作者简介: 杨雪茹, 1991年生, 北京有色金属研究总院硕士研究生 E-mail: yangxr1991@126.com
高纯铪由于具有独特的理化性质, 在核反应堆、 等离子切割机、 光学元件等方面有着重要的应用。 高纯铪中杂质的种类和含量会影响高纯铪的物理化学性能, 应用中对高纯铪纯度的要求也越来越高, 这就对高纯铪的分析检测技术提出了更高的要求。 激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(
High purified hafnium has important applications in nuclear reactor, plasma cutting machine, optical element and so on, because of its unique physical and chemical properties. The type and content of impurities in high purity hafnium affect the physical and chemical properties of high purity hafnium, and the purity requirement of high-purity hafnium is also higher and higher. This requires higher requirements for the analysis and detection technology of high-purity hafnium. Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (
铪位于元素周期表中第六周期第Ⅳ B族, 原子序数72, 相对原子质量178.49。 铪具有熔点高、 热中子截面高、 高温耐腐蚀和抗氧化性好等良好的理化性质, 因此, 铪在核反应堆中被用作控制材料, 铪丝在等离子切割机上用作切割电极。 而金属铪中的杂质会对金属的性能产生影响, 所以高纯铪中的杂质检测尤为重要。 目前, 高纯铪的杂质分析, 采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[1]、 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[2]和直流辉光放电质谱法(GD-MS)[3, 4]的居多, 方法比较成熟。
激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)是近30年来发展起来的一种分析手段。 该方法利用聚焦强激光束将样品表面熔融、 溅射和蒸发, 产生高温等离子体, 通过质谱系统测定元素含量。 激光剥蚀技术不需要对样品进行复杂的前处理, 且样品损耗小, 具有实时、 快速等特点, 在环境[5, 6, 7]、 地质[8, 9, 10]、 冶金[11]、 燃料能源[12, 13]、 材料[14, 15, 16]、 生物医药[17]、 考古[18]等领域广泛应用。 而激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)还未有应用于高纯铪样品上的报道。
通过优化激光剥蚀参数, 绘制工作曲线, 建立了激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)测定高纯铪中Al, Sc, Ti, Fe, Ni, Cu, Mo, Ag, Sn, W的方法。
高纯铪内控标样(由北京有色金属研究总院稀冶所冶炼, 本实验室定值); 高纯铪样品(由北京有色金属研究总院稀冶所提供); 标准溶液(GNM-M33198— 2013, GSB 04-1768— 2004, GNM-SAG-002— 2013, 100 μ g· mL-1, 国家有色金属及电子材料分析测试中心); 硝酸(MOS级); 氢氟酸(MOS级); 去离子水。
7700CE 型电感耦合等离子质谱仪(美国安捷伦科技公司)。 经实验优化后的仪器工作参数为: RF功率1 450 W, 射频匹配电压1.8 V, 载气流量0.85 L· min-1, 冷却器流量0.85 L· min-1, 采样深度7.5 mm。 采用时间分辨模式(TRA)采集数据。 根据“ 干扰少, 丰度高” 的原则, 选择待测元素同位素为27Al, 45Sc, 48Ti, 56Fe, 60Ni, 63Cu, 98Mo, 107Ag, 118Sn, 184W。
LSX-213 Nd: YAG激光剥蚀系统(美国Cetac公司)。 经实验得到优化后的仪器工作参数。
将高纯铪制成尺寸合适的样品, 用硝酸洗去样品表面的氧化物, 将其装入剥蚀池中。 运用线扫描剥蚀方式, 在最佳仪器工作条件下, 使用已经用ICP-MS定值过的内控标样绘制工作曲线, 对样品进行定量分析。
2.1.1 氦气流量
本实验激光剥蚀系统的载气为氦气。 控制其他参数不变, 设置不同的氦气流量, 进行测定, 得到样品中待测元素信号灵敏度和稳定性随载气流量的变化情况。 由图1和图2可知, 各元素的信号强度随载气流量的增大而增大, 这是由于气溶胶在通道中的传输效率增大; 信号强度的相对标准偏差(RSD)随着载气流量的增大先减小后增大, 因为当载气流量过大时, 会在剥蚀池内形成涡流, 影响信号的稳定性。 当载气流量为600 mL· min-1时, 信号的稳定性最好, 最终选择氦气流量为600 mL· min-1。
2.1.2 激光能量
