Quantitative Analysis of Boron Isotopes in Solution by Microwave Plasma Torch Molecular Isotopic Spectroscopy

doi:10.7503/cjcu20260205

Abstract

Abstract:

To meet the demand for rapid analysis of boron isotope ratios in solution systems， this study established a microwave plasma torch molecular isotopic spectrometry（MPT-MIS） method for the quantitative determination of boron isotope ratios in solutions. The method employs a microwave plasma torch（MPT） to excite the emission spectrum of BO₂ molecules and combines partial least squares regression（PLSR） to extract boron isotopic abundance from full-spectral shape， enabling rapid measurement of boron isotope ratios. The memory effect of boron was effectively reduced by using a quartz inner tube， and the spectral preprocessing methods as well as the wavelength range were systematically optimized based on leave-one-out cross-validation（LOOCV）. Under the optimal preprocessing combination（first derivative+area normalization+25-point smoothing） and the optimal wavelength range（464—589 nm）， only two latent variables（LVs） were needed to sufficiently extract the spectral information related to isotope abundance. On the three samples in the validation set， the maximum relative bias of the model-predicted ¹¹B/¹⁰B ratio was 2.04%， and the prediction precision was 1%—2%（2σ）. Furthermore， it was found experimentally that the BO₂ molecular spectral intensity exhibited a good linear relationship with total boron concentration in the range of 5—3000 μg/mL（R²>0.999）， indicating the potential of this method for simultaneous determination of total boron concentration. This provides a simple and low-cost new approach for the online simultaneous analysis of boron isotope ratios and total boron concentration in scenarios such as the nuclear industry.

Key words: Boron isotope, BO₂ molecular spectroscopy, Microwave plasma torch, Partial least squares regression

CLC Number:

O657.3

TrendMD:

JIA Chenyang, LIN Genxian, JIN Wei, YU Bingwen. Quantitative Analysis of Boron Isotopes in Solution by Microwave Plasma Torch Molecular Isotopic Spectroscopy[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(10): 20260205.

Figures/Tables 12

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Parameter	Value	Parameter	Value	Parameter	Value
Plasma gas	Argon	Carrier gas flow rate	0.36 L/min	Sample uptake rate	1.0 mL/min
Support gas flow rate	0.36 L/min	Frequency of RF generator	2.45 GHz	Viewing mode	Radial
Shielding gas flow rate（O₂）	1.2 L/min	RF generator power	600 W	Observation height	18 mm above the torch

Parameter	Value	Parameter	Value	Parameter	Value
Plasma gas	Argon	Carrier gas flow rate	0.36 L/min	Sample uptake rate	1.0 mL/min
Support gas flow rate	0.36 L/min	Frequency of RF generator	2.45 GHz	Viewing mode	Radial
Shielding gas flow rate（O₂）	1.2 L/min	RF generator power	600 W	Observation height	18 mm above the torch

Parameter	Optimization range	Number of levels
Derivative order	0， 1， 2	3
Normalization method	None， max， mean， snv， euclidean， area， minmax	7
Smoothing window size	5， 7， 9， 11， 13， 15， 17， 19， 21， 23， 25	11

Parameter	Optimization range	Number of levels
Derivative order	0， 1， 2	3
Normalization method	None， max， mean， snv， euclidean， area， minmax	7
Smoothing window size	5， 7， 9， 11， 13， 15， 17， 19， 21， 23， 25	11

Region type	Region index	Wavelength/nm	Region description
Narrow single peak	i	471―476	474 nm peak region
	ii	494―498	496 nm peak region
	iii	516―521	518 nm peak region
	iv	546―550	548 nm peak region
	v	577―581	579 nm peak region
Broad single peak	vi	464―486	474 nm peak broad region
	vii	486―508	496 nm peak broad region
	viii	508―538	518 nm peak broad region
	ix	538―569	548 nm peak broad region
	x	569―589	579 nm peak broad region
Two⁃peak combination	xi	464―508	474 nm+496 nm peaks region
	xii	508―569	518 nm+548 nm peaks region
	xiii	538―589	548 nm+579 nm peaks region
Three⁃peak combination	xiv	464―538	474 nm+496 nm+518 nm peaks region
	xv	508―589	518 nm+548 nm+579 nm peaks region
Multi⁃peak combination	xvi	464―569	474 nm+496 nm+518 nm+548 nm peaks region
	xvii	464―589	All five characteristic peaks region
Full spectrum	xviii	400―600	Full spectral range