ICP-OES双向观测模式对钢及其合金进行分析

前言：钢铁制造商对各种金属和痕量元素进行质量控制测试，以确保其最 终产品的等级和性能。中国国家标准化管理委员会使用 GB/T 20125- 2006 标准“低合金钢 ― 多元素的测定 ― 电感耦合等离子体发射光谱 法”控制所制造的钢产品质量。 不同等级的钢具有不同的元素含量指标，大多数钢和不锈钢等级规定 硫的重量百分比小于 0.05%，且磷的重量百分比小于 0.04%。利用电 感耦合等离子体发射光谱 (ICP-OES) 技术能够轻松测量样品中这一浓 度范围内的元素，实验室从期望能否“完成工作”进一步考虑特定仪 器能否提高其样品通量、降低成本、简化样品前处理和仪器运行，以 及能否在大批样品分析过程中提供可靠的结果。

本应用简报证明了 Agilent 5100 垂直双向观测 (VDV) ICP-OES 仪器在使用 GB/T 20125-2006 方法分析钢铁 样品时的性能和优势。该仪器在这一应用中具有许 多优势，包括能够快速分析大量具有挑战性的钢铁 样品。

实验部分 仪器 利用 Agilent 5100 垂直双向观测 (VDV) ICP-OES 进行 此次分析，该仪器具有各种功能，可实现高样品通 量并使具有挑战性的钢铁样品获得可重现的准确 结果。 仪器使用 Vista Chip II 检测器，处理速度达 1 MHz， 是 ICP-OES 中所用的所有电荷耦合检测器 (CCD) 中 的最快速度，可提供高通量、高灵敏度和最高的动 态范围。 仪器的垂直双向观测 (VDV) 配置支持在轴向和径向 模式下进行测量。分析人员能够在轴向观测模式下 测量低浓度的磷和硫等元素时获得高灵敏度，并 在径向观测模式下测量百分比级浓度的镍和铬等元 素，无需对样品进行稀释。参见图 2 确定每种元素 所用的等离子体观测模式。 Agilent 5100 VDV ICP-OES 采用垂直炬管系统，能够 处理最复杂的基质。多年来，垂直炬管已成为运行 挑战性基质所*的标准配置，因为它所需的清洁 和更换频率较低 [1]。垂直炬管与 27 MHz 下运行的 稳定固态射频 (SSRF) 系统相结合，提供了可靠、稳 定的等离子体，能够为挑战性样品提供优异的长期 稳定性。这意味着即使仪器在测量钢铁样品一整天 后也可获得准确的结果。即插即用式炬管载架可自 动定位垂直炬管并连接气体，以便快速启动并确保 不同的操作人员获得可重现的结果。在分析中，将 RF 功率增加至 1.5 kW 并将雾化器气 体流速设置为 0.55 L/min，可提高高浓度 Fe 基质中 S 和 P 等难分析元素的检测限。等离子体气体流速 默认值为较低的 12 L/min。此流速无需提高，也可 轻松应对更高的 RF 功率和复杂的基质。仪器操作 条件列于表 1 中。 在该应用中，5100 VDV ICP-OES 配备的进样系统包 括 OneNeb 雾化器、双通道玻璃旋流雾化室和 5100 双向观测炬管（可拆卸，石英，1.8 mm 中心管）。 样品通过 SPS 4 自动进样器引入仪器。

样品前处理 通过分析两种 CRM（GH-135 6934 和 GSBH 40031-93） （中国国家钢铁材料测试中心）验证方法，CRM 中 元素的标准浓度列于表 3 中。 根据 GB/T 20125-2006 方法所述，在电热板上将 0.5 g CRM 于硝酸、盐酸和高氯酸混合酸中消解。将消解 液移至 100 mL 容量瓶中，使用 18 MΩ 去离子水定 容，得到约 0.5% 的 TDS。

标样前处理 利用安捷伦单元素储备液配制多元素校准标样。空 白和标样均以 5000 mg/kg Fe 样品进行基质匹配， 该 Fe 基质样品使用 6N 高纯度铁按照与样品相同的 消解方法制得。

校正技术 由于 Mn、Mo 和 Ti 干扰物质的存在，因此对 S 需要 采用干扰元素校正技术 (IEC)，另外由于 Cr 干扰物 质的存在，对 As 同样需要采用 IEC。为简化分析， 使用校准标样作为 IEC 分析物标样。利用与校准标 样中所用基质相同的 Fe 基质配制单元素干扰物质 标样。使用 ICP Expert 7 软件可轻松设置 IEC 参数， 参数确定后将其存储于模板中，并在后续分析中重 复使用。无需内标校正。 利用拟合背景校正 (FBC) 与离峰背景校正技术结合 [2] 可校正任何光谱干扰物质。FBC 技术简化了方法 开发，无需为每种元素设定离峰背景校正点，即可 确保快速、准确的校正背景。表 2 列出了每种元素 所用的背景校正方法。

结果与讨论 校准曲线的线性 在宽浓度范围内所有波长下获得的线性校准相关系 数均大于 0.99999。这一高度线性意味着可测定钢 样品中宽范围的预期浓度，而无需进行额外的稀 释。可提高样品通量并消除潜在的稀释误差和样品 污染。

方法检测限和 CRM 回收率 在该应用中，通过将 5000 mg/kg Fe 基质空白溶液 分析 10 次来测定 MDL。将 MDL 作为基质空白 10 次 测量值的 3 倍 SD 来计算。该分析独立运行 3 次。 将 CRM（GH-135 6934 和 GSBH 40031-93）重复分析 两次，结果为三次单独分析的平均值。表 3 所列 的结果表明回收率优异，处于标准值的 ±10% 范围 内，证明该仪器分析带有复杂基质的样品具有高准 确度。 长期稳定性测试 通过连续分析钢铁样品 8 小时，对方法的长期稳定 性和精密度进行测试。结果（图 4 和表 4）显示， 所有元素在 8 小时内的测量精密度为 < 1.5% RSD。 证明 5100 系统在连续多个小时测量钢铁样品等挑 战性样品时能够可靠地提供准确的测量结果

结论： 按照 GB/T 20125-2006 标准“低合金钢 ― 多元素的 测定 ― 电感耦合等离子体发射光谱法”，利用垂直 炬管在双向观测模式下操作的 Agilent 5100 VDV ICPOES 测量两种钢认证标准物质。 尽管样品难以分析，仪器的双向观测功能与 GB/T 方法结合可提供准确的结果，回收率处于标准值的 ±10% 以内。 仪器的垂直炬管和稳定的 SSRF 系统可提供长期测 量稳定性，8 小时内测得的所有元素的 %RSD 均小 于 1.5%。 该仪器的宽线性动态范围使其非常适用于繁忙实验 室中钢样品的常规分析，因为它无需进行样品稀 释，而样品稀释会延长样品前处理时间并引入发生 误差的风险。仪器附带的软件包括各种背景校正技术。通过对复 杂样品基质中存在的任意光谱干扰进行校正可获得 准确的结果。 Agilent 5100 VDV ICP-OES 能够快速、准确、可靠地 测量钢消解样品，适用于具有挑战性的基质和宽范 围的分析物浓度。