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單波長激發(fā)-能量色散X射線熒光光譜法測定含鐵物料中多種微量及痕量有害元素


摘 要
        采用全聚焦型雙曲面彎晶結(jié)構(gòu)所實現(xiàn)的單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜法,能有效解決X射線管出射譜中韌致輻射所產(chǎn)生的背景信號,大幅提升了元素信噪比,獲得了較佳的元素特征X射線熒光信號峰背比,降低了檢出限。可定量分析含鐵物料中多種微量及痕量有害元素。稱取適量鐵礦樣品制備成粉末壓片,通過對單波長激發(fā)性能進行優(yōu)化,以基本參數(shù)法對基體效應進行校正,采用無標樣全譜擬合算法對試樣進行分析,砷、汞、鉛、鉻、鎘元素的線性相關系數(shù)均不小于0.999,其檢出限在0.0002%~0.003%,各元素精密度RSD在3.2%~9.0%。用不同方法進行正確度驗證,除接近方法檢測下限的As及Pb檢測結(jié)果與對比數(shù)據(jù)偏差較大之外,其他元素與比對方法的測定結(jié)果均吻合。經(jīng)實驗表明,采用雙曲面彎晶技術的單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜法定量分析含鐵物料中低含量有害元素,正確度高、檢出限低,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)能量色散X射線熒光光譜法。

概 述
       含鐵物料中有害元素分析方法主要有電感耦合等離子體質(zhì)譜法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法等。然而該些方法樣品預處理過程比較繁瑣,耗時長且不能實現(xiàn)大量樣本的現(xiàn)場快速篩査。熔融玻璃片-X射線熒光光譜法可快速分析樣品中多種元素[1-2],但因樣品中有害元素砷、汞、鉛、鉻、鎘為微量或痕量且存在玻璃熔片的稀釋比過高問題,無法利用熔融玻璃片法開展微量或痕量的砷、汞、鉛、鎘元素的定量分析。因此需要找到一種效率高、速度快且檢出限低的的現(xiàn)場快速篩查方法對含鐵物料中的有害元素進行快速檢測。

       單波長激發(fā)-能量色散X射線熒光光譜儀是目前國內(nèi)新興高通量分析設備之一,除具有分析速度快、無損檢測、測量范圍廣、光譜穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,較傳統(tǒng)能量色散X射線熒光儀,還具有激發(fā)功率小、檢出限低、便攜小巧的優(yōu)點,能夠適應現(xiàn)場快速有害元素篩查工作。傳統(tǒng)能量色散 X 射線熒光分析儀因X 射線光管功率低,產(chǎn)生的 X 射線強度較低,其微量重元素信號經(jīng)常淹沒在高連續(xù)譜背景當中,因此檢測有害元素方法檢出限較高。查閱相關文獻,有能量色散X射線熒光光譜法測定礦石中有害元素的相關報道[3-4],但方法檢出限或測定范圍均較高,而含鐵物料中多種有害元素為微量或痕量,使用該類方法無法適用于大多數(shù)含量更低的含鐵物料中有害元素的檢測,且除此以外,并未見有關汞元素檢測的相關報道。單波長激發(fā)-能量色散X射線熒光光譜儀[5],添加了能夠?qū)射線進行Bragg衍射單色化并聚焦到直徑數(shù)十到數(shù)百微米的聚焦面的全聚焦型雙曲面彎晶結(jié)構(gòu),通過內(nèi)置單色化光學器件將X射線管出射譜的某單一波長衍射取出并照射樣品,由于消除X射線管出射譜中韌致輻射所產(chǎn)生的背景信號,從而大幅提升元素信噪比,獲得較佳的元素特征X射線熒光信號峰背比,極低的檢出限,可以對微量或痕量有害元素實現(xiàn)高性能分析。經(jīng)查閱相關文獻[6-8],未見有關利用單波長激發(fā)的能量色散X射線熒光光譜法測定含鐵物料中砷、汞、鉛、鉻、鎘有害元素的報道。

       本工作創(chuàng)新性的利用單波長聚焦激發(fā),降低了含鐵物料中砷、汞、鉛、鉻、鎘有害元素測定的檢出限,最終提出了單波長激發(fā)-能量色散X射線熒光光譜法定量檢測含鐵物料中多種微量及痕量有害元素的分析方法。




1.實驗部分
1.1 儀器與試劑
         PHECDA-PRO型單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜儀(北京安科慧生),NL-60S型全自動液壓壓片機(天津諾雷信達),硼酸(分析純)。

