[发明专利]脉冲熔融质谱元素分析方法

说明书

技术领域

本发明属于材料化学成分的定量分析技术领域，特别是提供了一种脉冲熔融质谱元素分析方法。用于金属、陶瓷等无机材料中氧(O)、氮(N)、氢(H)和氩(Ar)元素含量的分析。

背景技术

氧、氮、氢和氩等元素对材料性能极其重要，是材料设计、生产和应用过程的必测指标。

现有方法没有涉及氩的分析。

当前氧、氮和氢的分析是样品在脉冲加热炉的石墨坩锅中加热熔融，氧与石墨坩锅中碳反应生成一氧化碳和少量二氧化碳，氮和氢元素以氮气和氢气释放。通过红外吸收光谱法分析一氧化碳，或把一氧化碳全部转化后分析二氧化碳；用热导法分析氮气和氢气。经数据处理可得到样品中氧、氮和氢的含量。

现有方法存在的问题是：1)无法测定材料中痕量的氩；2)分析过程非常复杂，为避免干扰采用复杂的气体转化或去除方法，气路复杂；3)单机单次测量元素最多2种，且必须相继检出，不能同时分析；4)除一些方法对氢分析的灵敏度可达0.1ppm外，其它元素最低检出下限为1ppm，不能满足现阶段各种新型材料对元素分析的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲熔融质谱元素分析方法，用于分析无机材料中氧、氮、氢和氩4种气体元素。

一、基于上述目的，本发明的技术方案如下：

1.分析步骤：

(1)脉冲熔融脱气：在惰气保护下，利用脉冲炉加热熔融样品，在石墨坩锅中将金属、陶瓷等无机材料中的O、N、H和A_r气体元素，转化成气态组分一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO₂)，氮气(N₂)，氢气(H₂)，氩气(Ar)释放；

(2)净化处理：脱气产物被载气载出，根据分析需要进行过滤、脱水和化学转化等处理过程，并对气流进行稳压和稳流；

(3)质谱检测：净化处理后的气体引入飞行时间质谱、四极质谱或磁式质谱，脱气产物被离子化、聚焦成离子束、在加速电场被加速、按质荷比分离，最终到达检测器产生系列电信号；

(4)信号采集和数据处理：对上述电信号序列进行采集、放大、积分、统计和数学处理，分别得到被测样品中O、N、H和Ar元素的质量百分含量。

对本发明详述如下：

1.脉冲熔融脱气：

准确称重的样品(视情况包裹铝箔或加助熔剂)，放入脉冲加热炉的石墨坩锅中。分析过程开始后，通电，两极导通，瞬间温度达1500～3500℃，样品熔融。高纯氦或高纯氩作载气，将样品中O、N、H、Ar以CO和CO₂、N₂、H₂、Ar的形式脱出。

2.净化处理：

上述脉冲熔融脱气的产物在引入质谱进样系统之前，除了需要稳流稳压外，要进行必要的净化和化学转化处理。仪器气路中常采用粉尘过滤器除掉燃烧过程产生的各种氧化物颗粒；用化学试剂脱去燃烧产物中的湿气避免其进入质谱。

对于超低碳钢等低碳低氮材料，可用化学试剂将CO全部转化为CO2而N₂和H₂保持不变，从而获得C和N测量的高灵敏度。

3.质谱检测：

脉冲熔融脱气和净化处理后，高纯载气携带脱气过程产生的各种气体进入质谱仪。本发明采用飞行时间质谱仪、四极质谱仪或磁式质谱仪进行定量分析。

气流通过质谱进样系统的毛细管，以支流扩散方式进入质谱离子源，扩散速度0～5000μL/min可调。干流气体经处理后可排空。离子源以1000～20000Hz的频率发射电子束，该电子束被加速并聚焦，从垂直方向轰击样品气流，而后被加载正电压的收集极吸收。

被轰击的气流中的气体组分发生离子化，产物以单电荷正离子为主。每一种气体组分在该轰击能量下具有特征质谱，其中分子离子峰及各个碎片离子峰的强度存在理论上恒定的比例关系。据此可选择各元素的分析谱峰。

离子化后，正离子在加速电场中瞬间获得动能。

在飞行时间质谱中，这些离子被导出电极推入飞行区。飞行区不设置任何电磁场。带电荷数相同的离子动能相同，质量大的飞行速度较慢，反之亦然。因而不同质荷比的离子在不同时间到达飞行区尽头的检测器。

在四极质谱中，离子被导入由4个电极组成的高频交变电场中，随着电场强度的改变，不同质荷比的离子相继穿过电场到达尽头的检测器。

在磁式质谱中，离子被导入扇形磁场中，运动方向发生偏转，随着磁场强度的改变，不同质荷比的离子相继穿过磁场到达尽头的检测器。

离子撞击检测器产生电信号。微弱的电流脉冲信号序列被放大后进行数学处理。