ICP-OES 技術(shù)在高硅鋁合金中Si 元素含量測定的綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

龍開琳，黃毅，劉風(fēng)坤，崔博文，朱化強(qiáng)

（1.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院/貴陽產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，貴州貴陽 550081；2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽 550025）

目前，對鋁合金中雜質(zhì)元素定量分析方法主要有化學(xué)分析法、原子吸收光譜法、分光光度法、光電直讀光譜法、電感耦合等離子體光譜法（ICP-OES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）、重量法等[6-9]。眾多檢測方法中，ICP-OES技術(shù)具有元素檢出限低、靈敏度高、分析檢測速度快、能對多個(gè)元素同時(shí)測試分析等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于材料、化工等領(lǐng)域。

ICP-OES檢測分析技術(shù)對材料、生化、化學(xué)等專業(yè)學(xué)生專業(yè)技能非常重要，特別是對專門培育技術(shù)技能人才的高職院校。區(qū)別于本科學(xué)校，高職院校很難具備條件開設(shè)儀器分析相關(guān)課程，即使有儀器的操作也基本上由老師完成，學(xué)生很少能夠直接接觸到設(shè)備，包括檢測數(shù)據(jù)如何分析等參與度很低[10-12]。學(xué)生對儀器分析的理解僅僅停留在理論層面，大體上都缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力，這極不利于高職院校學(xué)生技能的培養(yǎng)。

一般鋁合金及高硅鋁合金的組成成分復(fù)雜、含量差異很大、相結(jié)構(gòu)各異，尤其是高硅鋁合金中Si以固溶體及其他的二元、三元硅化物的相態(tài)存在，給試樣的化學(xué)處理帶來很大的困難[13]。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高硅鋁合金中Si元素的含量難以精確測定是相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)檢測所面臨的關(guān)鍵共性問題。因此，為了使高職院校學(xué)生掌握該項(xiàng)在材料成分分析、化學(xué)分析等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的ICPOES檢測技能，培養(yǎng)企業(yè)實(shí)用型人才，依托學(xué)校的設(shè)備資源，設(shè)計(jì)了“ICP-OES測試高硅鋁合金中Si元素含量”的試驗(yàn)項(xiàng)目。本文以高硅鋁合金為研究對象，采用堿式消解方法消解試樣，利用ICP-OES檢測技術(shù)對高硅鋁合金中的Si元素含量進(jìn)行精確測定。通過該試驗(yàn)，不僅能使學(xué)生的理論知識與實(shí)踐技能得以鞏固，還能使學(xué)生掌握該項(xiàng)技術(shù)的基本使用原則及其基本方法，為其以后開展自主試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析奠定良好基礎(chǔ)。

一、綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的基本流程及實(shí)施對象見圖1，主要包括：教師對基本理論知識的講解及實(shí)例演示、告知安全規(guī)程等其他注意事項(xiàng)；給定10個(gè)關(guān)于高硅鋁合金或其他材料相關(guān)的元素含量檢測的題目，學(xué)生自行組隊(duì)（3～5人/組），選定題目；根據(jù)題目開展文獻(xiàn)調(diào)研，并在充分調(diào)研后進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；教師與學(xué)生共同對試驗(yàn)方案進(jìn)行討論、修改，形成可操作的試驗(yàn)方案；學(xué)生依據(jù)試驗(yàn)方案開展試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析，最終形成試驗(yàn)報(bào)告；教師對學(xué)生的試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行總結(jié)與評價(jià)[14-15]。與傳統(tǒng)的授課方式（教師演示為主）不同，本文的試驗(yàn)方案具有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：a、整個(gè)試驗(yàn)過程做到以學(xué)生為主，使學(xué)生能夠掌握ICP-OES檢測技術(shù)；b、創(chuàng)新性引入“學(xué)生自主設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案”，使學(xué)生掌握檢測方法；c、開展“自評+互評+教師評”的評價(jià)模式，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性；d、試驗(yàn)選題以貼近企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)檢測業(yè)務(wù)為主，突出檢測方法的實(shí)用性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

圖1 試驗(yàn)基本流程

二、試驗(yàn)方案實(shí)施

（一）試驗(yàn)材料及試劑

材料：兩種高硅鋁合金（標(biāo)鋼1、標(biāo)鋼2），采購自鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，標(biāo)鋼1中Si元素的含量為7.18%，標(biāo)鋼2中Si元素的含量為5.86%；本文中將標(biāo)鋼1、2均作為待測試樣。

