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        激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測(cè)定純釕中19種雜質(zhì)元素

        2021-03-31 10:55:58賈貴發(fā)李秋瑩甘建壯
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        賈貴發(fā) 李秋瑩,2* 甘建壯,2 馬 媛 楊 輝

        (1.貴研鉑業(yè)股份有限公司,稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明650106;2.貴研檢測(cè)科技(云南)有限公司,昆明650106)

        前言

        釕是一種性能極好的催化劑,是硬質(zhì)的白色金屬,用于氫化、異構(gòu)化、氧化和重整反應(yīng)中。貴金屬釕的這個(gè)特性決定了它的重要地位作用,釕是鉑和鈀的有效硬化劑,可用于制造釕碳催化劑、電接觸合金、以及硬磨硬質(zhì)合金等。特別是隨著化工、冶金、醫(yī)藥、催化等行業(yè)和材料學(xué)科的快速發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)純釕及其電子產(chǎn)品、航天儀器、化工行業(yè)和催化產(chǎn)品的需求快速增長(zhǎng),釕粉中雜質(zhì)元素含量高低直接影響其材料、產(chǎn)品的電學(xué)性能、力學(xué)性能、加工工藝和使用壽命。因此,催化、醫(yī)藥、材料研究和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)都需要更快、更準(zhǔn)確地掌握其雜質(zhì)元素含量的信息。目前釕粉中雜質(zhì)元素的測(cè)定方法為直流電弧發(fā)射光譜法[1]、輝光放電質(zhì)譜法(GD-MS)[2]和ICP-AES法[3];釕化合物中雜質(zhì)元素檢測(cè)方法有ICP-AES法[4]。直流電弧發(fā)射光譜法必須使用高純釕基體匹配粉末標(biāo)準(zhǔn)樣品,單次測(cè)定成本高,而GD-MS無標(biāo)準(zhǔn)樣品,只能給出半定量結(jié)果,ICP-AES法需樣品處理成溶液,在樣品前處理階段容易污染,對(duì)試劑及實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件要求高。

        釕由于它的難溶性很難解決,雖然通過高溫高壓消解儀,解決了釕粉的溶解問題,但高溫高壓下還是無法溶解釕絲、釕片等釕金屬樣品。激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)法是一種固體樣品直接分析技術(shù),具有樣品制備簡(jiǎn)單、分析速度快、靈敏度高、干擾少、不用分離基體等優(yōu)點(diǎn)。已應(yīng)用于地質(zhì)、冶金、環(huán)境、材料科學(xué)及高純金屬等領(lǐng)域[5-8],可實(shí)現(xiàn)釕樣品近無損的快速分析。

        由于貴金屬釕標(biāo)準(zhǔn)樣品難以獲得,本文采用純釕粉樣品,高溫高壓溶解后,采用ICP-MS法定值所測(cè)元素(除硅外),獲得所測(cè)元素的相對(duì)靈敏度因子[9](RSF),再根據(jù)相對(duì)靈敏度因子對(duì)所測(cè)元素的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正。并與電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行比對(duì),結(jié)果一致。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要儀器

        300D電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)Perkin Elmer 公司)及激光剝蝕固體進(jìn)樣系統(tǒng)(美國(guó)ESI 公司NWR213)。

        1.2 儀器工作參數(shù)

        所采用的儀器工作參數(shù)見表1。各元素測(cè)定同位素為24Mg、27Al、56Fe、60Ni、63Cu、66Zn、85Rb、103Rh、106Pd、97Mo、109Ag、114Cd、120Sn、137Ba、193Ir、194Pt、197Au、208Pb、28Si。

        表1 優(yōu)化的儀器參數(shù)Table 1 Optimal parameters of instrument

        1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

        純釕樣品,純度≥99.9%(采用60 kN壓力的壓片機(jī)把釕粉直接放入直徑1 cm磨具中壓片或把釕粉壓在高純銦片上備用,金屬樣品直接測(cè)定)。

        1.4 實(shí)驗(yàn)方法

        激光剝蝕采用行掃描剝蝕模式,ICP-MS法以跳峰方式的時(shí)間分辨模式采集數(shù)據(jù),選定各元素檢測(cè)同位素,測(cè)定用ICP-MS定值的釕樣品,根據(jù)釕粉樣品的ICP-MS定值結(jié)果確定了測(cè)定元素的相對(duì)靈敏度因子(RSF),根據(jù)相對(duì)靈敏度因子對(duì)元素的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正。以102Ru為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行定量分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 激光剝蝕參數(shù)優(yōu)化

