王玲，錢紅娟，張麗華，劉煥良

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用

王玲，錢紅娟，張麗華，劉煥良

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

錒系元素的化學(xué)性質(zhì)相似，各元素的分離和分析都很困難，用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析手段，難以實現(xiàn)各元素的同時、快速分析?；瘜W(xué)計量學(xué)是一種高效、功能強大的數(shù)據(jù)解析方法，對于樣品復(fù)雜，基體干擾嚴(yán)重以及多組分樣品的分析具有獨特優(yōu)勢。將化學(xué)計量學(xué)應(yīng)用于錒系元素的分析中，利用數(shù)學(xué)分離代替化學(xué)分離，可直接對樣品進行測定?；瘜W(xué)計量學(xué)方法也可用來指導(dǎo)試樣的科學(xué)采集，進行實驗設(shè)計、儀器分析操作條件選擇等。從吸收光譜、ICP–AES及放射性測量3個方面綜述了化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用，闡明了化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用難點及發(fā)展前景。

化學(xué)計量學(xué)；錒系元素；數(shù)據(jù)解析

傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法一般只能得到較少的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理的方法也比較簡單。自20世紀(jì)50年代以來，許多新型的儀器分析方法被引入分析化學(xué)，分析測試工作已逐步實現(xiàn)儀器化、自動化和計算機化，這些新的儀器分析方法為分析工作者提供了大量可靠的測量數(shù)據(jù)。到了20世紀(jì)90年代，隨著分析化學(xué)的進一步發(fā)展，大量現(xiàn)代分析儀器，尤其是聯(lián)用分析儀器(如色譜–質(zhì)譜聯(lián)用、色譜–紅外聯(lián)用、色譜–紫外聯(lián)用等)的廣泛使用，產(chǎn)生大量化學(xué)測量數(shù)據(jù)，包括二維和多維的數(shù)據(jù)。如何充分利用這些現(xiàn)代分析儀器的優(yōu)勢，將這些看似“雜亂無章”的復(fù)雜數(shù)據(jù)進行降維，并最大限度地從中提取出有用信息，傳統(tǒng)分析化學(xué)方法很難解決這類問題。化學(xué)計量學(xué)(Chemometrics)作為一門新興學(xué)科，其目的就是解決從大量化學(xué)數(shù)據(jù)中提取有用信息的問題。化學(xué)計量學(xué)解決問題的基本策略：使用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法和理論，利用計算機技術(shù)手段，實現(xiàn)化學(xué)數(shù)據(jù)的解析［1］。

目前，化學(xué)計量學(xué)在化學(xué)各分支學(xué)科的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了很多重要成果，例如在環(huán)境化學(xué)、食品化學(xué)、醫(yī)藥化學(xué)、石油化工等學(xué)科中都得到了廣泛而深入的應(yīng)用［2–4］。在分析化學(xué)中，如氣相、液相色譜數(shù)據(jù)的處理(各種平滑方法，除噪方法，以及多元數(shù)據(jù)解析方法，指紋圖譜等)以及其它如紫外、紅外、質(zhì)譜的數(shù)據(jù)處理都用到了化學(xué)計量學(xué)方法。在錒系元素分析中，由于各元素隨著原子序數(shù)的增加都只在內(nèi)層軌道(相應(yīng)的4f和5f軌道)充填電子，其外層軌道的電子排布基本相同，因此各元素的化學(xué)性質(zhì)非常相近，使得各元素的分離很困難。在利用光譜、色譜、質(zhì)譜等儀器分析方法測定時，很容易產(chǎn)生譜峰的重疊干擾，用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析方法很難從譜圖中獲得有用信息，因此在測定前，不得不對樣品進行預(yù)處理，將各組分進行分離，其分離過程一般都比較繁瑣和費時，且有的組分并不能完全分離，影響測量的準(zhǔn)確度，很難實現(xiàn)樣品的實時在線分析。而化學(xué)計量學(xué)運用各種數(shù)學(xué)和計算機方法，如信號處理、多變量校正、多變量分辨、化學(xué)模式識別等可以直接從復(fù)雜的譜圖背景中提取出有用信息，去除干擾［5–6］。因此將化學(xué)計量學(xué)與儀器分析方法相結(jié)合，就可以不使用任何化學(xué)試劑，以化學(xué)計量學(xué)數(shù)學(xué)分離代替化學(xué)分離，直接進行測定。另外，還可以運用化學(xué)計量學(xué)來指導(dǎo)試樣的科學(xué)采集，以及進行某些實驗的科學(xué)設(shè)計、儀器分析操作條件選擇等，合理的實驗設(shè)計可以起到事半功倍的作用。表1列出了化學(xué)計量學(xué)研究的領(lǐng)域［7］。