化學(xué)試劑：鹽酸、硝酸、過氧化氫、去離子水，以上試劑純度均為優(yōu)級純。

（二）儀器及工作條件

采用鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的Plasma 2000型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）對試樣溶液進(jìn)行Si元素檢測。工作條件為：射頻功率1.2 kW；保溫時(shí)間8.0 s；進(jìn)樣泵速20 r/min；清洗泵速20 r/min；進(jìn)樣時(shí)間20 s；載氣流量0.75 L/min；測試次數(shù)3次。

試樣由上海越平生產(chǎn)的FA1204B型精密天平（精確度：0.000 1 g）精確稱取，采用寧國沙鷹科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HWS-24型水浴鍋行進(jìn)試樣消解。

試樣消解過程中采用聚四氟乙烯燒杯（150 mL）、塑料漏斗、塑料容量瓶（150 mL）等塑料器材，全程無玻璃器材。

綜上所述，八角楓水提液能夠減輕CIA模型大鼠的炎癥反應(yīng)、關(guān)節(jié)軟骨退變及骨破壞，其機(jī)制可能與下調(diào)血清IL-1β、TNF-α水平，調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)平衡有關(guān)。但八角楓水提液對其他炎癥因子及信號通路的影響尚需進(jìn)一步探討；此外，八角楓雖可治療RA，但仍有患者誤服致死的案例報(bào)道，故其安全用藥劑量有待進(jìn)一步明確，其相關(guān)用藥知識也還需廣泛普及。

（三）試驗(yàn)方法

1.試樣溶液的消解制備

首先，準(zhǔn)確稱取0.020 0 g待測試樣粉末；然后，將稱取好的試樣粉末置于150 mL的聚四氟乙烯燒杯中，向其加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液，放置于90 ℃水浴鍋中約10 min；待試樣未繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)（非NaOH量不夠的原因），有可能已全部溶解或有部分黑色懸浮物時(shí)，向溶液中加入15 mL濃鹽酸進(jìn)行酸化；5 min后，再向其溶液中添加4滴H2O2，以加速溶解、消除泡沫；待試樣完全溶解后，趁熱過濾、定熔，獲得待測試樣溶液。

2.標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及試樣的測定

稱取4組不同質(zhì)量的標(biāo)鋼1試樣粉末；按“試樣溶液的消解制備”步驟，消解標(biāo)準(zhǔn)試樣，獲得系列標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液；設(shè)定ICP-OES設(shè)備參數(shù)，選定4個(gè)檢測波長（212.412 nm、288.158 nm、250.690 nm、251.612 nm）；測定系列標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液，獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線；查看標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)：若標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)優(yōu)于0.999則開始測定待測的試樣溶液，否則需要重新配置標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液。

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制完成后，將采樣毛細(xì)管置于去離子水中1 min，取出放入盛有標(biāo)鋼1待測溶液的容量瓶中，測試溶液中Si元素含量。標(biāo)鋼1溶液測試結(jié)束后，再將采樣毛細(xì)管置于去離子水中1 min，取出放入盛有標(biāo)鋼2待測溶液的容量瓶中，測試溶液中Si元素含量。待測試樣全部完成測試后，需再將采樣毛細(xì)管取出，放入去離子中清洗系統(tǒng)10 min。

（四）結(jié)果與分析

1.線性相關(guān)系數(shù)分析

采用ICP-OES直接測試標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液，獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線，該系列標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度依次為：0 μg/mL，8.042 μg/mL，15.868 μg/mL，24.340 μg/mL和40.208 μg/mL。Si元素212.412 nm、288.158 nm、250.690 nm、251.612 nm波長的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線見圖2，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線獲得線性方差和相關(guān)性系數(shù)。結(jié)果表明，Si元素四個(gè)波長的線性相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.999，表明在濃度為0～40 μg/mL范圍各波長的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系良好，標(biāo)準(zhǔn)溶液系列可用于后續(xù)測試使用。

