CN104297333A - 采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al2O3中杂质元素的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法，包括以下步骤：(1)将Al₂O₃粉末与铜粉按比例混合均匀，然后将混合粉末压片，用N₂吹去压片样品表面的粉末，装入样品池中；(2)设定放电气体流量为500mL/min，放电电流为30mA，离子源冷却温度为5～25℃，预溅射15min；(3)在步骤(2)设定的实验条件下，采集待测元素的信号强度，以Al、O、Cu产生的信号加和定义为100％，根据待测元素信号强度与Al、O、Cu三种元素获得的信号强度总和的比值来计算混合粉末中待测元素含量；扣除铜粉自身含有的待测元素含量，获得Al₂O₃中待测元素含量。本发明实现了直流辉光放电质谱法对不导电的α-Al₂O₃粉末中杂质元素含量的测定，其测定结果与直流电弧发射光谱法基本吻合。

Description

采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al2O3中杂质元素的方法

技术领域

本发明涉及一种采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法。

背景技术

高纯氧化铝是制作透明陶瓷材料和单晶材料的重要材料，其纯度直接影响产品的微观结构和性能。α型Al₂O₃(α-Al₂O₃)属于难溶解的无机材料之一，在常温常压下不溶于酸和碱，该类样品的难溶性给检测带来了困难。常规的溶样方法采用碳酸钠/硼砂碱熔法，但这种方法容易引入大量的试剂空白和盐类，不利于仪器测定；微波消解技术是一种新型的溶样技术，需要试剂量少，但是对温度和压力有较高的要求，溶解高纯氧化铝需要用硫酸或磷酸或二者混合酸，由于其粘度大、腐蚀性强，亦不利于仪器测定。高纯氧化铝中杂质测定的方法有多种，如：分光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、原子吸收光谱法等。原子吸收法和分光光度法的测定效率低，而ICP-AES法的测定下限较高，不能满足高纯材料分析测试的需求。

辉光放电质谱法(GDMS)是采用固体直接进样的方法，简化了繁琐的样品前处理过程，通过预溅射除去样品表面的污染，多数元素的测定下限可以达到ng/g级，可以满足高纯材料分析测试的需求。直流辉光放电质谱(dc-GDMS)不能够直接分析非导体样品，需要通过适当的预处理技术使样品具有导电的性能才能进行测定。而dc-GDMS法用于测定α-Al₂O₃粉末中杂质元素的含量在国内还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法，包括以下步骤：

(1)将Al₂O₃粉末与铜粉按1∶2的比例混合均匀，然后将混合粉末压片，用N₂吹去压片样品表面的粉末，装入样品池中；

(2)设定放电气体流量为500mL/min，放电电流为30mA，离子源冷却温度为5～25℃，预溅射15min；

(3)在步骤(2)设定的实验条件下，直流辉光放电质谱自动采集待测元素的信号强度，以Al、O、Cu产生的信号加和定义为100％，根据待测元素信号强度与Al、O、Cu三种元素获得的信号强度总和的比值来计算混合粉末中待测元素含量；扣除铜粉自身含有的待测元素含量，获得Al₂O₃中待测元素含量，按公式(1)计算：

$W_{{\mathrm{Al}}_2{O}_3}^X=w_M^X+(w_M^X-w_{\mathrm{CU}}^X)R---\left(1\right)$

式中：

——Al₂O₃粉末中待测元素X质量含量，单位为μg/g；

——混合粉末中待测元素X质量含量，单位为μg/g；

——铜粉中待测元素X质量含量，单位为μg/g；

R——铜粉与Al₂O₃粉末质量比。

本发明通过对待测定的Al₂O₃粉末进行预处理，向其中掺入导电介质铜粉，使待测样品具有导电的性能。在处理过程中所用的导电介质铜必须是高纯的，若纯度不够，导电介质中的杂质会增加测定空白，无法进行低含量元素的测定，本发明选择的作为导电介质的铜粉中各杂质元素的含量低于0．1μg/g。

一般来说，放电电流越大，样品的溅射率越高，但电流太大易使阳极帽上的沉积物快速增加而导致短路现象。当放电气体流量设定为500mL/min时，调节放电电流为20mA、25mA、30mA、35mA，考察其对Al信号的影响。结果发现电流越大，Al信号强度越强。电流为30mA时，Al信号强度达到2．50×10⁹cps，放电时间可以达到1小时以上；电流为35mA时，Al信号强度虽然可以达到3．00×10⁹cps，但是溅射率增大，放电时间缩短，并且此时电流电压波动较大，信号不稳定，影响测定准确性。因此，放电电流优选为30mA。

设定放电电流为30mA，考察放电气体流量在400mL/min到550mL/min之间对Al信号的影响，每增加50mL/min测量一次。结果发现从400mL/min到500mL/min，Al信号增加了150％；当放电气体流量达到550mL/min时，信号强度不再增加，此时电流电压出现波动，信号强度也随着波动。因此，放电气体流量优选为500mL/min。