表1 化學(xué)計量學(xué)的基本研究領(lǐng)域

1 化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用

化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用研究從很久以前就開始了，相關(guān)的文獻有很多，其應(yīng)用主要集中在光譜、質(zhì)譜及放射性測量3個方面。應(yīng)用比較多的主要是信號處理如平滑、求導(dǎo)、濾波等，以及多元校正分析如主成分分析和偏最小二乘法，還有的用到了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法來解決實際分析中一些用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)解析方法不能解決的問題，提高了工作效率，也提高了對儀器分析數(shù)據(jù)中包含信息的利用率?；瘜W(xué)計量學(xué)方法的應(yīng)用大多需要通過具有相應(yīng)功能的軟件來實現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，可針對具體的分析對象和需求來編寫研發(fā)具有所需功能的軟件，由分析儀器獲取數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。

1.1 用于吸收光譜分析

在吸收光譜分析中，常常存在譜峰干擾以及信號太弱，儀器噪聲干擾等問題，應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)的方法對數(shù)據(jù)信息進行提取處理，可解決多組分同時測定遇到的問題。

在鈾礦石中，鈾常與釷、稀土等元素共存，用偶氮胂Ⅲ分光光度法對這些混合物中所含鈾進行分析時，必須將釷、稀土等元素預(yù)先分離后再測定，操作十分繁瑣。廖力夫等用秩消失因子分析法，不經(jīng)分離直接定量分析了含有釷、鑭等元素混合物中的鈾(1.19～4.76 mg／L)，測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%～4.2%(n=6)，加標(biāo)回收率為97.5%～103.4%［8］。楊江榮等運用因子分析技術(shù)對鈾分別在CO和O2氣氛中的俄歇數(shù)據(jù)進行分析，有效解決了C和U俄歇峰中的重峰問題，并獲得了金屬態(tài)和氧化態(tài)鈾元素隨氧氣暴露劑量的變化情況［9］。

化學(xué)計量學(xué)的一個突出優(yōu)點是便于實現(xiàn)樣品的在線分析，目前這方面的研究較多。Roderick等在可見–近紅外譜區(qū)收集了126個樣品的光譜圖，樣品組分包括Pu、氟離子、草酸根及硝酸，將這些數(shù)據(jù)用化學(xué)計量學(xué)方法處理后，組成了一個數(shù)據(jù)庫，可用于數(shù)據(jù)庫中樣品的在線分析［10］。Lascola等將紫外可見光譜與偏最小二乘法（PLS）相結(jié)合，測定了鈾貯罐中的鈾濃度，當(dāng)鈾濃度低于1 g/L時，不確定度小于0.3 g/L，方法的定量檢測限為0.15 g/L，可達到對該鈾貯罐中鈾濃度的分析要求［11］。

Jahan B Ghasemi等將偏最小二乘法與U，Th和Zr混合樣品的吸收光譜相結(jié)合，建立數(shù)學(xué)模型，解決了光譜重疊問題，實現(xiàn)了這3種組分的同時測定，測定結(jié)果滿意［12］。Patrick等將偏最小二乘法與Pu和硝酸在可見光區(qū)(500～880 nm)的吸收光譜結(jié)合建立數(shù)學(xué)模型，消除了兩組分間光譜重疊干擾，同時測定了樣品中的Pu和硝酸，Pu測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2 g／L，硝酸的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.18 mol／L［13］。Lawrence等分別用PLS和最小二乘復(fù)頻域法(LSCF)兩種方法結(jié)合Pu(Ⅲ)在500～900 nm的吸收光譜建立模型，對三價钚進行定量分析，方法的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性皆優(yōu)于以前的標(biāo)準(zhǔn)曲線法［14］。Ali等利用PLS法解決了U，Th，Zr 3種元素的光譜峰重疊干擾，實現(xiàn)其同時測定，所建模型具有較高的準(zhǔn)確性［15］。Meinrath對U(Ⅵ)兩種低聚體水解產(chǎn)物進行研究，運用因子分析法得出了兩種產(chǎn)物單獨的紫外–可見吸收光譜，并對其結(jié)構(gòu)進行分析［16］。

