激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定碳化硅器件中雜質(zhì)元素

胡慧廉等

摘要：采用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS），以NIST玻璃標準物質(zhì)制作校準曲線，29Si為內(nèi)標，相對靈敏度因子（RSF）校準標樣和樣品間的基體效應(yīng)，對碳化硅陶瓷器件中9種痕量元素（B， Ti， Cr， Mn， Fe和Ni等）進行定量測定。選擇線性掃描方式，激光剝蝕孔徑為150 μm，氦氣和氬氣流量為0.7 L/min時，信號穩(wěn)定性和靈敏度最佳。經(jīng)內(nèi)標校準后，各元素標準曲線的線性有較大改善，線性相關(guān)系數(shù)為0.9981～0.9999。以建立的方法對碳化硅標準參考物質(zhì)（BAMS003）中的痕量元素進行測定，并與標準參考值進行對比，結(jié)果一致，證實了LAICPMS方法應(yīng)用于碳化硅樣品檢測的準確性和有效性。采用本方法定量測定碳化硅器件中痕量元素，結(jié)果與輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）測定的結(jié)果比較一致。元素B， Ti， Cr， Mn， Fe， Ni， Cu， Sr和La的檢出限為0.004～0.08 mg/kg，相對標準偏差（RSD）小于5%。

關(guān)鍵詞：激光剝蝕； 電感耦合等離子體質(zhì)譜； 碳化硅

1引言

碳化硅（SiC）陶瓷具有高溫強度大、硬度高、耐腐蝕性強、熱穩(wěn)定性佳、耐磨性好等優(yōu)良特性，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。痕量元素的含量及分布對碳化硅材料的性能有很大影響[1]，因此測定碳化硅中微量元素對控制其質(zhì)量具有重要意義。添加氧化鋁和氧化釔的碳化硅經(jīng) 2000 ℃燒結(jié)后器件，具有尺寸大、密度和強度高、致密性好等特點。此類碳化硅器件難于制備成粉末，對酸和堿有強的抵抗力，難以消解成溶液，常規(guī)的分析手段無能為力。因此，亟需發(fā)展新的分析技術(shù)或方法。

激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS）作為一種固體直接進樣和微區(qū)分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)[2，3]、金屬[4，5]、生物[6，7]、司法[8]和晶體[9]中元素含量和分布分析。然而校準方法一直是LAICPMS面臨的最大挑戰(zhàn)之一，另外基體效應(yīng)和元素的分餾效應(yīng)是影響分析結(jié)果準確性和精確性的重要因素[10]。LAICPMS應(yīng)用于陶瓷樣品分析的文獻較少，僅有幾篇工作報道應(yīng)用于氮化硅[11]和碳化硅[12， 13]分析。如Baker等[11]采用溶液校準，測定氮化硅中痕量元素，由于溶液標樣與固體樣品的基體差異，影響分析結(jié)果的準確性。Klemm等[12]利用LAICPMS監(jiān)測碳化硅晶體在生長過程中元素Al， V， W和Ta的含量變化。Hoffmann等[13]向碳化硅粉末中加標準溶液，以碳為粘合劑，制備成標準樣品作為校準曲線，測定了碳化硅單晶中Al， Ti， V， Mn， Fe和Cu含量，不同剝蝕坑各元素濃度相差17%～30%。

本實驗對激光剝蝕和電感耦合等離子體質(zhì)譜的條件進行了優(yōu)化，采用玻璃標樣為外標，29Si為內(nèi)標，使用相對靈敏度因子校正基體效應(yīng)，對碳化硅陶瓷器件進行了測定，獲得較為滿意結(jié)果。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

標準參考物質(zhì)為玻璃標樣NIST 610，NIST 612， NIST 614，NIST 616（美國國家標準局（NIST）），分析材料為中國科學院上海硅酸鹽研究所研制的摻雜氧化鋁和氧化釔的碳化硅圓形器件（ 7.5 cm）。碳化硅標樣BAMS003（德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所）驗證方法的準確性和可靠性。

