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重金属元素分析-参考ICP-AES和ICP-MS、AAS方法的比较

随着ICP-AES的流行使很多实验室面临着再增购一台ICP-AES,还是停留在原来使用AAS上的抉择。现在一个新的技术ICP-MS又出现了,虽然价格较高,但ICP-MS具有ICP-AES的优点及比石墨炉原子吸收(GF-AAS)更低的检出限的优势。因此如何根据分析任务来判断其适用性呢?
ICP-MS是一个以质谱仪作为检测器的等离子体,ICP-AES和ICP-MS的进样部分及等离子体是极其相似的。ICP-AES测量的是光学光谱(120nm-800nm),ICP-MS测量的是离子质谱,提供在3-250amu范围内每个原子质量单位(amu)的信息。还可进行同位素测定。尤其是其检出限给人极深刻的印象,其溶液的检出限大部分为ppt级,石墨炉AAS的检出限为亚ppb级,ICP-AES大部分元素的检出限为1-10ppb,一些元素也可得到亚ppb级的检出限。但由于ICP-MS的耐盐量较差,ICP-MS的检出限实际上会变差,多大50倍。一些轻元素(如S、Ca、Fe、K、Se)在ICP-MS中有严重的干扰,其实际检出限也很差。下表列出这几种方法的检出限的比较:
 
3 ICP-MSICP-AESAAS方法检出限的比较(ug/L
元素 ICP-MS ICP-AES GF-AAS F-AAS
Ag 0.003 0.3 0.01 1.5
Al 0.006 0.2 0.1 45
Au 0.001 0.6 0.1 9
B 0.09 0.3 20 1000
Ba 0.002 0.04 0.35 15
Be 0.03 0.05 0.003 1.5
Bi 0.0005 2.6 0.25 30
Ca 0.5 0.02 0.01 1.5
Cd 0.003 0.09 0.008 0.8
Ce 0.0004 2.0 -- --
Co 0.0009 0.2 0.15 9
Cr 0.02 0.2 0.03 3
Cs 0.0005 -- 0.04 15
Cu 0.003 0.2 0.04 1.5
Fe 0.4 0.2 0.1 5
Ga 0.001 4.0 0.1 50
Hf 0.0006 3.3 -- 300
Hg 0.004 0.5 0.6 50
In 0.0005 9.0 0.04 30
K 1 0.2 0.008 3
La 0.0005 1.0 -- 2000
Li 0.027 0.2 0.06 0.8
Mg 0.007 0.01 0.004 0.1
Mn 0.002 0.04 0.02 0.8
Mo 0.03 0.2 0.08 30
Na 0.03 0.5 -- 0.3
Nb 0.0009 5.0 -- 1500
Ni 0.005 0.3 0.3 5
Os -- 0.13 -- 120
P 0.001 1.5 0.06 10
Pb 0.001 1.5 0.06 10
Pd 0.0009 3.0 0.8 10
Pt 0.002 4.7 1 6
Rb 0.003 30 0.03 3
Re 0.0006 3.3 -- 600
Rh 0.0008 5.0 0.8 6
Ru 0.002 6.0 -- 60
S 70 9.0 -- --
Sb 0.001 2.0 0.15 30
Sc 0.015 0.09 6 30
Se 0.06 1.5 0.3 100
Si 0.7 1.5 1.0 90
Sn 0.002 1.3 0.2 50
Sr 0.0008 0.01 0.025 3
Ta 0.0006 5.3 -- 1500
Te 0.01 10 0.1 30
Th 0.0003 5.4 -- --
Ti 0.006 0.05 0.35 7.5
Tl 0.0005 1.0 0.15 15
U 0.0003 5.4 -- 15000
V 0.002 0.2 0.1 20
W 0.001 2.0 -- 1500
Y 0.0009 0.3 -- 75
Zn 0.003 0.2 0.01 1.5
zr 0.004 0.3 -- 450
 
这集中分析技术的分析性能可以从下面几个方面进行比较:



1.容易使用程度:
在日常工作中,从自动化来讲,ICP-AES是最成熟的,可有技术不熟练的人员来应用ICP-AES专家制定的方法进行工作。ICP-MS的操作直到现在仍然较为复杂,尽管近年来在计算机控制和智能化软件方面有很大的进步,但在常规分析前仍需由技术人员进行精密的调整,ICP-MS的方法研究也是很复杂及耗时的工作。GF-AAS的常规工作虽然是比较容易的但制定方法仍需要相当熟练的技术。
 
2.分析试液中的总固体溶解量(TDS):
在常规工作中,ICP-AES可分析10%TDS的溶液,甚至可以高至30%的盐溶液。在短时期内ICP-MS可分析0.5%的溶液,但在大多数情况下采用不大于0.2%TDS的溶液为佳。当原始样品是固体时,与ICP-AES,GP-AAS相比,ICP-MS需要更高的稀释倍数,折算到原始固体样品中的检出限就显示不出很大的优势了。
 
3.线性动态范围(LDR):
ICP-MS具有超过105以上的LDR,各种方法可使其LDR开展至108。但不管如何,对ICP-MS来说:高基体浓度会使分析出现问题,而这些问题的最好解决方案是稀释。因此,ICP-MS应用的主要领域在痕量/超痕量分析。
GF-AAS的LDR限制在102-103,如选用次灵敏线可进行高一些浓度的分析。
ICP-AES具有105以上的LDR且抗盐份能力强,可进行痕量及主要元素的测定,ICP-AES可测定的浓度高达百分含量,因此,ICO-AES可以很好地满足实验室主、次、痕量元素常规分析的需要。
 