控制其他参数不变, 设置不同的激光能量, 进行测定, 得到样品中待测元素信号灵敏度和稳定性随激光能量的变化情况。 由图3和图4可知, 各元素信号强度随着激光能量的增大而增大, 当激光能量增至90%后趋于平缓; 待测元素信号的RSD先减小后增大, 当激光能量为90%时, 信号的稳定性最好。 而激光能量超过90%后, 信号稳定性变差, 这可能是因为过大的激光能量导致剥蚀量超出了等离子体的负载。 因此最终选择能量参数为90%(4.05 mJ· 脉冲-1)。
2.1.3 剥蚀孔径
控制其他参数不变, 设置不同的剥蚀孔径, 进行测定, 得到样品中待测元素信号灵敏度和稳定性随剥蚀孔径的变化情况。 根据图5、 图6可知, 随着剥蚀孔径的增大, 各元素信号强度逐渐增大; 待测元素的相对标准偏差先减小后趋于平缓, 当剥蚀孔径为150 μ m时, 信号的RSD最小。 这是因为剥蚀孔径越大, 剥蚀量越大, 气溶胶中元素能量越高, 微小区域内元素分布不均引起的信号波动影响越小, 则信号灵敏度与稳定性越好。 因此, 选择剥蚀孔径为150 μ m。
2.1.4 扫描速率
实验采用的剥蚀方式为线扫描。 控制其他参数不变, 设置不同的扫描速率, 测定数据, 得到样品中待测元素信号灵敏度和稳定性随扫描速率的变化情况。 根据图7和图8可知, 随着扫描速率的增大, 由于剥蚀效率及气溶胶的传输效率增大, 各元素的信号强度增加, 在60 μ m· s-1后趋于稳定; 而元素信号的RSD在扫描速率为60 μ m· s-1时最小, 在80 μ m· s-1时变大, 是因为扫描速率过大, 会丢失部分信息, 造成信号稳定性降低。 因此, 选择扫描速度为60 μ m· s-1。
2.1.5 脉冲频率
控制其他参数不变, 设置不同的脉冲频率, 进行测定, 得到信号灵敏度和稳定性随激光脉冲频率的变化情况。 如图9和图10所示, 随着脉冲频率的增大, 由于样品单位时间内剥蚀量增大, 各待测元素的信号强度缓慢增大, 即信号灵敏度增大; 信号的RSD逐渐变小, 即信号稳定性变好。 因此, 选择激光脉冲频率为20 Hz。
采用北京有色金属研究总院稀冶所提供的高纯铪内控标样, 在仪器最优条件下建立标准曲线, 得到各待测元素的标准曲线方程和线性相关系数。 如表1所示, 各杂质元素标准曲线的线性相关系数为0.993 6~0.999 8。 采集载气空白的信号强度, 平行测定11次, 以3倍空白信号的标准偏差所对应的含量作为元素的检出限。 如表1所示, 各杂质元素的检出限为 0.001~0.08 μ g· g-1。
![]() | 表1 各元素的标准曲线方程、 线性相关系数和检出限 Table 1 Calibration line equation, linear correlation coefficient and detection limit of each element |
在仪器最优条件下, 对三个高纯铪样品的杂质进行7次测定。 同时, 用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对这三个高纯铪样品的杂质进行测定, 两种方法的测定结果见表2。
![]() | 表2 三个高纯铪样品中杂质的分析结果 Table 2 Results of impurities in 3 high purified hafnium samples |
为了检验方法的正确度, 对三个样品的LA-ICP-MS法和ICP-MS法测定结果进行t检验。 t检验法的计算公式如下
其中,
以W为例计算t值, 如表3所示, 三个样品的t值分别为2.14, 1.64和2.11, 均小于显著性水平为0.05时的临界值t0.05, 12=2.18, 说明LA-ICP-MS法和ICP-MS法的测定结果在置信度为95%时没有显著性差异, 即正确度良好。
![]() | 表3 两种方法测定W的t值 Table 3 Student’ s t values of W determined by two methods |
方法的精密度通过LA-ICP-MS法7次测定样品的RSD表示, 由表4所示, 测定结果的RSD为1.4%~20%, 除样品1和样品3的Al和Cu两种元素RSD大于15%外(因为这两种元素含量较低), 其他元素的RSD均在15%以下, 即方法的精密度良好。
![]() | 表4 三个高纯铪样品测定结果的相对标准偏差 Table 4 Relative standard deviation in 3 high purified hafnium |
以高纯铪内控标样为外标, 建立了激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)测定高纯铪中杂质元素Al, Sc, Ti, Fe, Ni, Cu, Mo, Ag, Sn, W的分析方法。 各杂质元素标准曲线的线性相关系数为0.993 6~0.999 8, 检出限在0.001~0.08 μ g· g-1, 测定结果的相对标准偏差为1.4%~20%, 与ICP-MS法的测定结果无显著性差异。 该方法具有良好的正确度和精密度, 可应用于高纯铪中杂质元素的检测。 并且, 该检测方法具有高效、 快速, 前处理简单, 样品损耗少, 检出限低等优势。 不仅丰富了高纯铪的检测手段, 并且为LA-ICP-MS法测定其他高纯金属提供了有效参考。
The authors have declared that no competing interests exist.
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