2.2輝光放電質(zhì)譜的實驗過程

將碳化硅塊體切割成方片（2 cm×2 cm），采用HF（1∶1，V/V）對樣品的表面進行超聲清洗2次后，使用二次蒸餾水清洗3次，再用無水乙醇清洗，烘干待用。優(yōu)化儀器參數(shù)，電壓1.5 kV，電流0.6 mA，圓形扁平池（ 1.5 cm）。預濺射30 min，除去樣品表面的污染，在優(yōu)化的條件下進行測量。以基體中Si和C為內(nèi)標元素，測量碳化硅陶瓷中的元素。

3結(jié)果與討論

3.1剝蝕方式的選擇

激光剝蝕行為既受礦物本身均一性、微區(qū)結(jié)構(gòu)和化學組成等性質(zhì)的影響，還與激光能量、剝蝕頻率、剝蝕方式和光斑大小等參數(shù)密切相關(guān)，因此有必要考察不同激光條件對激光剝蝕行為的影響[14]。本實驗選取NIST 612標準參考物質(zhì)考察不同激光剝蝕方式對激光剝蝕行為的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，線剝蝕方式能產(chǎn)生穩(wěn)定的信號，無明顯的分餾效應(yīng)。經(jīng)過比較，線掃描方式為最佳的掃描方式。

摘要：采用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS），以NIST玻璃標準物質(zhì)制作校準曲線，29Si為內(nèi)標，相對靈敏度因子（RSF）校準標樣和樣品間的基體效應(yīng)，對碳化硅陶瓷器件中9種痕量元素（B， Ti， Cr， Mn， Fe和Ni等）進行定量測定。選擇線性掃描方式，激光剝蝕孔徑為150 μm，氦氣和氬氣流量為0.7 L/min時，信號穩(wěn)定性和靈敏度最佳。經(jīng)內(nèi)標校準后，各元素標準曲線的線性有較大改善，線性相關(guān)系數(shù)為0.9981～0.9999。以建立的方法對碳化硅標準參考物質(zhì)（BAMS003）中的痕量元素進行測定，并與標準參考值進行對比，結(jié)果一致，證實了LAICPMS方法應(yīng)用于碳化硅樣品檢測的準確性和有效性。采用本方法定量測定碳化硅器件中痕量元素，結(jié)果與輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）測定的結(jié)果比較一致。元素B， Ti， Cr， Mn， Fe， Ni， Cu， Sr和La的檢出限為0.004～0.08 mg/kg，相對標準偏差（RSD）小于5%。

關(guān)鍵詞：激光剝蝕； 電感耦合等離子體質(zhì)譜； 碳化硅

1引言

碳化硅（SiC）陶瓷具有高溫強度大、硬度高、耐腐蝕性強、熱穩(wěn)定性佳、耐磨性好等優(yōu)良特性，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。痕量元素的含量及分布對碳化硅材料的性能有很大影響[1]，因此測定碳化硅中微量元素對控制其質(zhì)量具有重要意義。添加氧化鋁和氧化釔的碳化硅經(jīng) 2000 ℃燒結(jié)后器件，具有尺寸大、密度和強度高、致密性好等特點。此類碳化硅器件難于制備成粉末，對酸和堿有強的抵抗力，難以消解成溶液，常規(guī)的分析手段無能為力。因此，亟需發(fā)展新的分析技術(shù)或方法。

