电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定钢中Al元素光谱干扰的研究
2019-01-14王志远
王志远 李 帆 王 强 王 荣
(1 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095)
前言
钢铁作为生产生活中最常见的金属材料，对其成分测试的要求非常普遍。而钢的牌号众多，不同牌号元素种类、数量、含量各不相同。各种共存元素都可能在测定时对待测元素产生干扰。因此分析谱线的选择不能一概而论，必须针对不同材料，选择不同的分析谱线。现有分析方法多是针对具体牌号、具体元素的。本文提供方法是一种通用方法，对各种牌号具有广泛适用性[1]。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
JY ACTIVA ICP发射光谱仪(法国HORIBA JOBINYVON公司生产)；PE OPTIMA 5300 ICP发射光谱仪(美国PE公司)：高频频率40.68 MHz，入射功率1 300 W，反射功率小于10 W，冷却气流量14 L/min[2]。
盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、柠檬酸均为优级纯，实验用水为二次去离子水。
钇内标溶液(0.20 mg/mL)：称取0.253 8 g氧化钇(Y2O3，质量分数不小于99.99%)置于200 mL烧杯中，加入50 mL HCl(1+1)，低温加热至溶解完全，冷却后，转移至1 000 mL容量瓶中，用二次水稀释至刻度并摇匀。
1.2 分析线
分析谱线见表1。选取各仪器上若干条灵敏度较高的分析谱线，在以后的实验中进行逐一验证。
表1 分析谱线
1.3 样品制备
称取试样0.10 g(精确至0.000 1 g)置于150 mL塑料烧杯中，加入15 mL盐酸，5 mL硝酸。低温加热至反应停止，滴加1 mL氢氟酸[3]，等反应完全后转移至已经加入0.20 mg/mL钇内标的100 mL容量瓶中，定容。转入塑料试剂瓶中备用[4]。
1.4 光谱干扰实验溶液的配制
根据钢中各牌号的化学成分[5]，配制了包括试剂空白溶液、基体元素溶液、共存元素溶液、分析元素溶液在内的各光谱干扰研究实验溶液[6]，各实验溶液的元素及其含量见表2。
表2 光谱干扰实验溶液配制表
2 结果与讨论
钢中基体元素和共存元素对分析元素的光谱干扰研究。
2.1 JY ACTIVA-型仪器上光谱干扰研究
将表2中的单一元素光谱干扰实验溶液、试剂空白溶液在JY ACTIVA ICP-AES仪器上6条Al分析谱线波长处进行图形扫描，积分时间1 s，获得以分析波长为中心，波长范围为0.309 nm的光谱扫描图形[7-8]。将获得的光谱扫描图形进行适当叠加放大处理，进一步研究各基体元素和干扰元素、试剂空白溶液在分析谱线附近的光谱干扰情况。所研究的各牌号钢中基体元素和共存元素对分析元素Al的光谱干扰情况见表3。
表3 JY ACTIVA ICP-AES仪器对分析元素Al的光谱干扰研究
将实验结果按表3形式列出，识别各干扰情况。由于篇幅有限，在此只是以少量数据作为例子。最终得出结论，可采用Al 394.40 nm、Al 396.15 nm和Al 309.27 nm进行钢中Al的测量。
2.2 PE OPTIMA 5300型仪器上光谱干扰研究
将表2中的单一元素光谱干扰实验溶液、试剂空白溶液在PE OPTIMA 5300 ICP-AES仪器Al 6条分析谱线波长处进行图形扫描，积分方式自动1～5 s，获得以分析波长为中心，波长范围为0.108 nm的光谱扫描图形。将获得的光谱扫描图形进行适当叠加放大处理，进一步研究各基体元素和干扰元素、试剂空白溶液在分析谱线附近的光谱干扰情况。干扰情况按表3形式列出。
实验表明，可采用Al 394.40 nm、Al 308.21 nm和Al 309.27 nm进行钢中Al的测定。
2.3 精密度、准确度实验
结合2.1和2.2实验结论，选取Al 394.40 nm和Al 309.27 nm两条分析线进行以下实验。
按1.3配制溶液，以1.4作为工作曲线在PE 5300仪器上进行测定，结果见表4。
由表4可以看出，采用分析线Al 394.40 nm和Al 309.27 nm对Al元素进行测定，测定值与标准值基本一致，对于含量范围在0.05%～0.1%的分析元素，相对标准偏差小于13.8%；对于含量范围在0.10%～1.00%的分析元素，相对标准偏差小于2.6%；对于含量范围在1.00%～5.00%的分析元素，相对标准偏差小于1.9%；对于含量范围在5.00%～7.00%的分析元素，相对标准偏差小于0.79%。根据技术指标，对于含量范围在0.01%～0.1%的分析元素，相对标准偏差小于20%；对于含量范围在0.10%～1.00%的分析元素，相对标准偏差小于10%；对于含量范围在1%～5%的分析元素，相对标准偏差小于5%；对于含量范围在5%～10%的分析元素，相对标准偏差小于2%；因此方法的准确度和精密度符合分析要求，可以用此方法分析钢中含量范围在0.05%～7.00%的Al元素[9]。
根据光谱干扰实验和精密度、准确度实验选定Al元素分析谱线为394.40 nm和309.27 nm。
2.4 方法检出限实验
采用JY ACTIVA型仪器用1.4工作曲线，在2.1工作条件下进行进行测定，连续进行10次铁基空白溶液的测定，工作曲线线性系数和方法检出限结果见表5。
表4 测量Al元素的精密度、准确度实验结果
表5 线性实验和检出限实验结果
由表5可以看出，含量范围在0.05%～7.00%的Al元素测定工作曲线线性关系良好。检出限最高为0.002%，因此，用此方法可以满足含量范围是0.05%～7.00%的钢中Al的测定[10-11]。
3 结论
实验对钢中常见元素Al的电感耦合等离子体原子发射光谱法测定进行了研究，在原有实验和理论的基础上分别在两台仪器上进行了光谱干扰、精密度、准确度等实验。
此实验是在前面条件实验的基础上，即在选定可行的分析谱线、加钇内标进行测定等条件下进行的。在精密度、准确度实验中，对光谱干扰实验中选定的谱线进行了进一步实际验证，通过对测量结果RSD等指标的分析，确定了准确可靠的分析谱线。
在最终确定的分析条件下，可以对Al元素进行准确测定。另外，针对不同种类的钢进行成分分析时，不同的溶样方式对测定结果也会产生影响，我们将在以后工作中进一步验证。
