基于ICP-OES法的空心玻璃微珠中金属元素含量测定

曹 蓉 朱江丽 夏向伟

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.国家冶金工业铁精矿质量监督检测中心）

高性能空心玻璃微珠是一种中空的多功能无机材料。外观为纯白色粉体，显微镜下为具有银白色光泽的空心正球体，球体内为稀薄气体。经过特殊处理后，其具有亲油、憎水性能，非常容易分散于树脂等有机材料中，在其表面包覆一层特殊功能材料形成核-壳空心结构，能够得到具有特殊性能（吸波、阻燃、吸附、反光等）的新材料，同时因其具有规则球形结构、薄壁中空、强度高、粒径小等优点，在石油开采、航空航天、轨道交通、汽车轮船、建筑节能材料以及胶黏剂、树脂等复合材料领域具有非常广阔的应用前景，被誉为“时代空间材料”［1-3］。

空心玻璃微珠的成分为碱硼硅酸盐玻璃，其主要组成是二氧化硅，并含有一定的碱金属氧化物，碱土金属氧化物，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决定了玻璃骨架结构的稳定性，进而影响到空心玻璃微珠的抗压强度和性能，空心玻璃微珠中金属元素成分含量的测定成为空心玻璃微珠性能研究的重要项目。

目前，空心玻璃微珠成分含量的测定尚无标准方法。由于其特殊的碱硼硅酸盐玻璃组成，样品前处理过程难度较大，难以保证样品完全溶解且有效成分不受损失，各类分析方法操作繁琐，周期较长，引入误差较大，精密度不高。发射光谱法分析速度快，线性范围宽、准确度高等特点［5-6］，已在检测领域获得非常广泛和深入的应用［7-10］。本文采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES 法）测定空心玻璃微珠的金属元素成分含量，以期为空心玻璃微珠的检测提供新方法。

1 试验方法

电感耦合等离子体发射光谱法是以等离子体为光源的原子发射光谱分析方法，可同时进行多元素的定性和定量分析。样品由载气（氩气）引入雾化系统进行雾化后，以气溶胶形式进入等离子体的中心通道，在高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电离和激发，利用各元素的原子或离子从激发态返回基态时发射出的特征谱线对样品进行定性分析，通过测定特征谱线的强度对样品中相应元素的含量进行定量分析。该检测方法具有灵敏度高，谱线干扰少，动态线性范围宽，精密度高，分析速度快，且操作简便等优点。目前，该方法已被广泛应用于冶金、铸造、地质、陶瓷、土壤、水、食品、药品等领域。

1.1 试验仪器、试剂

采用的分析仪器包括电感耦合等离子体发射光谱仪、电子天平、电热鼓风干燥箱、防腐电加热板等。试剂有盐酸、氢氟酸、硝酸、高氯酸、甘露醇等，选择的空心玻璃微珠为市售高性能空心玻璃微珠产品。

1.2 设定前处理方法

准确称取0.500 0 g的空心玻璃微珠试样，置于聚四氟乙烯坩埚中，加入少量去离子水润湿。在坩埚中加入混酸和0.5%的甘露醇溶液，置于电热板上加热消解。消解完全后蒸至近干，将试样冷却至室温，再加入1 mL 硝酸重新溶解试样，并加入去离子水转移至50 mL容量瓶中定容。

试验采用酸溶法，对比了4组条件下混酸的不同配比对结果的影响，结果如表1所示。

根据试验数据，前处理过程中混酸不同的配比对于消解效果有着不同程度的影响，综合考虑选择硫酸∶硝酸∶氢氟酸=3∶3∶4 时可以获得较为良好的消解效果。

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1.3 确认ICP-OES工作参数

通过优化射频发射器功率；载气流量（雾化器气体流量、等离子体气体流量、辅助气体流量等）等工作参数，使得仪器处在最佳的测试条件中，优化后的仪器工作条件如表2所示。在该条件下，仪器设备的灵敏度高，背景值较低，稳定性较好，信噪比大，可较好地完成样品中各元素含量的测定。

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对空心玻璃微珠金属元素进行ICP-OES 测定的时候，仪器会自动推荐各元素的分析谱线，此时应充分考虑谱线的峰形和信号进行选择，并尽可能消除存在的干扰因素。各元素分析谱线如表3所示。

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2 试验结果

2.1 精密度试验

对同一样品在相同条件下进行多次测定，通过结果的接近程度（以相对偏差RSD 表示）测定精密度，考察方法的稳定性和重复性。精密度越高，测量值越接近。准确称取同一样品的7个平行样，在上述仪器条件下进行平行测定，计算平均值和RSD。不同样品7次平行测定结果如表4所示。

经计算，不同配方下的同一样品的7 个平行样，不同元素结果RSD＜3%，说明该方法精密度较好，结果稳定性高、重复性强。

2.2 加标回收试验

因无有证标准物质，对样品进行加标回收试验时，通过回收率测量值与真实值的接近程度来判断该方法的系统误差和准确性。回收率越接近100%，系统误差越小，准确性越高。本试验的加标量分别为原样品的0.5，1，1.5倍，回收率结果见表5。

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经计算，不同配方下加标回收率为90%～109%，数据显示，该方法系统误差小，准确性高。

2.3 检出限

检出限试验用来测定最小浓度，拉埃确定出检测方法的灵敏度。本试验按照分析方法流程制备11份空白溶液，测定结果见表6。

经计算得到Na、Mg、Ca 方法检出限分别为0.002 5%，0.001 3%，0.001 8%，说明该方法检出限低，灵敏度好。

通过上述试验数据分析，使用ICP-OES 法样品消解速度快、结果稳定性强、重现性高、精密度和准确度良好、检出限低，说明该方法具有可行性，可推广使用。

3 结 论

目前，随着轨道交通、重卡、汽车等领域轻量化及节能减排需求的不断增加，空心玻璃微珠应用领域不断拓宽，其性能要求也越来越苛刻，对于空心玻璃微珠成分测定的要求也不断提高。综上所述，目前开展的空心玻璃微珠成分含量测定方法研究，对于提高检测的精密度和准确度具有必要性，该电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES 法）测定空心玻璃微珠中成分元素含量的方法，对前处理方法进行了优化，选择了最佳的仪器工作条件，方法精密度和准确度良好，检出限低。样品7 次测定结果RSD＜3%，加标回收率在90%～109%，可实际应用于空心玻璃微珠样品中成分含量的测定。

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