激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS）作為一種固體直接進樣和微區(qū)分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)[2，3]、金屬[4，5]、生物[6，7]、司法[8]和晶體[9]中元素含量和分布分析。然而校準方法一直是LAICPMS面臨的最大挑戰(zhàn)之一，另外基體效應(yīng)和元素的分餾效應(yīng)是影響分析結(jié)果準確性和精確性的重要因素[10]。LAICPMS應(yīng)用于陶瓷樣品分析的文獻較少，僅有幾篇工作報道應(yīng)用于氮化硅[11]和碳化硅[12， 13]分析。如Baker等[11]采用溶液校準，測定氮化硅中痕量元素，由于溶液標樣與固體樣品的基體差異，影響分析結(jié)果的準確性。Klemm等[12]利用LAICPMS監(jiān)測碳化硅晶體在生長過程中元素Al， V， W和Ta的含量變化。Hoffmann等[13]向碳化硅粉末中加標準溶液，以碳為粘合劑，制備成標準樣品作為校準曲線，測定了碳化硅單晶中Al， Ti， V， Mn， Fe和Cu含量，不同剝蝕坑各元素濃度相差17%～30%。

本實驗對激光剝蝕和電感耦合等離子體質(zhì)譜的條件進行了優(yōu)化，采用玻璃標樣為外標，29Si為內(nèi)標，使用相對靈敏度因子校正基體效應(yīng)，對碳化硅陶瓷器件進行了測定，獲得較為滿意結(jié)果。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

標準參考物質(zhì)為玻璃標樣NIST 610，NIST 612， NIST 614，NIST 616（美國國家標準局（NIST）），分析材料為中國科學院上海硅酸鹽研究所研制的摻雜氧化鋁和氧化釔的碳化硅圓形器件（ 7.5 cm）。碳化硅標樣BAMS003（德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所）驗證方法的準確性和可靠性。

2.2輝光放電質(zhì)譜的實驗過程

將碳化硅塊體切割成方片（2 cm×2 cm），采用HF（1∶1，V/V）對樣品的表面進行超聲清洗2次后，使用二次蒸餾水清洗3次，再用無水乙醇清洗，烘干待用。優(yōu)化儀器參數(shù)，電壓1.5 kV，電流0.6 mA，圓形扁平池（ 1.5 cm）。預濺射30 min，除去樣品表面的污染，在優(yōu)化的條件下進行測量。以基體中Si和C為內(nèi)標元素，測量碳化硅陶瓷中的元素。

3結(jié)果與討論

3.1剝蝕方式的選擇

激光剝蝕行為既受礦物本身均一性、微區(qū)結(jié)構(gòu)和化學組成等性質(zhì)的影響，還與激光能量、剝蝕頻率、剝蝕方式和光斑大小等參數(shù)密切相關(guān)，因此有必要考察不同激光條件對激光剝蝕行為的影響[14]。本實驗選取NIST 612標準參考物質(zhì)考察不同激光剝蝕方式對激光剝蝕行為的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，線剝蝕方式能產(chǎn)生穩(wěn)定的信號，無明顯的分餾效應(yīng)。經(jīng)過比較，線掃描方式為最佳的掃描方式。

摘要：采用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS），以NIST玻璃標準物質(zhì)制作校準曲線，29Si為內(nèi)標，相對靈敏度因子（RSF）校準標樣和樣品間的基體效應(yīng)，對碳化硅陶瓷器件中9種痕量元素（B， Ti， Cr， Mn， Fe和Ni等）進行定量測定。選擇線性掃描方式，激光剝蝕孔徑為150 μm，氦氣和氬氣流量為0.7 L/min時，信號穩(wěn)定性和靈敏度最佳。經(jīng)內(nèi)標校準后，各元素標準曲線的線性有較大改善，線性相關(guān)系數(shù)為0.9981～0.9999。以建立的方法對碳化硅標準參考物質(zhì)（BAMS003）中的痕量元素進行測定，并與標準參考值進行對比，結(jié)果一致，證實了LAICPMS方法應(yīng)用于碳化硅樣品檢測的準確性和有效性。采用本方法定量測定碳化硅器件中痕量元素，結(jié)果與輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）測定的結(jié)果比較一致。元素B， Ti， Cr， Mn， Fe， Ni， Cu， Sr和La的檢出限為0.004～0.08 mg/kg，相對標準偏差（RSD）小于5%。

