基于ICP-OES法的空心玻璃微珠中金屬元素含量測定

曹 蓉 朱江麗 夏向偉

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；4.國家冶金工業鐵精礦質量監督檢測中心）

高性能空心玻璃微珠是一種中空的多功能無機材料。外觀為純白色粉體，顯微鏡下為具有銀白色光澤的空心正球體，球體內為稀薄氣體。經過特殊處理后，其具有親油、憎水性能，非常容易分散于樹脂等有機材料中，在其表面包覆一層特殊功能材料形成核-殼空心結構，能夠得到具有特殊性能（吸波、阻燃、吸附、反光等）的新材料，同時因其具有規則球形結構、薄壁中空、強度高、粒徑小等優點，在石油開采、航空航天、軌道交通、汽車輪船、建筑節能材料以及膠黏劑、樹脂等復合材料領域具有非常廣闊的應用前景，被譽為“時代空間材料”［1-3］。

空心玻璃微珠的成分為堿硼硅酸鹽玻璃，其主要組成是二氧化硅，并含有一定的堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物，三氧化二硼等［4］。空心玻璃微珠中各成分含量的配比在一定程度上決定了玻璃骨架結構的穩定性，進而影響到空心玻璃微珠的抗壓強度和性能，空心玻璃微珠中金屬元素成分含量的測定成為空心玻璃微珠性能研究的重要項目。

目前，空心玻璃微珠成分含量的測定尚無標準方法。由于其特殊的堿硼硅酸鹽玻璃組成，樣品前處理過程難度較大，難以保證樣品完全溶解且有效成分不受損失，各類分析方法操作繁瑣，周期較長，引入誤差較大，精密度不高。發射光譜法分析速度快，線性范圍寬、準確度高等特點［5-6］，已在檢測領域獲得非常廣泛和深入的應用［7-10］。本文采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES 法）測定空心玻璃微珠的金屬元素成分含量，以期為空心玻璃微珠的檢測提供新方法。

1 試驗方法

電感耦合等離子體發射光譜法是以等離子體為光源的原子發射光譜分析方法，可同時進行多元素的定性和定量分析。樣品由載氣（氬氣）引入霧化系統進行霧化后，以氣溶膠形式進入等離子體的中心通道，在高溫和惰性氣氛中被充分蒸發、原子化、電離和激發，利用各元素的原子或離子從激發態返回基態時發射出的特征譜線對樣品進行定性分析，通過測定特征譜線的強度對樣品中相應元素的含量進行定量分析。該檢測方法具有靈敏度高，譜線干擾少，動態線性范圍寬，精密度高，分析速度快，且操作簡便等優點。目前，該方法已被廣泛應用于冶金、鑄造、地質、陶瓷、土壤、水、食品、藥品等領域。

1.1 試驗儀器、試劑

采用的分析儀器包括電感耦合等離子體發射光譜儀、電子天平、電熱鼓風干燥箱、防腐電加熱板等。試劑有鹽酸、氫氟酸、硝酸、高氯酸、甘露醇等，選擇的空心玻璃微珠為市售高性能空心玻璃微珠產品。

1.2 設定前處理方法

準確稱取0.500 0 g的空心玻璃微珠試樣，置于聚四氟乙烯坩堝中，加入少量去離子水潤濕。在坩堝中加入混酸和0.5%的甘露醇溶液，置于電熱板上加熱消解。消解完全后蒸至近干，將試樣冷卻至室溫，再加入1 mL 硝酸重新溶解試樣，并加入去離子水轉移至50 mL容量瓶中定容。

試驗采用酸溶法，對比了4組條件下混酸的不同配比對結果的影響，結果如表1所示。

根據試驗數據，前處理過程中混酸不同的配比對于消解效果有著不同程度的影響，綜合考慮選擇硫酸∶硝酸∶氫氟酸=3∶3∶4 時可以獲得較為良好的消解效果。

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1.3 確認ICP-OES工作參數

通過優化射頻發射器功率；載氣流量（霧化器氣體流量、等離子體氣體流量、輔助氣體流量等）等工作參數，使得儀器處在最佳的測試條件中，優化后的儀器工作條件如表2所示。在該條件下，儀器設備的靈敏度高，背景值較低，穩定性較好，信噪比大，可較好地完成樣品中各元素含量的測定。

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對空心玻璃微珠金屬元素進行ICP-OES 測定的時候，儀器會自動推薦各元素的分析譜線，此時應充分考慮譜線的峰形和信號進行選擇，并盡可能消除存在的干擾因素。各元素分析譜線如表3所示。

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2 試驗結果

2.1 精密度試驗

對同一樣品在相同條件下進行多次測定，通過結果的接近程度（以相對偏差RSD 表示）測定精密度，考察方法的穩定性和重復性。精密度越高，測量值越接近。準確稱取同一樣品的7個平行樣，在上述儀器條件下進行平行測定，計算平均值和RSD。不同樣品7次平行測定結果如表4所示。

經計算，不同配方下的同一樣品的7 個平行樣，不同元素結果RSD＜3%，說明該方法精密度較好，結果穩定性高、重復性強。

2.2 加標回收試驗

因無有證標準物質，對樣品進行加標回收試驗時，通過回收率測量值與真實值的接近程度來判斷該方法的系統誤差和準確性。回收率越接近100%，系統誤差越小，準確性越高。本試驗的加標量分別為原樣品的0.5，1，1.5倍，回收率結果見表5。

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經計算，不同配方下加標回收率為90%～109%，數據顯示，該方法系統誤差小，準確性高。

2.3 檢出限

檢出限試驗用來測定最小濃度，拉埃確定出檢測方法的靈敏度。本試驗按照分析方法流程制備11份空白溶液，測定結果見表6。

經計算得到Na、Mg、Ca 方法檢出限分別為0.002 5%，0.001 3%，0.001 8%，說明該方法檢出限低，靈敏度好。

通過上述試驗數據分析，使用ICP-OES 法樣品消解速度快、結果穩定性強、重現性高、精密度和準確度良好、檢出限低，說明該方法具有可行性，可推廣使用。

3 結 論

目前，隨著軌道交通、重卡、汽車等領域輕量化及節能減排需求的不斷增加，空心玻璃微珠應用領域不斷拓寬，其性能要求也越來越苛刻，對于空心玻璃微珠成分測定的要求也不斷提高。綜上所述，目前開展的空心玻璃微珠成分含量測定方法研究，對于提高檢測的精密度和準確度具有必要性，該電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES 法）測定空心玻璃微珠中成分元素含量的方法，對前處理方法進行了優化，選擇了最佳的儀器工作條件，方法精密度和準確度良好，檢出限低。樣品7 次測定結果RSD＜3%，加標回收率在90%～109%，可實際應用于空心玻璃微珠樣品中成分含量的測定。

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