高纯镁和高纯钼的质谱纯度分析及其结果不确定度评定

发布时间：2020-07-06 18:21

【摘要】：金属镁/钼及其合金作为航空、能源、电子、军事等领域重要的金属材料,其杂质含量以及纯度分析结果的准确性,不仅直接影响该类材料的抗氧化性、抗腐蚀性等性能评价,而且对于以高纯物质作为化学计量溯源依据而言,决定着该类标准物质关键特性量值的准确性和不确定度范围。本文首先建立了电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析高纯金属镁中痕量元素的方法。通过对高纯镁样品中62个元素进行ICP-MS半定量分析,选取含量大于测定下限且大于1.0μg/g的9个元素:Cr、Fe、Mn、Ni、Cu、Zn、Sn、Pb和Bi进行ICP-MS定量分析;对于存在较为严重的质谱干扰且含量较高的Al、Si和Ca等三个元素,建立了标准加入法-电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)分析方法,准确分析其含量;并解析了ICP-MS及ICP-AES分析高纯镁中杂质元素测定结果的不确定度来源,计算出各元素测定结果的标准不确定度。采用“杂质扣除法”,针对65个痕量杂质元素,得到结合ICP-AES的ICP-MS湿法分析方法的最终纯度结果及其扩展不确定度为:99.924%±0.002%。在此基础上,深入研究了直接固体分析的辉光放电质谱法(GD-MS)测定棒状高纯镁纯度分析方法。通过优化GD-MS的放电参数,放电电流设在47.0 mA、气体流量设在599 mL/min时,使基体信号稳定且强度可满足测试的要求;预溅射15 min可完全消除样品表面的污染。通过分析质量数相互作用引起的质谱干扰,优化选择了分析用同位素和相应的分辨率;采用镁基标准样品校正相对灵敏度因子(RSF);计算了GD-MS分析棒状高纯镁中69种痕量杂质元素的检出限及测定下限;通过解析GD-MS分析高纯镁中杂质元素测定结果的不确定度来源,计算出各元素测定结果的标准不确定度。采用“杂质扣除法”,针对69个痕量杂质元素,得到GD-MS的最终纯度分析结果及其扩展不确定度为:99.927%±0.014%;而结合ICP-MS及ICP-AES分析12个痕量杂质元素的定量分析结果,其余元素采用GD-MS结果,最终综合多方法的纯度分析结果及其扩展不确定度为:99.926%±0.002%。最后,通过辉光放电质谱法(GD-MS)纯度分析方法应用于棒状高纯钼的分析研究,进一步验证以上纯度分析方法的可行性。其中高纯钼中痕量镉因受到钼氧、钼氮等多原子离子的严重干扰,即使采用高分辨质谱仪也无法准确分析。为了有效消除干扰,采用串联质谱的反应池技术,选取~(111)Cd为分析同位素,选择0.4 mL/min的NH_3做反应气,建立了电感耦合等离子体串联质谱测定高纯钼中痕量镉的分析方法,确立了杂质元素镉的准确含量。棒状高纯钼的三种纯度分析方法的最终纯度值和扩展不确定度结果为:ICP-MSICP-AES法(65种元素:99.971%±0.002%)、GD-MS(69元素:99.974%±0.010%)、多方法综合(69元素:99.976%±0.002%)。通过对照3N(399.9%)高纯镁和高纯钼ICP-MSICP-AES法分析纯度(65种元素)、GDMS纯度分析结果(69种元素)、多方法综合纯度分析结果(69种元素)共三种纯度分析方法的最终纯度值和不确定度结果,可知GD-MS对高纯镁和高纯钼的纯度定级准确可靠。GD-MS因其样品免溶解直接测定、检出限低、分辨率高、基体干扰小、操作简单、省时等多种优势,完全能替代ICP-MS等湿法分析方法,实现对3N级别的高纯镁及高纯金属纯度的准确分析;由于GD-MS对于大多数痕量杂质元素的检出限较ICP-MS的检出限低两个数量级,因而在4N~6N或以上级别的高纯镁金属纯度分析,将具有更大的应用优势。
【学位授予单位】：钢铁研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.63;TG146.22
【图文】：

辉光放电

223为质量转移和原位质量模式。在半导体行业，ICP-MS 分析高i、P 存在严重的质谱干扰，如30Si1H 对31P、30Si16O 对46Ti、30而采用氧气质量转移模式的 ICP-MS/MS 可将 P 和 Ti 以其氧化1P16O+的形式准确测定[38]。放电质谱（GD-MS）法S 可直接分析固体样品，以辉光放电离子发生器作为离子源，金材料、导体、半导体和非导体材料中元素的定性、定量分析深度分析等。该方法具有分辨率高、检测限很低、检测范围大解即可固体直接测量等优点，广泛的应用在无机材料的杂质分光放电电，即气体在低压下放电，图 1-1 是一个辉光放电装置。阴极，加上千伏电压，氩气被电离产生 Ar+，在电场的作用下，加的样品表面被 Ar+碰撞后，溅射出原子、二次离子和二次电子等

辉光放电质谱,基本原理

光放电的阴极溅射和电离溅射是 Ar+在电场作用下加速撞击样品表面，处于晶格中的原子，脱离样品表面。溅射率表示为溅射的程度，是单位时间溅射质量或深度[43]。放电主要有两种电离方式：电子轰击电离和彭宁电离。电子轰击惰性气体大量电离产生的电子碰撞溅射原子而发生的激发、电离表示为 A + e → A++ e2+，其中 A 代表样品原子。彭宁电离是与被溅射出原子作用发生能量传递使样品原子电离，同时释放出化方式可表示为Ar + A → Ar + A++ e+，其中 A 代表样品原子的原理如图 2 所示，其中过程（3）是电子轰击电离，过程（1）离由于原子化与离子化是分离的，基体效应弱，无标准物质/标出较准确的分析结果[44]。

分析过程,液体样品,大气压,样品

检测液体样品，R.Kenneth Marcus 等[73]人设计了一种离子的毛细管作为辉光放电源的阴极，在大气压环境下毛细样品朝样品锥移动并发生离子化，叫作液体样品-大气压ampling-atmospheric pressure glow discharge，LS-APGD)。，LS-APGD 离子源可在低电压(小于 5 瓦)、低液体流速消耗量少，方便更换液体样品类型，交叉污染少。

【参考文献】