關(guān)鍵詞：激光剝蝕； 電感耦合等離子體質(zhì)譜； 碳化硅

1引言

碳化硅（SiC）陶瓷具有高溫強度大、硬度高、耐腐蝕性強、熱穩(wěn)定性佳、耐磨性好等優(yōu)良特性，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。痕量元素的含量及分布對碳化硅材料的性能有很大影響[1]，因此測定碳化硅中微量元素對控制其質(zhì)量具有重要意義。添加氧化鋁和氧化釔的碳化硅經(jīng) 2000 ℃燒結(jié)后器件，具有尺寸大、密度和強度高、致密性好等特點。此類碳化硅器件難于制備成粉末，對酸和堿有強的抵抗力，難以消解成溶液，常規(guī)的分析手段無能為力。因此，亟需發(fā)展新的分析技術(shù)或方法。

激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS）作為一種固體直接進樣和微區(qū)分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)[2，3]、金屬[4，5]、生物[6，7]、司法[8]和晶體[9]中元素含量和分布分析。然而校準方法一直是LAICPMS面臨的最大挑戰(zhàn)之一，另外基體效應(yīng)和元素的分餾效應(yīng)是影響分析結(jié)果準確性和精確性的重要因素[10]。LAICPMS應(yīng)用于陶瓷樣品分析的文獻較少，僅有幾篇工作報道應(yīng)用于氮化硅[11]和碳化硅[12， 13]分析。如Baker等[11]采用溶液校準，測定氮化硅中痕量元素，由于溶液標樣與固體樣品的基體差異，影響分析結(jié)果的準確性。Klemm等[12]利用LAICPMS監(jiān)測碳化硅晶體在生長過程中元素Al， V， W和Ta的含量變化。Hoffmann等[13]向碳化硅粉末中加標準溶液，以碳為粘合劑，制備成標準樣品作為校準曲線，測定了碳化硅單晶中Al， Ti， V， Mn， Fe和Cu含量，不同剝蝕坑各元素濃度相差17%～30%。

本實驗對激光剝蝕和電感耦合等離子體質(zhì)譜的條件進行了優(yōu)化，采用玻璃標樣為外標，29Si為內(nèi)標，使用相對靈敏度因子校正基體效應(yīng)，對碳化硅陶瓷器件進行了測定，獲得較為滿意結(jié)果。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

標準參考物質(zhì)為玻璃標樣NIST 610，NIST 612， NIST 614，NIST 616（美國國家標準局（NIST）），分析材料為中國科學院上海硅酸鹽研究所研制的摻雜氧化鋁和氧化釔的碳化硅圓形器件（ 7.5 cm）。碳化硅標樣BAMS003（德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所）驗證方法的準確性和可靠性。

2.2輝光放電質(zhì)譜的實驗過程

將碳化硅塊體切割成方片（2 cm×2 cm），采用HF（1∶1，V/V）對樣品的表面進行超聲清洗2次后，使用二次蒸餾水清洗3次，再用無水乙醇清洗，烘干待用。優(yōu)化儀器參數(shù)，電壓1.5 kV，電流0.6 mA，圓形扁平池（ 1.5 cm）。預濺射30 min，除去樣品表面的污染，在優(yōu)化的條件下進行測量。以基體中Si和C為內(nèi)標元素，測量碳化硅陶瓷中的元素。

3結(jié)果與討論

3.1剝蝕方式的選擇

激光剝蝕行為既受礦物本身均一性、微區(qū)結(jié)構(gòu)和化學組成等性質(zhì)的影響，還與激光能量、剝蝕頻率、剝蝕方式和光斑大小等參數(shù)密切相關(guān)，因此有必要考察不同激光條件對激光剝蝕行為的影響[14]。本實驗選取NIST 612標準參考物質(zhì)考察不同激光剝蝕方式對激光剝蝕行為的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，線剝蝕方式能產(chǎn)生穩(wěn)定的信號，無明顯的分餾效應(yīng)。經(jīng)過比較，線掃描方式為最佳的掃描方式。