在乏燃料后處理工藝過程中，存在大量的錒系元素分析工作，光譜法是常用的分析手段之一。但由于工藝料液中樣品成分復(fù)雜，基體影響嚴(yán)重，各組分間易產(chǎn)生譜峰重疊干擾，且料液中硝酸介質(zhì)濃度的變化會影響其摩爾消光系數(shù)。因此用傳統(tǒng)的工作曲線法無法進行同時、快速的準(zhǔn)確分析，在線分析更是難以實現(xiàn)?；瘜W(xué)計量學(xué)方法的應(yīng)用可顯著改善這一現(xiàn)狀。王玲等在1BX制備過程中U(Ⅳ)和U(Ⅵ)的同時快速分析工作中，用到了均勻設(shè)計的方法設(shè)計試驗，由光譜儀得到光譜信號后，采用平滑、求導(dǎo)等信號處理方法對數(shù)據(jù)預(yù)處理，再將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件用偏最小二乘法建立了U(Ⅳ)，U(Ⅵ)的定量分析模型，U(Ⅳ)，U(Ⅵ)測量的相對偏差分別小于7%和8%［17］。李定明等將近紅外光譜法與偏最小二乘法結(jié)合，建立了后處理工藝水相料液中Pu(Ⅳ)和硝酸含量的快速分析方法，Pu(Ⅳ)和硝酸測量結(jié)果的相對偏差分別小于6%和3%［18］。這些應(yīng)用均取得了較滿意的分析結(jié)果，為U，Pu價態(tài)及含量的在線分析奠定了基礎(chǔ)。

1.2 用于解決ICP–AES中譜峰重疊問題

在用ICP–AES分析某些樣品時，也會出現(xiàn)多種元素吸收譜線重疊干擾的現(xiàn)象，導(dǎo)致樣品無法直接同時測定，必須經(jīng)過預(yù)先分離，這樣就使得分析過程變得復(fù)雜，但若使用化學(xué)計量學(xué)方法，就可輕松解決這一問題，用分析信號的數(shù)學(xué)分離代替對樣品的化學(xué)分離，實現(xiàn)多組分同時測定。Khayatzadeh等分別將ANN和PLS用于ICP–AES法，同時測定了樣品中U，Ta，Mn，Zr，W，用PCA對數(shù)據(jù)進行主成分提取，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法和PLS所得結(jié)果預(yù)測偏差分別為3.75%和3.56%［19］。Eric等在用ICP–AES測定UF6中痕量元素時，用卡爾曼濾波法提取壓縮數(shù)據(jù)，去除背景及各元素間干擾，可同時直接測定包括B及多種稀土元素［20］在內(nèi)的30種元素。Marzieh等將PLS用于ICP–AES測定中，建立了兩個混合模型(Zn，Cu，F(xiàn)e和U，V)，用未知混合樣品和真實樣品驗證了模型的準(zhǔn)確度，結(jié)果滿意［21］。E H van Veen等將卡爾曼濾波用于ICP–AES中，去除背景干擾及組分間干擾，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和靈敏度［22］。

1.3 用于放射性測量

放射性測量時，經(jīng)常使用液閃計數(shù)法，但液閃計數(shù)法存在著檢測限低，且多組分樣品測定時需預(yù)先分離的缺點。但若把液閃計數(shù)法和化學(xué)計量學(xué)相結(jié)合，就可以利用化學(xué)計量學(xué)的數(shù)學(xué)方法降低液閃計數(shù)法的檢測限，消除組分間干擾，免去復(fù)雜的預(yù)處理過程，直接同時測定多種組分，簡便快捷，節(jié)省成本，測定結(jié)果可滿足實際應(yīng)用的需求。Khayatzadeh Mahani等在液閃計數(shù)法測定Th和U含量中利用化學(xué)計量學(xué)方法(PLS1，PLS2和ANN)建立了3種包含兩組分的混合模型，同時測定了樣品中低濃度Th和U的含量，3種模型測定結(jié)果的均方根偏差分別為0.1，0.12，0.15，可滿足應(yīng)用的需求［23］。同時，他們還利用化學(xué)計量學(xué)方法(PLS和ANN)結(jié)合水溶液中226Ra和U的α能譜建模，同時測定了低濃度226Ra和U的含量，模型應(yīng)用于實際樣品分析，結(jié)果滿意［24］。Toribio等將化學(xué)計量學(xué)中多元校正方法用于液閃計數(shù)法中，同時測定了α放射性Pu含量，對于239+240Pu和238Pu活度的預(yù)測偏差為8%左右［25］。劉建軍等采用因子分析對下莊鈾礦田的航空放射性測量K，U，Th數(shù)據(jù)進行了主成分分析，壓縮了數(shù)據(jù)量，初步驗證了用因子分析法計算鈾礦中初始鈾含量的可行性，比以往計算方法更接近真實值，可操作性強［26］。

2 應(yīng)用難點

使用化學(xué)計量學(xué)方法解析儀器分析數(shù)據(jù)，可解決一些用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法不能解決的問題，去除背景及樣品各組分間的干擾，實現(xiàn)多種組分的直接同時測定。但在實際應(yīng)用中，還存在一些應(yīng)用難點，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)在運用多元校正方法建立定量分析模型時，需要一批實際含量已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品做校正集，但有些復(fù)雜樣品其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)值難以確定，有些配制的模擬樣品無法和真實樣品完全一致，會給測定過程引入誤差。(2)一個模型的建立往往需要收集很多標(biāo)準(zhǔn)樣品，工作量大，需要消耗很多人力物力。(3)化學(xué)計量學(xué)的各種方法一般都要借助于軟件來實現(xiàn)，因此需要編制相應(yīng)功能強大的數(shù)據(jù)處理軟件。

