电感耦合等离子体 – 原子发射光谱法同时测定铝合金中 9 种元素

铝合金材料是一种新型的结构材料和功能材料，一般含有铁、硅、铜、镁、锰、锌、钛、镍和铬元素。与传统的结构材料相比，铝合金材料强度高、质量轻，可适当减轻结构重量；抗腐蚀性强；容易制造复杂曲面；外观平整度好；污染少、成本低。因此铝合金广泛应用于汽车、船舶、航空、航天、机械制造、轨道交通等行业中。铝合金因其合金元素含量不同，性能不同。

铝合金中各元素含量分析的经典方法有分光光度法、原子吸收光谱法和光电直读光谱法。前两种方法分析元素单一，操作复杂，费时费力，工作效率低；光电直读光谱法可以多元素同时分析，操作简便，但只能分析块状样品。电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP–AES）法具有灵敏度高、分析速度快、基体效应小、线性范围宽、多元素同时分析、对样品形状无特定要求等优点，广泛应用于冶金、化工、地质等行业。近年来也有一些采用 ICP–AES法测定铝合金中元素含量的文章，溶样方法有酸溶法和碱溶法，多采用基体匹配的标准溶液法建立标准工作曲线。

铝合金为固态样品，牌号众多，不同牌号的元素组成差别较大。笔者采用溶解铝合金国家标准系列样品的方法制备系列标准工作溶液，建立了ICP–AES 法测定铝合金中铁、硅、铜、镁、锰、锌、钛、镍和铬 9 种元素含量的方法，对方法检出限、精密度、回收率等方面进行考察，为铝合金中各元素含量的检测方法提供新的选择。

1　实验部分

1.1　主要仪器与试剂

电感耦合等离子体原子发射光谱仪：Thermo iCAP6300 型；

氢氧化钠、盐酸、硝酸：优级纯；

氩气：纯度 99.999% ；

聚四氟乙烯烧杯；

铝合金标准样品 ;

实验用水为去离子水，电阻率不小于18.2 MΩ·cm。

1.2　仪器工作条件

射频功率：1 150 W ；冷却气流量：12 L／min ；

辅助气流量：0.5 L／min ；雾化气流量：0.5 L／min ；

蠕动泵泵速：50 r／min ；垂直观察高度：12.0 mm ；

积分时间：短波 15 s，长波 5 s。

1.3　实验方法

准确称取铝合金试样 0.250 0 g 于 400 mL 聚四氟乙烯烧杯中，加入 6 mL 40% 的氢氧化钠溶液，于50℃水浴中加热，待反应完全后取下冷却，再加入50 mL 盐酸与硝酸的混合酸溶液（盐酸、硝酸、水的体积比为 1∶1∶2）酸化，然后用水定容至 250 mL，混匀。随同做空白试验。用于绘制标准工作曲线的标准样品的溶解方法与试样相同。按照 1.2 仪器工作条件进行测定。

2　结果与讨论

2.1　仪器工作条件的选择

2.1.1　射频功率

Thermo iCAP6300 型电感耦合等离子体原子发射光谱仪是全谱直读型发射光谱。在保持其它参数不变的情况下，于 900～1 500 W 范围内改变仪器的射频功率，考察元素谱线强度的变化情况。结果表明，增加射频功率，待测元素的谱线强度和背景都随之增大，当射频功率增大到 1 150 W 时，信背比开始下降，综合考虑，选择射频功率为 1 150 W。

2.1.2　雾化气流量

雾化气流量是影响谱线强度的另一个重要因素，它直接影响待测溶液的吸入速率。试验结果表明，增大雾化气流量，样品溶液的提升量增大，待测元素的响应信号增强。但当雾化气流量增大到一定程度时，反而会稀释待测样品，导致信背比降低。综合考虑，选择雾化气流量为 0.5 L／min。

2.1.3　其它仪器参数

选定射频功率为 1 150 W，雾化气流量为 0.5 L／min，参考仪器使用说明书设置其它仪器参数，根据雾化效果、测定结果综合判断确定。

2.2　元素分析谱线的选择

ICP–AES 法存在元素间光谱干扰，因而在遵循低含量元素采用主灵敏线、高含量元素采用次灵敏线的原则下，选择发射净强度大、信背比高、共存元素谱线干扰较少的谱线为待测元素的分析谱线。通过分析系列标准工作溶液建立标准工作曲线，对标准样品进行测定，经过多次试验比对，综合考虑标准工作曲线线性、谱线响应值和样品测定结果的准确度等情况，最后选定各元素的分析谱线为：铁 259.940 nm，硅212.412 nm，铜 324.754 nm，镁285.213 nm，锰 257.610 nm，锌 213.856 nm，钛 337.280 nm，镍 231.604 nm，铬283.563 nm。

2.3　方法的干扰及消除

光谱干扰和非光谱干扰是电感耦合等离子体原子发射光谱法最常见的干扰。一般可以通过更换谱线、背景校正和干扰元素校正来消除光谱干扰。全谱直读等离子体原子发射光谱仪可以灵活选择分析谱线。选择分析谱线时，应尽量避免共存元素的谱线干扰。经过试验，该方法在选定的测试波长附近干扰极少，可忽略不计。非光谱干扰主要包括物理干扰、化学干扰和电离干扰等，可以通过基体匹配、内标法、加入电离缓冲剂等消除。一般情况下，非光谱干扰影响相对较小，本实验主要考虑基体干扰的情况。可以在系列标准工作溶液中加入相应量的纯金属铝，或者选用基体组成与待测样品相近的国家标准样品制备标准工作溶液来消除干扰，本实验选用后者，实验中发现干扰极少。

2.4　线性方程与检出限

考虑基体干扰的情况，采用基体组成与待测样品相近的铝合金国家标准样品，用于配制系列标准工作溶液，测定后绘制标准工作曲线，可以较好匹配基底，尽可能消除基底干扰，所需的铝合金标准样品中各元素含量列于表 2。

选择 1#~10# 铝合金标准样品，按照 1.3 实验方法处理，配制系列标准工作溶液，在 1.2 仪器工作条件测定，以各元素的质量分数为横坐标、对应谱线信号强度为纵坐标进行线性回归，计算线性回归方程。

同时测定试剂空白溶液 11 次，计算测定值的标准偏差，以 3 倍的标准偏差为检出限。

各元素的线性范围、线性方程、相关系数、检出限列于表 3。

2.5　精密度试验

用本法对 2 个铝合金标准样品平行测定 8 次，测定结果列于表 4。由表 4 可知，铝合金标准样品中 9 种元素含量测定结果的相对标准偏差为0.46%～2.14%，表明本法精密度较高。

2.6　加标回收试验

取铝合金样品，用本法测定 9 种元素的含量，并进行加标回收试验，测定结果列于表5。由表5可知，9 种元素的加标回收率为 92%～106%，满足合金中元素含量分析的技术要求。

3　结语

选用基体组成与待测样品相近的铝合金国家标准样品制备标准工作溶液消除干扰，采用 ICP–AES法同时测定铝合金中铁、硅、铜、镁、锰、锌、钛、镍和
铬 9 种元素的含量，线性范围宽，具有较高的精密度、准确度、灵敏度，对试样形状没有特殊要求，操作简便、迅速，适用于铝合金多元素含量的同时检测。