压片表面可能的污染可以通过预溅射除去，随着预溅射的进行，压片表面沾污的元素含量迅速降低，到15min左右趋于平稳，所以预溅射时间选择15min。

Al₂O₃粉末与Cu粉的混合比例不同，对基体信号影响非常显著。Al₂O₃粉末与Cu粉的质量比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5时，测定Al基体的信号强度。结果表明，质量比为1∶1时，虽然基体信号可以达到1O⁸cps，但是导电性不好，放电不稳定，电流电压很小，并且波动较大；质量比为1∶2、1∶3、1∶4和1∶5的压片放电都很稳定，因此所述步骤(1)中Al₂O₃粉末与铜粉的混合比例为1∶2～1∶5。其中，Al₂O₃粉末与Cu粉的质量比为1∶2的压片基体信号强度最强。

本发明的优点在于：

本发明实现了直流辉光放电质谱法对不导电的α-Al₂O₃粉末中杂质元素含量的测定，测定结果与直流电弧发射光谱法的测定结果基本吻合。与其他检测方法相比，本发明简化了繁琐的样品前处理步骤，测定下限可以达到0．005μg/g，符合现代高纯材料中多元素快速分析的要求，也给测定其他类型的不导电粉末样品中杂质开拓了思路。

具体实施方式

以下用实施例对本发明的方法及其应用作进一步说明。

实施例

将α-Al₂O₃粉末与铜粉(各待测元素的含量不高于0．1μg/g)以1∶2的比例混合均匀，采用DY-60电动粉末压片机(天津市科器高新技术公司)选择合适的压力将混合粉末压片，模具选择Φ＝20mm，平行制备六个压片样品。用N₂吹去压片样品表面的粉末，装入样品池中。采用Element GD型辉光放电质谱仪(美国Thermo Fisher公司)，调节放电电流、放电气体流量等参数，如表1中所示，预溅射15min，除去压片表面的污染。再以表1中的测定参数进行测定，采集待测元素以及基体元素Al、O和Cu的信号，仪器自动给出混合粉末中待测元素含量，用上述公式(1)计算得到Al₂O₃中杂质元素的含量。测定6次，统计精密度，结果如表2所示。

表1仪器的工作参数

将铜粉作为试剂空白，压片后进行检出限的测定，待测元素的检出限如表2所示。该铜粉中Si、Ca、Fe和Ba的含量较高，不适宜做检出限测定，故数据不给出。

配制Na、P、Mg、Si、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Ge、As、Zr、Mo、Cd、Sb、W、Ir、Pt、Au、Pb和Bi共24个元素的碳标，含量分别为0．0005％、0．001％、0．005％、0．01％和0．03％。采用PGS-2型平面光栅光谱仪(东德EEISS公司)测定Al₂O₃粉末中的部分杂质，与dc-GDMS法测定结果相比对，对部分元素进行了验证。由于Na、P等元素的灵敏度不够，这些元素只能给出下限，测定结果列于表2。可以看出，采用本发明的方法测定结果的精密度在54％以内，含量低的元素精密度较大。与用直流电弧发射光谱法测定的结果相比，两种方法的测定结果在同一数量级，部分元素吻合得很好。

表2测定结果的精密度、元素检出限和对比试验

Claims (3)

1.一种采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将Al₂O₃粉末与铜粉按比例混合均匀，然后将混合粉末压片，用N₂吹去压片样品表面的粉末，装入样品池中；

(2)设定放电气体流量为500mL/min，放电电流为30mA，离子源冷却温度为5～25℃，预溅射15min；

(3)在步骤(2)设定的实验条件下，直流辉光放电质谱自动采集待测元素的信号强度，以Al、O、Cu产生的信号加和定义为100％，根据待测元素信号强度与Al、O、Cu三种元素获得的信号强度总和的比值来计算混合粉末中待测元素含量；扣除铜粉自身含有的待测元素含量，获得Al₂O₃中待测元素含量，按公式(1)计算：

$w_{A{l}_2{O}_3}^X=w_M^X+(w_M^X-w_{\mathrm{Cu}}^X)R---\left(1\right)$

式中：

——Al₂O₃粉末中待测元素X质量含量，单位为μg/g；

——混合粉末中待测元素X质量含量，单位为μg/g；

——铜粉中待测元素X质量含量，单位为μg/g；

R——铜粉与Al₂O₃粉末质量比。

2.根据权利要求1所述的采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法，其特征在于，所述Al₂O₃粉末与铜粉的混合质量比为1∶2～1∶5。

3.根据权利要求2所述的采用直流辉光放电质谱法测定高纯α-Al₂O₃中杂质元素的方法，其特征在于，所述Al₂O₃粉末与铜粉的混合质量比为1∶2。