低射频功率-电感耦合等离子体质谱法测定高纯石英样品中痕量钾

张海啟, 倪文山, 刘磊, 张宏丽. 低射频功率-电感耦合等离子体质谱法测定高纯石英样品中痕量钾[J]. 矿产保护与利用, 2022, 42(4): 166-172. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.033
引用本文: 张海啟, 倪文山, 刘磊, 张宏丽. 低射频功率-电感耦合等离子体质谱法测定高纯石英样品中痕量钾[J]. 矿产保护与利用, 2022, 42(4): 166-172. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.033
ZHANG Haiqi, NI Wenshan, LIU Lei, ZHANG Hongli. Determination of Ultra-trace Potassium in High Purity Quartz by Low RF Power-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2022, 42(4): 166-172. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.033
Citation: ZHANG Haiqi, NI Wenshan, LIU Lei, ZHANG Hongli. Determination of Ultra-trace Potassium in High Purity Quartz by Low RF Power-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2022, 42(4): 166-172. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.033

低射频功率-电感耦合等离子体质谱法测定高纯石英样品中痕量钾

  • 基金项目:
    中国地质调查局地质调查工作项目(DD20221698);国家自然科学基金青年基金项目(21806149)
详细信息
    作者简介: 张海啟(1967—),博士,正高级工程师,长期从事基础地质调查和矿产资源综合利用研究,在国内首次提出花岗伟晶岩型高纯石英找矿方向,率领团队研发形成系列高纯石英开发利用关键技术,取得高纯石英重大找矿突破和重要基础性研究成果,现担任国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心主任、自然资源部高纯石英资源开发利用工程技术创新中心主任。
    张海啟(1967—), 男, 山东费县人, 博士, 正高级工程师, 主要从事基础地质调查和矿产资源综合利用研究。E-mail: zhaiqi@mail.cgs.gov.cn
    通讯作者: 张宏丽(1986—), 女, 博士, 副研究员, 主要从事污染物化学分析测定及无机元素分析测试方法的研究。E-mail: zhanghongli857@126.com
  • 中图分类号: O657.63;TD97

Determination of Ultra-trace Potassium in High Purity Quartz by Low RF Power-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

More Information
  • 碱金属元素钾作为高纯石英产品中重要的杂质元素,其含量的准确测定对科学评价、开发高纯石英产品意义重大。采用常压混酸浸取—高温挥发除酸的方式进行高纯石英样品的化学前处理,基于电感耦合等离子体质谱仪,在低射频功率下,以50 ng/mL铷为内标元素,大幅消除了钾元素测定中背景产生的质谱干扰,实现了高纯石英样品中痕量钾元素的测定。对测试过程中的样品称样量、质谱测定中的射频功率、采样深度、载气流速等进行了条件优化。最终在称样量1.000 0 g、射频功率800 W、采样深度5.6 mm、载气流速1.06 L/min的最优条件下,经测定钾质量浓度在0.100~50 ng/mL范围内与其质谱强度呈线性相关,相关系数为0.999 6。以1.000 0 g称样量计,方法对高纯石英中钾的检出限为0.057 μg/g,定量限为0.191 μg/g。选择典型商品化高纯石英样品进行本方法的应用试验,每个样品平行测定9次,并进行加标回收率试验和方法比对试验,测定值与石墨炉原子吸收光谱法的测定结果基本一致,相对标准偏差(RSD)在2.9%~5.1%之间,加标回收率在96.4%~105.4%之间。

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  • 图 1  高纯石英中钾杂质测定的称样量优化

    Figure 1. 

    图 2  不同射频功率下m/z=39信号强度变化图

    Figure 2. 

    图 3  雾化气流速优化

    Figure 3. 

    表 1  ICP-MS仪器工作参数

    Table 1.  The operation paramenters of ICP-MS instrument

    仪器参数
    Instrument paramenters
    数值
    Value
    仪器参数
    Instrument paramenters
    数值
    Value
    功率/W 800 数据采集方式 跳峰
    采样深度/mm 5.6 扫描次数 30
    冷却气流量/(L·min-1) 14 读数通道 1
    辅助气流量/(L·min-1) 0.80 测量时间/ms 10
    雾化气流量/(L·min-1) 1.06
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    表 2  样品化学前处理中酸试剂用量优化