圖2 Si 元素各波長的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

2.高硅鋁合金試樣的結(jié)果分析

利用上述標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，本文對待測試樣（標(biāo)鋼1和標(biāo)鋼2）進(jìn)行了Si元素含量測試分析，結(jié)果見表1。由表1可知，針對標(biāo)鋼1：利用288.158 nm波長所獲結(jié)果為7.191%，與標(biāo)準(zhǔn)值7.180%最接近，相對偏差為0.15%；其次是251.612 nm和250.690 nm波長，實(shí)測值分別為7.315%和7.338%，相對偏差分別為1.88%和2.20%。標(biāo)鋼2溶液的標(biāo)準(zhǔn)值為5.860%，較標(biāo)鋼1溶液的標(biāo)準(zhǔn)值7.18%低很多，各波長的所測定的值也存在差異，250.690 nm、288.158 nm波長實(shí)測的結(jié)果為5.761%、5.835%，相對偏差分別為1.69%和0.43%。其余兩個(gè)波長所測結(jié)果均較標(biāo)準(zhǔn)值高很多，可能有以下幾個(gè)原因：鉆取試樣粉末時(shí)帶入含Si元素的雜質(zhì)、待測試樣消解時(shí)引入雜質(zhì)、溶液定容步驟操作偏差以及可能存在峰位附近有其他峰干擾等。通過查找相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可知，Si元素含量在7.180%左右的鋁合金主要為ZL101、ZL101A、ZL114、ZL114A等，Si元素含量在5.860%附近的鋁合金主要為ZL105、ZL105A等。綜上分析可知，若待測樣品中Si元素含量在7.180%應(yīng)采用288.158 nm、251.612 nm波長，待測樣品Si元素含量在5.860%推薦采用288.158 nm 、250.690 nm波長。因此，綜合推薦采用288.158 nm波長測試高硅鋁合金中Si元素的含量。

表1 試樣測試結(jié)果對比

3.不同消解體系對測試結(jié)果的影響

除了ICP-OES儀器外，試樣的消解過程尤為關(guān)鍵。為了進(jìn)一步了解消解條件對高硅鋁合金測試結(jié)果的影響，特開展了不同消解條件的初步研究。各試樣消解的變量條件為所用的溶液，分別為20%NaOH、18%HCl、王水（HCl∶HNO3=3∶1），消解溫度與時(shí)間均為90℃、10—15 min。測試結(jié)果與消解過程中相關(guān)的現(xiàn)象記錄見表2。在20% NaOH消解體系中，標(biāo)鋼1與標(biāo)鋼2粉末均能完全溶解，而在18%HCl和王水兩種消解體系中，兩種標(biāo)鋼粉末只有極少部分溶解，溶解后有少量黑色粉末，這些黑色的殘留物是硅的不溶物。表2中實(shí)測結(jié)果與消解過程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象情況吻合，因此，對于高硅合金的消解應(yīng)采用堿法消解。

表2 不同消解條件測試結(jié)果對比（288.158 nm）

（五）試驗(yàn)結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于ICP-OES檢測技術(shù)的高硅鋁合金中Si元素含量的綜合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用288.158nm波長能夠準(zhǔn)確測試高硅鋁合金中Si元素的含量，測定標(biāo)鋼1、標(biāo)鋼2待測溶液中Si元素含量分別為7.191%、5.761%，相對偏差分別為0.15%與1.69%。同時(shí)，通過研究不同消解體系對試樣結(jié)果的影響，獲得高硅合金最佳的消解方法為堿法，即NaOH快速溶解試樣，再加入HCl酸化的方法。本文設(shè)計(jì)的綜合試驗(yàn)為企業(yè)生產(chǎn)檢測提供了快速測定高硅鋁合金中Si元素含量的途徑。

三、結(jié)束語

通過該科研實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生自主完成了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)開展、數(shù)據(jù)處理及分析，在創(chuàng)新思維能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力等方面都獲得了很大提升。同時(shí)，能夠有效提升學(xué)生對科學(xué)知識的熱愛和學(xué)以致用的能力，培養(yǎng)學(xué)生的自信心，為學(xué)生將來的學(xué)習(xí)和工作打下良好基礎(chǔ)。目前，已有多名高職學(xué)生掌握了采用ICP-OES設(shè)備測定高硅鋁合金中Si元素含量的技術(shù)，部分學(xué)生已將ICP-OES測試技術(shù)拓展到其他材料元素的測試中。同時(shí)，受此試驗(yàn)影響越來越多的學(xué)生主動(dòng)參與到教師的科研課題。