        在測(cè)試時(shí),基體釕的信號(hào)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它元素,因此,優(yōu)化激光參數(shù)時(shí)主要以基體釕元素作為參考目標(biāo),通過ICP-MS法定值釕粉樣品與實(shí)際樣品測(cè)試,逐步優(yōu)化對(duì)影響激光信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù),主要優(yōu)化了激光能量、剝蝕孔徑、掃描速率、脈沖頻率、載氣流量等參數(shù),使102Ru的信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定并達(dá)到最大值。采用粉末直接壓片和將粉末壓在高純銦片上兩種制樣方法,并分別測(cè)試,對(duì)比兩種制樣方法的測(cè)試條件。

        2.1.1 激光能量選擇

        激光能量的大小主要影響單位時(shí)間的剝蝕量,單位時(shí)間的剝蝕量越大,則通過載氣進(jìn)入到ICP-MS的樣品量越多。能量越高,剝蝕量越大,但與此同時(shí),所產(chǎn)生的氣溶膠顆粒越大,溫度也越高,可能造成部分樣品融化,因此需不斷調(diào)整,選擇合適的能量。對(duì)于金屬樣品,較低的能量就能夠剝蝕,故選擇從較低能量開始剝蝕,通過考察基體元素的信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)的穩(wěn)定性(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD)來選擇合適的能量。選擇102Ru作為考察對(duì)象,通過不同能量激光對(duì)樣品進(jìn)行剝蝕,計(jì)算其信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性(RSD),結(jié)果如圖1、2所示。

        由圖1、2可見,激光能量40%以下,樣品信號(hào)強(qiáng)度較低,而且信號(hào)穩(wěn)定性較差;50%時(shí)強(qiáng)度快速上升,且隨著能量上升,信號(hào)強(qiáng)度隨之增加,但同時(shí)信號(hào)的穩(wěn)定性隨著能量增加而上升,因此,選擇信號(hào)最穩(wěn)定的能量參數(shù)為60%。

        圖1 激光能量對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Figure 1 Effect of laser energy on signal strength.

        圖2 激光能量對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響Figure 2 Effect of laser energy on signal stability.

        2.1.2 剝蝕孔徑選擇

        剝蝕孔徑即激光光斑尺寸,分別以3~110 μm(60 μm為方形光斑,其余為圓型光斑)共13個(gè)尺寸的光斑來剝蝕樣品,通過考察基體信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)的穩(wěn)定性確定最佳的剝蝕孔徑。結(jié)果如圖3、4所示。

        圖3 剝蝕孔徑對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Figure 3 Effect of denudation aperture on signal intensity.

        圖4 剝蝕孔徑對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響Figure 4 Effect of denuded aperture on signal stability.

        由圖3、4可見,隨著剝蝕光斑尺寸的增加,信號(hào)強(qiáng)度組建增強(qiáng),而且信號(hào)的穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng),因此,選擇110 μm作為剝蝕光斑參數(shù)。

        2.1.3 掃描速率選擇

        掃描速率的大小,決定了激光停留同一位置時(shí)間的長(zhǎng)短。掃描速率越快,停留時(shí)間越短,可能會(huì)在樣品表面產(chǎn)生空隙,造成信號(hào)丟失,使得信號(hào)穩(wěn)定性降低;而掃描速率過低,則會(huì)使得停留時(shí)間過長(zhǎng),剝蝕坑過深,剝蝕坑的深寬比(D/W)過大,分餾效應(yīng)增加,信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大降低。以不同的掃描速率(10~110 μm/s)測(cè)定樣品,考察不同速率的基體信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,選擇合適的掃描速率。結(jié)果如圖5、6所示。

        圖5 掃描速率對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Figure 5 Effect of scanning rate on signal strength

        圖6 掃描速率對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響Figure 6 Effect of scanning rate on signal stability

        由圖5、6可見,隨著掃描速率的增加,信號(hào)強(qiáng)度先增強(qiáng)到50 μm/s后又逐漸降低,而且信號(hào)的穩(wěn)定性也隨之降低,因此,選擇50 μm/s作為剝蝕速率參數(shù)。

        2.1.4 脈沖頻率選擇

        脈沖頻率的高低,影響單位時(shí)間內(nèi)的剝蝕次數(shù),頻率越高,剝蝕次數(shù)越多,剝蝕的氣溶膠數(shù)量越多,但同時(shí)剝蝕的剝蝕坑越深,剝蝕坑的深寬比(D/W)越大,分餾效應(yīng)越明顯,信號(hào)的穩(wěn)定性越差;頻率越低,則剝蝕量越少,信號(hào)的強(qiáng)度越低。以不同的頻率(5~20 Hz)測(cè)試樣品信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性(圖7、8),綜合考慮選擇10 Hz的脈沖頻率作為參考條件。

        圖7 脈沖頻率對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Figure 7 Effect of pulse frequency on signal strength.