    Table 2.  Dosage optimization of reagent in sample chemical pretreatment

    试剂组合 1# 2# 3# 4# 5#
    溶解试剂 HF+HNO3
    (6+1)mL
    HF+ HNO3
    (7+1)mL
    HF+HNO3
    (8+1)mL
    HF+ HNO3
    (9+1)mL
    HF+ HNO3
    (10+1)mL
    样品溶解
    完全程度
    不完全 不完全 完全 完全 完全
    K测定结果
    /(μg·g-1)
    -- -- 0.34 0.33 0.34
    RSD/% -- -- 4.04 3.77 3.97
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    表 3  钾元素同位素丰度及可能存在的质谱干扰

    Table 3.  Potassium isotopic abundance and possible mass spectrum interference

    同位素 丰度/% 质谱干扰
    39K 93.26 38Ar+1H,16O+23Na,12C+27Al,14N+25Mg,16O+1H+22Ne,15N+24Mg,16O+3H+20Ne,13C+26Mg
    40K 0.01 40Ar,40Ca,16O+1H+23Na,1H+39K,12C+28Si,16O+24Mg,14N+26Mg,13C+27Al, 36Ar+4He
    41K 6.73 40Ar+1H,14N+27Al,1H+40Ca,16O+1H+24Mg,16O+25Mg,12C+29Si,18O+23Na
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    表 4  质谱采样深度优化

    Table 4.  Optimization of sampling depths in ICP-MS

    采样深度Sampling depth/mm 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8
    测定结果的相对标准偏差RSD(n=5)/% 4.9 4.6 3.6 3.2 5.3
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    表 5  高纯石英样品中钾的测定结果

    Table 5.  Determination results of Potassium in high purity quartz samples

    样品
    编号
    试验方法 GF-AAS
    测定结果/
    (μg·g-1)
    测定值/
    (μg·g-1)
    相对标
    准偏差
    (n=9)/%
    加入量/
    (μg·g-1)
    测得总量/
    (μg·g-1)
    回收率/%
    样品1 0.33 3.2 5 5.19 97.2 0.29
    样品2 0.62 5.1 5 5.44 96.4 0.64
    样品3 0.33 3.7 5 5.45 102.4 0.35
    样品4 0.08 2.9 5 5.17 101.8 0.11
    样品5 1.39 3.3 5 6.33 98.8 1.42
    样品6 2.19 3.6 5 7.46 105.4 2.17
    样品7 0.80 4.8 5 5.62 96.4 0.77
    下载: 导出CSV
  • [1]

    李光惠, 王超峰, 詹建华, 等. 高纯石英原料作为战略性矿产的分析及建议[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2020(5): 20-24. doi: 10.3969/j.issn.1007-9386.2020.05.006

    LI G H, WANG C F, ZHAN J H, et al. Analysis and suggestions on high purity quartz raw material as strategic minerals[J]. China Non-metallic Minerals Industry, 2020(5): 20-24. doi: 10.3969/j.issn.1007-9386.2020.05.006

    [2]

    贾德龙, 张万益, 陈丛林, 等. 高纯石英全球资源现状与我国发展建议[J]. 矿产保护与利用, 2019, 39(5): 111-117. http://kcbh.cbpt.cnki.net/WKD/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=e759486c-8f66-4a5b-b137-23322ead3cfb

    JIA D L, ZHANG W Y, CHEN C L, et al. Global resource status and China's development suggestions of high purity quartz[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2019, 39(5): 111-117. http://kcbh.cbpt.cnki.net/WKD/WebPublication/paperDigest.aspx?paperID=e759486c-8f66-4a5b-b137-23322ead3cfb

    [3]

    汪灵, 党陈萍, 李彩侠, 等. 中国高纯石英技术现状与发展前景[J]. 地学前缘, 2014, 21(5): 267-273. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXQY201405026.htm

    WANG L, DANG C P, LI C X, et al. Technology of high-purity quartz in China: status quo and prospect[J]. Earth Science Frontiers, 2014, 21(5): 267-273. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXQY201405026.htm

    [4]

    颜玲亚, 刘艳飞, 于海军, 等. 中国高纯石英资源开发利用现状及供需形势[J]. 国土资源情报, 2020(10): 98-103. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GTZQ202010017.htm

    YAN L Y, LIU Y F, YU H J, et al. Development and utilization status and supply and demand situation of high purity quartz resources[J]. Land and Resources Information, 2020(10): 98-103. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GTZQ202010017.htm

    [5]

    GÖTZE J. Chemistry, textures and physical properties of quartz-geological interpretation and technical application[J]. Mineralogical Magazine, 2009, 73(4): 645-671.

    [6]

    廊坊市市场监督管理局. 电子专用材料单晶硅生长用石英坩埚工艺技术规范: DB 1310/T 227-2020[S]. 2020.

