛细管气相色谱→同位素比质谱仪。在元素分析仪中，样品燃烧生成CO2、N2、SO2和H2O，这些气体以化学法捕集，或者在气相色谱柱上被分离。这些技术的优势有:①自动化制备样品②每个样品的成本较低③能够进行大量的样品分析。

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