氮气电感耦合等离子体质谱（MICAP-MS）在钢铁痕量元素分析中的应用

I  概述

钢铁中痕量元素（如Pb、Al、Sn等）的准确定量对材料性能调控至关重要。传统氩基电感耦合等离子体质谱（Ar-ICP-MS）在钢铁分析中面临两大挑战：高浓度铁基体引起的基体效应（等离子体抑制、空间电荷效应、锥口沉积）及氩基多原子离子干扰（如⁴⁰Ar⁺对⁴⁰Ca、⁴⁰Ar¹²C⁺对⁵²Cr）。

近期，Winckelmann等人发表于《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》的研究系统考察了氮气微波电感耦合等离子体质谱（MICAP-MS）在铁基体中的基体耐受性，并验证了其在三种钢铁标准样品（非合金、低合金、高合金钢）痕量元素分析中的适用性。

II 操作条件对基体耐受性的影响

研究以⁶Li、⁴⁵Sc、⁸⁹Y、¹¹⁵In、¹⁵⁹Tb、²⁰⁹Bi为内标（覆盖m/z 6-209，电离能相近），通过监测含铁基体溶液（350 mg/L Fe、90 mg/L Cr、40 mg/L Ni）与空白溶液的信号比，系统考察了各操作参数对基体耐受性的影响。

雾化气流速（核心因素）：随着雾化气流速增加，内标信号强度先升后降（峰值约1.35 L/min），但基体耐受性持续下降。在0.9 L/min时，内标回收率为87%-92%；升至1.35 L/min时，回收率降至55%–73%且范围变宽。高流速下基体耐受性下降归因于：基体等离子体负载增加、气溶胶在等离子体中停留时间缩短。⁶Li（轻质量，空间电荷效应敏感）和²⁰⁹Bi（电离能略高）在高流速下基体耐受性下降尤为明显。

其他气流参数：等离子体气流速（9-15 L/min）、辅助气流速（0.6-1.2 L/min）、保护气流速（0-0.3 L/min）及采样深度（4-7 mm）对基体耐受性影响不显著。仅辅助气流速略有影响，但幅度远小于雾化气流速。

离子透镜系统：优化离子透镜电压可显著改善轻元素（特别是⁶Li）的基体耐受性，主要机制是减少了截取锥后方的非弹性碰撞散射效应。重元素受碰撞散射影响较小，优化效果不显著。

III MICAP-MS在高浓度铁基体中的基体耐受性

在优化操作条件下（雾化气流速0.9 L/min），系统评估了不同Fe浓度（0-1000 mg/L）下的基体耐受性。在500 mg/L Fe浓度下，所有内标回收率均高于90%；即使在1000 mg/L Fe浓度下，回收率仍保持在80%以上。此外，高浓度酸（HNO₃或HCl，2%-25%）会导致信号抑制，与Ar-ICP-MS中观察到的气溶胶传输效率变化机制一致。值得注意的是，实验过程中样品锥发生显著基体沉积，但信号在初始沉积后趋于稳定，无需频繁清洗。

IV 钢铁标准样品分析：水溶液校准与基体匹配校准对比

研究选取了非合金钢（ECRM 096-2）、低合金钢（ECRM 179-2）和高合金钢（ECRM 286-1）三种标准物质，经王水消解后采用MICAP-MS分析Al、Mn、Mo、Co、Cr、Cu、V、Ga、Nb、Sb、Sn、Pb等元素。分别采用水溶液校准（2% HNO₃）和基体匹配校准（含500 mg/L Fe的2% HNO₃）进行定量，结果如下：

定量结果：两种校准方法所得结果高度一致，且均与参考值良好吻合。仅⁵¹V在低合金钢中的测定值略高于参考值，可能源于¹⁴N³⁷Cl⁺的多原子离子干扰。

检出限与定量限：两种校准方法的检出限和定量限基本处于同一数量级。

截取锥材质影响：截取锥为Ni材质，故未对钢中的Ni进行定量。

V 总结与展望

本研究证实，MICAP-MS在铁基体中展现出优异的基体耐受性（500 mg/L Fe浓度下内标回收率>90%），是钢铁中痕量元素分析的可靠技术。雾化气流速是影响基体耐受性的核心参数，优化离子透镜可进一步改善轻元素的基体耐受性。在非合金、低合金及高合金钢标准样品的分析中，水溶液校准与基体匹配校准结果高度一致，且均与参考值吻合，验证了MICAP-MS对高浓度铁基体的耐受能力。定量范围覆盖五个数量级（从痕量元素到次要组分）。未来研究可进一步探索易电离元素（如Ca、Na、K、Li）在MICAP-MS中的基体效应，以拓展其应用范围。

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参考文献

Winckelmann A, Roik J, Recknagel S, Abad C, You Z. Investigation of matrix effects in nitrogen microwave inductively coupled atmosphericpressure plasma mass spectrometry (MICAP-MS) for trace element analysis in steels. J Anal At Spectrom. 2023, 38: 1253-1260. https://doi.org/10.1039/d3ja00088e