1.2 儀器工作條件
        按照待分析元素選擇不同測量能段,確定不同測量條件。各組測量條件中電壓固定,通過調(diào)節(jié)管電流將測量死時間控制在30%以內(nèi)。具體測量條件見表1。
 
表1 各元素分組及各組測量條件
Tab. 1 Group list for each element and measurement condition for each group 

Measuring energy levels Element Tube voltage Tube current Measure time/s
Low Cr 15 100~350 100
Mid As,Pb,Hg 30 100~200 100
High Cd 70 50~120 100

1.3 試驗方法
1.3.1 樣片的制備
        將樣品粒度研磨至不大于74μm的分析試樣,稱取分析試樣約10g,加入硼酸墊底,于壓片機上以500MPa壓力條件下壓制30s,壓制成粉末樣片。用洗耳球吹去表面可能存在的顆粒物質(zhì)。制備樣片厚度應不少于3mm。樣片表面需平整,無裂紋、無粉末脫落等缺陷。

1.3.2 試樣分析
       將制備的粉末壓片置于單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜儀中獲取熒光強度信號,采用無標樣全譜擬合-基本參數(shù)法進行無標定量分析,計算得出分析試樣中元素含量。分析試樣進行兩次平行測定取其平均值。



2.結(jié)果與討論
2.1 無標樣全譜擬合算法
        基本參數(shù)法分為兩類,一是通過對已知元素和含量的標準物質(zhì),輸入標準物質(zhì)的元素和含量經(jīng)過一系列計算擬合,確定基本參數(shù)算法;二是對未知樣品定量分析。采用最小二乘擬合算法對未知樣品實測譜擬合全譜[9]。最小二乘法是從誤差擬合的角度對回歸模型進行參數(shù)估計。將樣品實際測量譜線分解為樣品中各個單元素在相同樣品基體情況下,樣品中各個單元素相應含量下的理論譜線的疊加。因?qū)嶋H測量譜線測量結(jié)束后為固定值,如果假定元素初始含量,用假定含量解出該含量的理論譜線,用測量譜線對單元素理論譜線進行全譜匹配,匹配結(jié)果為一個新的含量,不斷重復全譜匹配過程,直到元素含量收斂為樣品中元素的實際含量。本文選擇基于基本參數(shù)法(FP)的全譜擬合無標樣定量算法進行分析。

        含鐵物料元素組成復雜,其基體元素成分變化會直接影響待測元素特征X射線強度的測量。低鐵含量樣品(為鐵含量15%以下的含鎳物料)鉻元素檢測情況表明,對于與含鐵物料基體(一般鐵含量在40%以上)相差較大的樣品不宜直接利用含鐵物料的檢測條件進行檢測,說明過大的基體差異會導致結(jié)果的明顯偏差。利用無標樣全譜擬合算法建立相應基體樣品的結(jié)果校正曲線,不改變檢測條件,可以消除明顯的基體差異導致的結(jié)果偏差,保障檢測結(jié)果的準確。選取含有不同含量的各有害元素的含鐵物料,利用基于基本參數(shù)法的無標樣全譜擬合算法進行分析,其檢測結(jié)果與真值的擬合情況見表2。由表2可知,其R2均不小于0.9990。

 
表2 各元素基本參數(shù)法直接測定結(jié)果與真值的擬合情況
Tab.2 Fitting of Direct Measurement Results of Basic Parameters of Each Element with True Values
Element Number of samples Content range R2
Cd 11 0.00082-0.112 0.9991
As 15 0.0024-0.668 0.9990
Pb 12 0.0073-0.795 0.9993
Hg 4 0.0014-0.0089 0.9991
Cr(High iron content samples) 10 0.015-1.84 0.9999
Cr(Low iron content samples) 7 0.060-0.92 0.9991
 
 
2.2 背景及譜線權重優(yōu)化
        含鐵物料檢測中,背景來源主要包括入射X射線的康普頓散射和瑞利散射、探測器的康普頓散射逃逸效應、探測器的不完全電荷收集效應、光電子和俄歇電子逃逸效應等。因此,在采用基本參數(shù)法計算過程中需要通過扣背景來消除或降低背景對元素峰擬合的影響,但扣背景不足或過多均會影響元素檢測結(jié)果的準確性。對樣品號為Fe-1的含鐵物料譜圖進行背景優(yōu)化,針對含鐵物料的復雜基體復雜背景問題,為能夠準確提取微量元素信號,建立了分段式多參數(shù)背景補償Snip算法。如圖1為Fe-1含鐵物料背景優(yōu)化譜圖。圖中下曲線為掃描Fe-1含鐵物料原始譜圖,上曲線為優(yōu)化后譜圖。經(jīng)優(yōu)化后的譜圖,可提取出低譜峰信號強度。