        圖8 脈沖頻率對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響Figure 8 Effect of pulse frequency on signal stability.

        2.1.5 載氣流量選擇

        載氣(He)的主要作用為帶著剝蝕產(chǎn)生的氣溶膠顆粒與氬氣混合后送入MS檢測(cè),載氣流速過大,可能會(huì)使MS熄火,影響穩(wěn)定性,在氣流量過小,則可能使剝蝕產(chǎn)生的氣溶膠顆粒傳輸效率降低,影響測(cè)定的準(zhǔn)確性。以不同的載氣流量測(cè)試樣品,考察基體元素信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,選擇合適的載氣流量(圖9、10),綜合考慮選擇載氣流量為740 mL/min。

        圖9 載氣流量對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響Figure 9 Effect of carrier gas flow rate on signal strength.

        圖10 載氣流量對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響Figure 10 Effect of carrier gas flow rate on signal stability.

        2.1.6 剝蝕方式

        剝蝕方式的選擇,一般根據(jù)測(cè)試類型選擇,Point一般用來做小區(qū)域的分析以及深度分析,由于信號(hào)穩(wěn)定性較差,較少用于定量分析;Line 可得到空間分布信號(hào),也常用于定量分析;折線(面)用于大面積分析,整體分析。因此,實(shí)驗(yàn)選擇了Line Scan的剝蝕方式來測(cè)試。

        2.2 相對(duì)靈敏度因子校正

        由于難以獲得純釕標(biāo)準(zhǔn)樣品,實(shí)驗(yàn)用ICP-MS法定值釕粉樣品,計(jì)算出所測(cè)元素的相對(duì)靈敏度因子RSF。采用LA-ICP-MS對(duì)釕粉樣品平行測(cè)定7次,計(jì)算相對(duì)靈敏度因子(RSF),計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[12]。各元素相對(duì)靈敏度因子見表2。從表2中得出Fe、Sr、Cu、Zn、Sn、Ba、Pb、Ag元素的相對(duì)靈敏度因子接近1,表明釕粉樣品中這些元素的測(cè)定結(jié)果和ICP-MS定值吻合,而其他元素須采用RSF對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行校正。

        表2 各元素相對(duì)靈敏度因子Table 2 Relative sensitivity factor of each element

        2.3 檢出限

        在優(yōu)化參數(shù)的條件下,對(duì)載氣空白信號(hào)測(cè)定11次。以載氣空白信號(hào)值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差與基體釕元素信號(hào)值的比值,求出各待測(cè)元素的檢出限,計(jì)算公式參照[9],結(jié)果見表3。從表3得出各元素的檢出限為0.007~12.8 μg/g。

        表3 各元素檢出限 Table 3 Detection limit for each element /(μg·g-1)

        2.4 樣品分析

        采用LA-ICP-MS測(cè)定了釕粉樣品,平行測(cè)定7次,用表2中相對(duì)靈敏度因子對(duì)所測(cè)元素結(jié)果進(jìn)行校正。并與ICP-MS法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),結(jié)果見表4。從表4得出LA-ICP-MS各元素的精密度在10%~30%。校正后的測(cè)定結(jié)果與ICP-MS法結(jié)果相吻合。表明了使用ICP-MS定值的釕粉樣品相對(duì)靈敏度因子校正分析結(jié)果的可靠性及實(shí)用性。

        表4 兩種分析方法結(jié)果及LA-ICP-MS精密度結(jié)果Table 4 Results of 2 analytical methods and precision results of LA-ICP-MS

        3 結(jié)論

        采用激光剝蝕固體進(jìn)樣,建立了LA-ICP-MS法測(cè)定純釕中Mg、Al、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Rh、Pd、Mo、Ag、Cd、Sn、Ba、Ir、Pt、Au、Pb和Si 雜質(zhì)元素的分析方法。通過儀器參數(shù)優(yōu)化,提高了方法準(zhǔn)確度和精密度。方法的檢出限為:0.007~12.8 μg/g,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為10%~30%。通過ICP-MS定值的純釕粉樣品相對(duì)靈敏度因子進(jìn)行校正,測(cè)定結(jié)果與ICP-MS法結(jié)果吻合,證實(shí)了使用ICP-MS定值釕粉的相對(duì)靈敏度因子校正分析結(jié)果的可靠性及實(shí)用性??捎糜诩冡懼须s質(zhì)近無損快速檢測(cè),具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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