中國粉體網訊 近年來，隨著新能源和新材料等戰略性新興產業不斷發展，高純石英引起了人們的極大關注。由于高純石英純度高（SiO2含量>99.9%），需要測試的元素種類較多，常用的分析化學法和Ｘ射線熒光光譜法(XRF)均難以達到要求。目前普遍采用的測試方法是電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)，該方法具有靈敏度高、精確度好、基體效應小、選擇性高、標準曲線線性范圍寬等優點，對金屬元素具有良好的檢出限，可以在短時間內對數種元素同時進行測定。
ICP-OES（圖源：中科院過程工程研究所）
但是，目前用ICP檢測美國尤尼明公司產品的雜質含量比該公司在文獻上公布的最大雜質含量(31.1×10-6)數據大多偏高，表明目前我國在低雜質檢測技術上尚存在一些問題。據成都理工大學汪靈教授分析認為，在ICP檢測中，由于雜質含量很低，加之石英的難溶性，樣品重量、制樣方法、試劑純度和濃度以及測試條件等都可以成為影響檢測結果的重要因素。因此，開展高純石英產品質量檢測技術研究，建立相應的質量檢測標準，是我國高純石英技術發展的基本保障之一。
高純石英質量檢測的理論認識
汪靈教授課題組采用以四川脈石英為原礦加工而成的4N高純石英，系統研究了檢測樣品消解和溶礦過程中，試樣重量、試劑組合、試劑用量、試劑純度等各種因素與ICP檢測效果的關系，取得了以下理論認識：
(1)高純石英質量的ICP檢測技術包括試樣制備和儀器檢測兩大部分，其技術關鍵是試樣的消解和溶礦制備。因為，通過實驗證明，在試樣制備過程中，所采用的試樣重量、試劑組合、試劑用量、試劑純度等與ICP檢測效果的關系明顯，并對檢測結果產生重要的影響。
(2)試樣消解和溶礦制備的優化條件是：高純石英用量≥2000mg；試劑純度為高純級(MOS或BV-Ⅲ)，試劑組合為HF+HNO3；濃HNO3分3次使用，總用量≥5mL；HF用量為25mL。
(3)根據高純石英砂加工工藝特點和對純度要求，在整個試樣制備過程中，都不能采用鋼篩，以避免產生鐵質污染。另外，在超凈實驗室條件下進行高純石英試樣消解和溶礦制備，將有利于避免空氣雜質污染、減少檢測誤差。
石英微量雜質測定方法
在高純石英的制備過程中，通過對石英中各微量元素的檢測來分析石英的純度。目前，常用的測量方法有激光刻蝕—電感耦合等離子體—質譜法（LA-ICP-MS）和電子顯微探針測量法（EMPA）等。
激光刻蝕—電感耦合等離子體—質譜法（LA-ICP-MS）
LA-ICP-MS是一種高靈敏度的元素分析儀器，可用于一個或多個元素的定性定量分析。它可以在0.1～10μm/mL的范圍內有效測量范圍達6個數量級，并且每種元素測定時間非常短，非常適合多種元素的同時測定。
在ICP-MC系統中，ICP作為離子源，使樣品中的各元素大都電離出一個電子從而得到了一價正離子。質譜作為分析器，通過選擇不同質核比（m/z）的離子，檢測該離子的強度，經過計算得到最終的元素含量。在LA-ICP-MS檢測中，要控制激光的能量與波長，否則會將石英破碎。這種測量手段還有一個缺點是空間分辨率較低，容易被多種元素引發干擾。
電子顯微探針測量法（EPMA）
電子探針是目前最適合分析石英微量元素的原位微束分析技術，具有最高的空間分辨率(幾微米)，采樣體積最小，能夠實現高準確度無損分析，即便是在如加大加速電壓及束流的特殊測試條件下，其對石英樣品的損傷也是微不足道的。此外，也已建立該技術的數據簡化程序和定量校準方法，可以最大程度獲取石英中具有重要指示意義的Ti和Al的高精度成分信息。
EPMA（圖源：中國科學院礦物學與成礦學重點實驗室）
其缺點是檢測限較高，在常規測試條件下，主量元素分析精度約1%～2%(相對誤差)，檢測限為100×10-6級。在特殊測試條件下，部分元素的檢測限可以降至10×10-6級，但都存在分析時間較長的缺陷，導致分析效率降低。當元素含量為100×10-6級及以下時，測試數據的準確度及精確度有待提高；另外，受操作運行條件、本底含量以及背景扣除方式影響較大，通常只能分析原子量相對較大(Na及以上的)且含量較高的Al、K、Ti、Fe和Na等元素。
輝光放電質譜法(GDMS)
輝光放電質譜法(GDMS)作為一種固體分析檢測技術，和ICP-MS相比，避免了樣品的消解過程，具有較高的靈敏度、分辨率和極寬的線性動態范圍，可以一次性測定從超痕量到主體含量的雜質元素。由于輝光放電質譜儀的原子化和離子化是在不同區域進行的，因此受基體的影響較小，目前已經在超純固體材料檢測中得到了非常廣泛的應用。
GDMS（圖源：中國科學院福建物質結構研究所）
譚秀珍等采用鍺罩作為二次陰極，建立了直流輝光放電質譜法(dc-GDMS)測定高純石英中鋰、鈹、硼、鈉、鎂、鋁、硫、鈦、銅等９種雜質元素的方法。所用鍺罩的厚度為0.25mm，罩上有4個尺寸為1mm×8mm的狹縫，每個狹縫間隔1mm。實驗還考察了放電參數對基體信號強度、信號穩定性、基體和鍺罩信號比的影響。實驗表明，當在1.3mA/1350V的放電參數下，28Si的信號強度可達1.3×109cps，放電穩定，硅、鍺的信號比為1∶40。按照實驗方法測定高純石英樣品中鋰、鈹、硼、鈉、鎂、鋁、硫、鈦、銅，結果的相對標準偏差(RSD,n=5)均在30%以內；還對比了鍺罩、鉭罩對高純石英測定結果的影響，結果表明，由于鉭罩中銅含量較大，導致銅測定結果差異較大以外，其余元素測定結果基本一致。采用鍺罩測定高純石英中雜質元素的檢出限可達ng/g級別，低于采用鉭罩的檢出限。
參考資料：
汪靈等：我國高純石英加工技術現狀與發展建議，成都理工大學
汪靈等：中國高純石英技術現狀與發展前景，成都理工大學
龐慶樂等：高純石英的加工技術及應用，齊魯工業大學
王云月等：高純石英原料特征和礦床成因研究現狀綜述，合肥工業大學
譚秀珍等：鍺二次陰極-直流輝光放電質譜法測定高純石英中９種雜質元素，國家稀散金屬工程技術研究中心
（中國粉體網編輯整理/平安）
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