圖1  Fe-1樣品背景優(yōu)化譜圖
Fig.1 Optimization spectrum of Fe-1 sample background

2.3 譜線選擇及重疊干擾校正
        選擇待測元素特征譜線時應避免基體中共存元素的譜線干擾、和峰干擾、靶材的特征譜線及其康普頓譜逃逸峰干擾。光譜干擾可通過選擇適當?shù)姆治鼍€和采用干擾校正系數(shù)來解決。表3中給出了含鐵物料中砷、鉛、汞、鉻、鎘元素檢測推薦譜線和干擾修正情況。

表3 含鐵物料中微量元素的推薦分析線及干擾情況
Tab.3 Recommended Analysis Lines and Interference Conditions for Trace Elements in Ferrous Materials
 
Element  Recommended spectral lines Participate in basic correction elements Spectral overlapping interference element lines and typical interference situations  
Interference correction method
As Kα -line Fe、 Ca、Si、Al、Mn、K、O The Lα -line of Pb element overlaps with the    Kα -line of As element Using theLβ -line of Pb element to calculate the content of Pb element, and then re analyzing the Kα -line of As element in overlapping peaks
Pb Lβ -line Fe、 Ca、Si、Al、Mn、K、O The double peak of the Kα -line of Fe element overlaps with the Lβ -line of Pb element Algorithm of using full spectrum fitting matrix parameters method
Hg Lα -line Fe、 Ca、Si、Al、Mn、K、O The overlapping peaks have no interference, but the Lα -line of Hg element is easily affected by the Kα -line and Kβ -line of Zn element, resulting in background interference The content of Zn element greater than 1% affects the determination of low content Hg element
Cr Kα -line or Kβ -line Fe、 Ca、Si、Al、Mn、K、O The Kα -line of Cr element overlaps with the escape peak of Fe element's Kβ -line and the Kβ -line of V element, while the Kβ -line of Cr element overlaps with the Kβ -line of Mn element By calculating the content of Fe, V, and Mn elements, Cr can be further resolved in overlapping peaks
Cd Kα -line Fe、 Ca、Si、Al、Mn、K、O The position where the Lβ1 - line of Pb element accumulates and doubles, and the position where the Lα -line of Pb element accumulates and doubles, will have a combined peak Deducting the effect of peak concentration by calculating the Pb element content
 
2.4 方法檢測下限及檢出限
        選擇SiO2作為空白樣,利用單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜法對其重復測定11次,以3.14倍測定值的標準偏差(s)計算檢出限(3.14s)[10]。方法的檢測下限可定義為在特定基體某一可信度內(nèi)對分析物能進行可靠確認和定量的最低濃度值,通常取3倍檢出限,結(jié)果保留兩位有效數(shù)字,見表4。
 
表4 方法檢測下限及檢出限
Tab.4  Method detection lower limit and detection limit

Sample number Determination of elements
Hg As Pb Cd Cr
1 0.00041 0.0016 -0.0012 -0.00015 -0.013
2 0.00037 0.0015 -0.00090 -0.00024 -0.013
3 0.00013 0.0016 -0.0010 -0.00024 -0.014
4 0.00026 0.0015 -0.0011 -0.00014 -0.013
5 0.00032 0.0015 -0.0013 -0.00023 -0.014
6 0.00015 0.0016 -0.00098 -0.00039 -0.013
7 0.00018 0.0014 -0.0010 -0.00023 -0.013
8 0.00015 0.0013 -0.0010 -0.00068 -0.013
9 0.00014 0.0013 -0.00093 -0.00021 -0.013
10 0.00039 0.0016 -0.0010 -0.00049 -0.013
11 0.00036 0.0013 -0.0010 -0.00021 -0.012
S 0.00011 0.00011 0.00012 0.00017 0.00035
Detection limit 0.00035 0.00036 0.00037 0.00052 0.0011
Method detection lower limit 0.0011 0.0011 0.0011 0.0016 0.0033







2.5 方法精密度
        選取含有有害元素的含鐵物料樣片,進行精密度試驗。分析結(jié)果見表5。由表5可知,各元素RSD在3.19%~9.00%范圍內(nèi),RSD均不大于10%,精密度良好。
 