3 結(jié)語

隨著分析儀器的不斷發(fā)展，測量數(shù)據(jù)的進一步增大，需要有更先進功能更強大的數(shù)據(jù)處理方法?；瘜W(xué)計量學(xué)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建立了覆蓋樣品分析的采樣、測量、數(shù)據(jù)處理各個過程的數(shù)據(jù)解析方法。化學(xué)計量學(xué)是一種綠色分析方法，可以有效解決儀器噪音，基體干擾以及組分間譜峰重疊的問題，尤其對于多組分樣品的測定具有明顯的優(yōu)勢，可以用數(shù)學(xué)分離代替化學(xué)分離，省去繁瑣的預(yù)處理，實現(xiàn)對多種組分的同時測定。針對錒系元素分析中樣品復(fù)雜，分離困難，干擾嚴(yán)重，預(yù)處理過程繁瑣等特點，將化學(xué)計量學(xué)引入實際分析中可以大幅提高工作效率，提高分析準(zhǔn)確度。國外許多國家，如美國、英國、德國、伊朗等國家已經(jīng)對化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用進行了比較深入的應(yīng)用研究，并逐漸引入到在線分析中。以前我國對化學(xué)計量學(xué)在錒系元素分析中的應(yīng)用主要集中在鈾礦探測，目前其研究領(lǐng)域也在逐步拓展，特別是對于核燃料后處理工藝樣品中錒系元素的分析，已經(jīng)將化學(xué)計量學(xué)中的實驗設(shè)計、信號處理、多元校正等方法引入光譜測量中，并取得了良好效果。實現(xiàn)化學(xué)計量學(xué)相關(guān)方法的軟件也在編寫開發(fā)中，以后可將其廣泛應(yīng)用于色譜、質(zhì)譜、放射性測量等領(lǐng)域，并逐步推動分析方法向流線分析發(fā)展，解決更多錒系元素分析問題。

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“國家標(biāo)準(zhǔn)全文公開系統(tǒng)”上線運行 6 507項國標(biāo)已公開

為進一步加快推進國家標(biāo)準(zhǔn)公開工作，滿足社會各界便捷地查閱國家標(biāo)準(zhǔn)文本的迫切需求，“國家標(biāo)準(zhǔn)全文公開系統(tǒng)”于3月16日正式上線運行。

國務(wù)院標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進部際聯(lián)席會議辦公室印發(fā)《推進國家標(biāo)準(zhǔn)公開工作實施方案》后，國家標(biāo)準(zhǔn)委立即著手“國家標(biāo)準(zhǔn)公開系統(tǒng)”的軟件研發(fā)，抓緊開展國家標(biāo)準(zhǔn)文本數(shù)據(jù)的梳理、匯集、加工工作，積極落實《實施方案》各項要求。

目前，所有強制性國家標(biāo)準(zhǔn)文本3 470項和第一批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)文本3 037項已經(jīng)在該系統(tǒng)實現(xiàn)了公開，其它非采用國際(國外)標(biāo)準(zhǔn)的推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)將在2017年底前陸續(xù)公開。今后，新批準(zhǔn)發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)將在發(fā)布后的20個工作日內(nèi)及時公開，其中涉及采用國際(國外)標(biāo)準(zhǔn)的推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)文本在遵守國際(國外)標(biāo)準(zhǔn)組織版權(quán)政策前提下進行公開。

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Application of Chemometrics in the Analysis of Actinide Elements

Wang Ling， Qian Hongjuan， Zhang Lihua， Liu Huanliang
(China Institute of Atomic Energy， Beijing 102413， China)

It is difficult to separate or analysis actinide elements because of their similar chemical properties. Quickly and simultaneously determination of actinide elements could hardly to be realized by traditional data analysis methods. Chemometrics was an efficient and powerful data analysis method which has unique advantage in analysis of complex samples. Chemical separation could be substituted by mathematical separation and samples could be determined directly by using chemometrics in the analysis of actinide elements. Chemometrics could also be applied in collecting samples，designing experiments or choosing optimum operation conditions. The comprehensive survey of the application of chemometrics in the analysis of actinide elements from 3 aspects was provided: spectroscopy，ICP–AES，radioactive determination. Furthermore，the difficulty and development prospect of the application of chemometrics in actinide elements analysis was illustrated.

chemometrics; actinide elements; data analysis

O652

A

1008–6145(2017)03–0113–04

聯(lián)系人：王玲；E-mail: nicekingdom@163.com

2017–02–12

10.3969／j.issn.1008–6145.2017.03.027