火花原子發射光譜法測試外科植入不銹鋼化學成分可行性分析

廣東省醫療器械質量監督檢驗所 （廣東 佛山 528137）

內容提要：外科植入物用金屬材料的化學成分一般采用化學分析方法，其測試時間長，制樣方法比較復雜。實驗采用火花原子發射光譜法測試不銹鋼外科植入物化學成分，實驗結果顯示，該方法的正確度和精密度均符合測試需求，試樣測試結果與化學方法測試結果基本一致。該方法樣品制備簡單，測試簡便易行，適用于不銹鋼外科植入物化學成分的快速檢測。

不銹鋼是醫用植入器械常用材料之一，材料的化學成分是決定該材料性能的重要基礎，材料的化學成分不符合標準要求，將影響其終產品的力學性能和生物相容性。如不銹鋼材料中C元素一方面降低了不銹鋼的腐蝕抗力，另一方面C與Fe、Cr形成復雜結構的碳化物，是鋼中重要的強化相。因此，應將各元素含量控制在一定的限量，從而獲得綜合性能優良且適用于植入人體的材料。

不銹鋼材料化學成分的檢測，按照GB 4234.1-2017《外科植入物 金屬材料第1部分：鍛造不銹鋼》[1]標準中規定，C采用ISO 437燃燒重量分析法、Si采用ISO 439重量分析法、Mn采用ISO 629分光光度法、S采用ISO 671燃燒滴定法、P采用ISO 10714磷釩鉬酸鹽分光光度法，其他元素采用公認的分析方法（現有的ISO方法或國家標準推薦方法）。目前，檢驗檢測機構常用電感耦合等離子光譜法；但由于電感耦合等離子光譜法涉及酸、重金屬等危險化學品或有害物質，且一次溶樣不能用于所有元素的測定。直讀光譜法測試化學成分，制樣簡單，無需危化品，本文對其可行性進行分析探討。

1.原理

將制備好的塊狀樣品做為一個電極，用光源發生器使樣品與對電極之間激發發光，并將該光束引入分光計，通過色散原件將光束色散后，對選定的內標線和分析線的強度進行測量。根據標準樣品制作的校準曲線，求出分析樣品總待測元素的含量。

2.測試過程

2.1 樣品準備

按照GB/T 20066-2006《鋼和鐵 化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法》[2]的要求進行取樣和制樣。所取樣品表面應保證能夠不重疊地激發兩點，即直徑不小于6mm，厚度不小于3mm，無物理缺陷，相對均勻，有代表性。

2.2 儀器及試劑

直讀光譜儀，德國斯派克Spectro，型號：Spectro MAXx-07；精密切割機，萊州市蔚儀，型號：GTQ-5000；無級變速迷你型車床，上海西馬特，型號：CJ9518.C2；氬氣：純度99.9995%，液化空氣（廣東）工業氣體有限公司；磨樣機，廣州儀德，型號：QMS-350；BS9942/UNS S31703不銹鋼，砂紙。

2.3 分析條件

主要參數：分析間隙：3～6mm，氬氣流量（沖洗：6～15L/min，積分：2.5～7L/min，靜止：0.5～1L/min），預燃時間：2～20s，積分時間：2～20s。

2.4 試驗步驟

對儀器進行校準和曲線確認，確認儀器處于最佳工作狀態，按選定的工作條件激發樣品，每個樣品至少激發2次（每個樣品激發1次，獲得一個獨立測量結果；在樣品激發點的對面位置再激發一次，獲得第2個獨立測量結果），取平均值[3]。

3.結果與分析

3.1 檢出限與定量限

在儀器正常工作的條件下，連續10次激發純鐵（空白）光譜分析標準物質，以10次空白值標準偏差3倍對應的含量為儀器檢出限，此儀器檢出限等于方法檢出限，選擇2倍方法檢出限作為方法定量限，檢出限單位為%。其中碳（C）含量小于儀器最小測試含量0.0015%，其他元素檢出限和定量限詳見表1，結果顯示該方法檢出限和定量限可以滿足外科植入物用不銹鋼的測試需求[4]。

表1.檢出限與定量限

3.2 準確度

3.2.1 精密度

在重復性條件下，按照GB/T 11170-2008規定對重復性限r進行計算，獲得的兩次獨立測試結果的絕對差值不大于重復性限r，以大于重復性限的情況下不超過5%為前提[5]。測試2個樣品（Y1-Y2），其中Y1中S含量小于0.00100%，其他元素重復性結果見表2。

在再現性條件下，按照GB/T 11170-2008規定對再現性限R進行計算，獲得的兩次獨立測試結果的絕對差值不大于再現性R，以大于再現R的情況下不超過5%為前提[5]。測試2個樣品（Y1-Y2），其中Y1中S含量小于0.00100%，其他元素再現性結果見表2。

表2.重復性測試結果

由表2數據分析可知，獲得的兩次獨立測試結果的絕對差值均小于重復性限r和再現性限R，測試結果滿足GB/T 11170-2008對樣品重復性和再現性的要求。

3.2.2 正確度

火花原子發射光譜法與化學分析結果對比，見表3。

表3.樣品火花原子光譜法與化學分析結果對比

有證標準物質驗證，見表4。

表4.有證標準樣品測試數據

由樣品測試結果可知，該方法測試結果與化學方法測試結果基本一致，且標準物質測定結果在標稱值的不確定度范圍內。

4.討論

通過上述分析可知，對于外科植入用不銹鋼產品，采用火花原子發射光譜法進行化學成分檢測，可以快速檢測各組分含量，該方法的精密度、正確度、結果再現性良好，相對于ICP光譜法簡便高效，可以滿足快速檢測要求，且可以避免化學方法的繁瑣和污染。日常工作中建議實驗室采用火花原子發射光譜法與ICP光譜法比對、有證標準樣品等質量控制手段，同時及時對方法間偏差進行分析，以保證結果有效性。