表5 精密度試
                                                                                                Tab.5 Precision test(n=7)                                                                                           /%
Sample As Pb Cd Cr Hg
average value RSD average value RSD average value RSD average value RSD average value RSD
Fe-1 0.048 4.9 0.76 4.8 0.00092 8.7 0.056 4.8 / /
Fe-2 0.0042 7.3 0.10 4.2 0.0038 7.0 0.018 3.5    
Hg-3 0.022 4.0 0.21 3.2 / / 0.032 4.7 0.0037 9.0
Hg-4 0.0085 3.4 0.18 4.9 / / 0.0098 5.6 0.0083 4.5
 
2.6 方法正確度
        選取各元素不同水平含鐵物料樣品,按本試驗方法進行測定,并與ICP-MS法、直接測汞儀法進行結(jié)果比對,檢測結(jié)果見表6~10。由檢測結(jié)果可知,砷元素測定中Fe-2、GSB03-2854-2012及S-4含鐵物料,鉛元素測定中YSBC28786-2015含鐵物料檢測結(jié)果與其他方法或標示值偏差較大,主要原因為接近其方法檢測下限。經(jīng)正確度驗證,該方法滿足分析要求,可開展快速分析檢測。
    
表6 砷元素檢測比對結(jié)果
                                                                                Tab.6 Comparison Results of Arsenic Element Detection
                                                             /%
Samples This method ICP-MS measured  value
Fe-1 0.048 0.056
Fe-2 0.0042 0.0024
YSBC14722-98 0.11 0.10
YSBC28786-2015 0.0096 0.0095
GSB03-2854-2012 0.0064 0.0044
GSB03-2855-2012 0.22 0.22
GSB03-2856-2012 0.047 0.051
YSBC28785-2015 0.013 0.011
GSB03-1805-2005 0.096 0.11
S-4 0.0019 0.0008
S-1 0.094 0.097
S-2 0.014 0.010
S-3 0.093 0.072
GSB03-2857-2012 0.33 0.29
Fe-3 0.64 0.67
 

表7 鉛元素檢測比對結(jié)果
                                                                           Tab.7 Comparison Results of Lead Element Detection
                                                                       /%
Samples This method ICP-MS measured  value
Fe-2 0.10 0.11
Fe-1 0.73 0.79
YSBC14722-98 0.099 0.120
YSBC28786-2015 0.0047 0.0073
GSB03-2854-2012 0.027 0.035
GSB03-2855-2012 0.16 0.18
GSB03-2856-2012 0.031 0.034
YSBC28785-2015 0.012 0.020
GSB03-1805-2005 0.085 0.11
S-1 0.44 0.47
S-3 0.18 0.20
GSB03-2857-2012 0.18 0.19
 
表8 汞元素檢測比對結(jié)果
                                                                      Tab.8 Comparison Results of Mercury Element Detection                                                                      /%
Samples This method Direct mercury meter method
Hg-1 0.0012 0.0014
Hg-2 0.0025 0.0030
Hg-3 0.0039 0.0045
Hg-4 0.0081 0.0089
 

表9 鉻元素檢測比對結(jié)果
                                                                  Tab.9 Comparison Results of Chromium Element Detection                                                                      /%
High speed iron containing materials Low iron element iron containing materials
Samples This method ICP-MS measured value Samples This method ICP-MS measured value
ISO306 0.015 0.017 GBW07146 0.13 0.12
ISO316 0.069 0.080 GBW07147 0.13 0.13
ISO315 0.031 0.036 GBW07148 0.073 0.060
ISO327 0.014 0.015 ZBK413 0.80 0.76
ZBK459 0.055 0.047 ZBK414 0.93 0.90
ZBK460 0.037 0.037 ZBK415 0.82 0.83
ZBK461 0.033 0.027 ZBK416 0.76 0.76
ZBK418 1.31 1.38 ZBK417 0.36 0.37
ZBK412 1.75 1.84 / / /
GBW07149 0.055 0.046 / / /
 

表10 鎘元素檢測比對結(jié)果
                                                                  Tab.10 Comparison Results of Cadmium Element Detection
                                                                      /%
Sample This method ICP-MS measured value
Fe-1 0.00083 0.00071
Fe-2 0.0036 0.0031
Cd-1 0.0034 0.0035
Cd-2 0.0048 0.0045
Cd-3 0.0063 0.0070
Cd-4 0.012 0.013
S-1 0.11 0.096
S-2 0.0014 0.0012
S-3 0.011 0.011
ZBK410 0.050 0.047
ZBK417 0.029 0.028
 
 

3.結(jié) 論

        本文采用壓片制樣-單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜法測定含鐵物料中多種有害元素,利用基于基本參數(shù)法的無標樣全譜擬合算法對目標元素的基體效應進行校正并進行檢測分析。通過正確度驗證可知,方法滿足快速分析要求。


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