    Langfang Market Supervision Administration. Technical specification for quartz crucible process for growth of monocrystalline silicon for special electronic materials: DB1310/T 227-2020[S]. 2020.

    [7]

    湖南省经信委. 高纯(SiO2 ≥ 99.997%)石英砂: DB43/T 1167-2016[S]. 2016.

    Hunan Provincial Economic and Information Commission. High purity (SiO2 ≥ 99.997%) quartz sand: DB43/T 1167-2016[S]. 2016.

    [8]

    全国半导体设备和材料标准化技术委员会. 光伏用高纯石英砂: GB/T 32649-2016[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

    Semiconductor Equipment and Materials. High purity arenaceous quartz used in photovoltaic applications: GB/T 32649-2016[S]. Beijing: Standards Press of China, 2016.

    [9]

    全国半导体设备和材料标准化技术委员会. 电感耦合等离子质谱法检测石英砂中痕量元素: GB/T 32650-2016[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

    Semiconductor Equipment and Materials. Determining the content of trace elements in arenaceous quartz by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS): GB/T 32650-2016[S]. Beijing: Standards Press of China, 2016.

    [10]

    全国工业陶瓷标准化技术委员会功能陶瓷分技术委员会. 高纯石英中杂质含量的测定方法会电感耦合等离子体原子发射光谱法: JC/T 2027-2010[S]. 2010.

    Functional Ceramics, Determination of impurities in high purity quartz-Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry: JC/T 2027-2010[S]. 2010.

    [11]

    全国工业玻璃和特种玻璃标准化技术委员会. 石英玻璃中羟基含量检验方法: GB/T 12442-2019[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.

    Industrial Glass and Special Glass. Test method for the hydroxyl groups content of silica glass: GB/T 12442-2019[S]. Beijing: Standards Press of China, 2019.

    [12]

    张金明, 胡艳巧, 魏利, 等. 聚氧化乙烯絮凝-电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定土壤中水溶性钾、钠、钙、镁、硫酸根[J]. 中国无机分析化学, 2022, 12(2): 40-45. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WJFX202202006.htm

    ZHANG J M, HU Y Q, WEI L, et al, Polyethylene oxide flocculation-simultaneous determination of water-soluble potassium, sodium, calcium, magnesium and sulfate in soil by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy[J]. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry, 2022, 12(2): 40-45. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WJFX202202006.htm

    [13]

    樊颖果, 徐国津. 原子吸收光谱和原子发射光谱法测定酸雨中钾、钠、钙、镁方法比较[J]. 中国无机分析化学, 2013, 3(2): 28-31. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WJFX201302014.htm

    FAN Y G, XUE G J, Comparison of atomic absorption spectrometry and atomic emission spectrometry for determination of potassium, sodium, calcium and magnesium in acid rain[J]. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry, 2013, 3(2): 28-31. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WJFX201302014.htm

    [14]

    郭红巧, 胡净宇, 侯艳霞, 等. 电感耦合等离子体串联质谱法测定高温合金中痕量磷和硫[J]. 冶金分析, 2021, 41(11): 1-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFX202111001.htm

    GUO H Q, HU J Y, HOU Y Z, et al, Determination of trace phosphorus and sulfur in superalloys by inductively coupled plasma tandem mass spectrometry[J]. Metallurgical Analysis, 2021, 41(11): 1-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFX202111001.htm

    [15]

    张宏丽, 倪文山, 刘磊, 等. 冷焰模式-电感耦合等离子体质谱法测定高纯石英中痕量铁[J]. 冶金分析, 2021, 41(7): 28-34. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFX202107007.htm

    ZHANG H L, NI W S, LIU L, et al. Determination of ultra-trace iron in high-purity quartz by cool flame mode-inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Metallurgical Analysis, 2021, 41(7): 28-34. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YJFX202107007.htm

    [16]

    高小红. ICP-MS测定地球化学样品中多原子分子离子干扰消除技术的研究及方法应用[D]. 西安: 长安大学, 2016.

    GAO X H. Study on the elimination of polyatomic molecule ion interferences by ICP-MS for geochemical samples[D]. Xi'an: Chang'an University, 2016.

    [17]

    中华人民共和国国土资源部. DZ/T 0130-2006地质矿产实验室测试质量管理规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

    Ministry of Land and Resources, PRC. DZ/T 0130-2006 The specification of testing quality management for geological laboratories[S]. Beijing: Standards Press of China, 2006.

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出版历程
收稿日期:  2022-07-20
刊出日期:  2022-08-25

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