4.精密度:
ICP-MS的短期精密度一般是1-3%RSD,这是应用多内标法在常规工作中得到的。
ICP-AES的短期精密度一般为0.3-1%RSD,几个小时的长期精密度小于3%RSD。
GF-AAS的短期精密度为0.5-5%RSD,长期精密度的因素不在于时间而视石墨管的使用次数。
 
5.样品分析能力:
ICP-MS和ICP-AES的分析能力体现在其可以多元素同时测定上。
ICP-AES的分析速度取决于是采用全谱直读型还是单道扫描型,每个样品所需的时间为2或6分钟,全谱直读型较快,一般为2分钟测定一个样品。
GF-AAS的分析速度为每个样品中每个元素需要3-4分钟,可以无人自动工作,可保证其对样品的分析能力。
 
6.运行的费用:
ICP-MS运行费用要高于ICP-AES,因为ICP-MS的一些部件如分子涡轮泵、取样锥和截取锥以及检测器有一定的使用寿命而且需要更换。
ICP-AES主要是雾化器与炬管的消耗,这和ICP-MS一样,其使用寿命是相同的。
GF-AAS则主要是石墨管的使用寿命及其费用。
这三种技术均使用Ar气,其消耗量是一笔相当的费用,ICP技术的Ar费用远高于GF-AAS。
 
可以看出来这些技术是相互补充的,没有一种技术能满足所有的分析要求,只要某一种技术稍优于另一种技术的地方。下表是AAS、ICO-AES、ICP-MS三种技术的分析性能的简单比较:
 
4 ICP-MSICP-AESAAS分析性能的简单比较
方法类型 ICP-MS ICP-AES GF-AAS F-AAS
检出限 绝大部分元素非常好 绝大部分元素很好 部分元素非常好 部分元素较好
分析能力 动态范围      
  108 106 107 103
精密度(RSD) 短期 1-3% 0.3-1% 1-5% 0.1-1%
长期(4h) <5% <3% -- --
干扰情况 光(质)谱干扰 很少
化学(基体) 中等 几乎没有
电离干扰 很少 很少 很少 有一些
质量效应 存在 不存在 不存在 不存在
同位素干扰
固体溶解量(Max.) 0.1-0.5% 2-10% >20% 0.5-3%
可测元素 >75 >73 >50 >68
样品用量 较多 很少
半定量分析 不能 不能
同位素分析 不能 不能 不能
分析方法开发 需要专业知识 需要专业技术 需要专业技术 容易
无人控制操作 不能
使用易燃气体
运行费用 中上 中等
 
根据分析溶液中待测元素的浓度来看,若每个样品测定1-3个元素,元素浓度为亚或低于ppb级,如果被测元素要求能够满足的情况下,选用GF-AAS是最合适的;若每个样品5-20个元素,含量为亚ppm至%,选用ICP-AES是最合适的;如果每个样品需测4个以上的元素,在亚ppb含量,而且样品的数量也相当大,选用ICP-MS是较合适的。



可以看出ICP-AES是比较理想的分析方法,是实验室应当配置的常规分析手段。如果实验室选用了ICP-AES来取代ICP-MS,那么实验室最好能配备GF-AAS。这一配置可以满足一般实验室对于主、次、痕量成分分析的需要。



ICP-AES法在冶金分析应用上可能出现的最大困难在于如何解决光谱干扰问题。这也是ICP分析技术发展中需要不断解决的研究课题。



IVP-AES法基体效应,可以应用内标法来解决例如雾化室效应、试样与标准溶液之间粘度差异所带来的基体效益;背景较高可以采用离线背景校正,应用动态背景校正对提高准确度也是很有效的。IVP-AES法最大的干扰是谱线干扰,其光谱线数量很大而且光谱线干扰也较难解决。有记载的ICP-AES谱线有50000多条,元素间的谱线干扰及基体的谱线干扰也就很严重。
因此,对某些样品例如钢铁、冶金产品的分析必须采用使用高分辨率的ICP-AES仪器,尽量把可能干扰的谱线分开。各种分子粒子(如OH)的谱线或谱带对某些低含量的被测元素也带来干扰,影响其样品分析中的实际检出限。
所以使用CCD阵列检测器的仪器,以便准确快速地得到待测谱线及相邻背景信息,并对分析谱线和背景进行同步测量,可实现离峰法测量而避开谱线干扰,或采用MSF法或IEC法扣除干扰。选择每个元素的适宜分析条件或加入电离缓衡剂(如过量的I族元素)可以减少易电离元素的影响。
 
小结:
在日常工作中ICP-AES分析技术是最成熟的,可由技术不熟练的人员应用ICP-AES技术人员制定的分析方法来进行工作。在常规工作中,ICP-AES 可分析10%TDS的溶液,甚至可以高至30%的盐溶液。ICP-AES具有106以上的线性范围LDR且抗盐份能力强,可以同时进行痕量及主要元素的测定,ICP-AES可同时直接测定0.001-60%的浓度含量。ICP-AES外加ICP-MS,或GF-AAS便可很好地满足实验室的分析需要。对于每个样品分析5-20个元素,含量在亚ppm至%,使用ICP-AES是最合适的。ICP-AES和GF-AAS由于现代自动化设计以及使用惰性气体的安全性,可以整夜无人看管工作。因此,ICP仪器必将成为冶金分析实验室的基本配置,其分析技术在冶金分析中发挥越来越重要的作用。

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