脉冲熔融-飞行时间质谱法测定金属材料中氧、氮、氢和氩.pdf

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1、第39卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第1O期2011年10月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1555～1560脉冲熔融一飞行时间质谱法测定金属材料中氧、氮、氢和氩沈学静王蓬胡少成杨植岗马红权杨倩倩‘高伟周振王海舟(钢铁研究总院国家钢铁测试中心，北京100081)(上海大学环境与化学工程学院，上海200444)摘要采用自主研制的脉冲熔融飞行时间质谱法可以同时测定金属中O，N，H和Ar。重点讨论质谱谱线的选择，信号获得以及数据处理和校准，并给O，N，H和Ar4种的检出限分别为0．021，0．060

2、，0．002和0．002ktg／g，线性范围分别为O．O7O～500／．tg／g，0．200~400~tg／g，0．006~40~tg／g和0．00515~tg／g。并利用不同样品对本方法的准确性和精密度进行l『验证，实验结果与传统方法吻合。实验表明，本方法准确、有效，可同时测定4种气体元素0，N，H和Ar。关键词脉冲熔融飞行时间质谱法；氧；氮；氢；氩l引言0，N和H含量的多少对金属性能有较大的影响。这些气体含量也是金属材料设计、生产的关键指标。因此严格控制并定量分析这些元素的含量已成为关注焦点。在目前的分析手段中，多采用高纯He为载气，装有样品的石墨坩

3、埚在惰性气体保护下，在脉冲熔融炉中加热熔融，样品释放出的O，N和H与石墨坩埚在高温下发生氧化还原反应，各自生成CO，N：和H：。该过程中脉冲熔融炉的最高温度可以达到3000℃。从炉中释放出的混合气体被载气(高纯He)携带通过加热的氧化铜炉，使CO氧化为CO：，H被氧化为H：O，由红外检测池测定CO：和H：O，用以计算0和H的含量，随后再经过碱石棉和无水高氯酸镁吸收，除去CO：和H0，最终试样气体被载气携带流经热导池，检测N含量[1j。有时，通过将样品中的H转化为水蒸汽，可以利用红外吸收法利用测定H的含量。此外，特殊材料中Ar元素的测定有了越来越多的需求，

4、但尚未建立成熟的方法及标准，可以尝试的是采用色谱柱分离，在高纯N：做载气的前提下，利用热导法测定。本项目组成功研制出第一台脉冲熔融一飞行时间质谱气体元素分析仪样机_5。此方法可在更宽测量范围和更高灵敏度下实现无机材料中0，N，H和Ar的同时测定。本实验主要对校正方法进行了研究，给出了各元素的检出限和线性范围，并将其应用于各种金属的测定，获得了满意的结果。2实验部分2．1脉冲熔融一飞行时间质谱工作原理【l叼脉冲熔融一飞行时间质谱气体元素分析仪的工作原理示意图如图1所示。仪器包含脉冲熔融炉、进样系统、净化系统、飞行时间质谱检测器、信号采集和数据处理系统及自动

5、控制系统。脉冲熔融炉和进样系统通过上、下电极和气缸连接，并形成一个密闭的炉膛，通过在上、下电极间放人装有样品的石墨坩埚进行分析测定。石墨坩埚中的样品被加热到3000℃时，熔融并释放出0，N，H和Ar,这些气体元素与石墨坩埚继续发生氧化还原反应，并最终以CO，N：，H和Ar的形式通过除尘净化系统，随后通过直流扩散式的毛细管，在载气的携带下进入飞行时间质谱检测器。气体成分在飞行时间质谱的离子源处被电离成离子，并被加速后进入无场漂移管中，最后到达飞行时间质谱的检测器。离子的飞行时间与离子质量的平方根成正比，因此，获得的飞行时间谱图可以直接201卜06-10收稿

6、；201卜O8—3O接受E-mail：shengenggeng@gmail．corn分析化学第39卷邢问质仪toTF．MSI]图1脉冲熔融一飞行时间质谱气体元素分析仪的工作原理示意图。Fig．1Schematicdiagramofpulseheating＆timeofflightmassspectrometricgaselementsanalyzer[1o1载气；2．压力表；3．脉冲熔融炉；4．石墨坩埚；5样品；6．电源盒；7．气体流通管；8．过滤装置；9．稳流阀；10．过滤器。1Gas：2Pressurereducingvalve；3Pulsemelt

7、ingfurnace；4．Graphitecrucible，5．Sample；6．Powersupplybox；7．Gaspipelin；8Constantpressurevalve；9．Steadyflowvalve；10．Filterdevice．转化为质谱图。信号采集与放大系统与检测器相连接。数据处理模块负责计算并输出样品中O，H和Ar的质量百分含量。而自动控制模块则根据前期预安装的程序负责控制各驱动部件的行为，如气动阀装置和电磁阀装置，以实现分析系统的自动化。实验表明，从投样到给出实际测量结果仅约2min。本方法与传统方法的最大区别在于气体引入装

8、置和质谱检测方法。在传统方法中，样品熔融释放后的所有气体均被引入红外吸收池和热导