Analysis of Trace and Major Elements in Steel by ICP-AES

Význam tématu

Elementární analýza oceli je kritická pro řízení jakosti, výkonu a bezpečnosti v konstrukci, strojírenství i dopravě. Ocel obsahuje prvky v koncentracích od stopových množství až po procenta hmotnosti; analytická technika musí současně zajistit vysokou citlivost pro stopové prvky a široký dynamický rozsah pro hlavní složky. ICP-AES představuje vhodný kompromis umožňující kvantifikaci v širokém rozsahu koncentrací s rychlými měřeními a možností měření ve vakuu pro VUV oblast.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentovaného Application News bylo ukázat schopnost multitypu ICP-AES (Shimadzu ICPE-9820) pro současné stanovení stopových i hlavních prvků ve vzorku nerezavějící oceli (certifikovaný referenční materiál NSTM SUS570-1). Studie demonstruje postup předspracování, nastavení přístroje, korekci matrice při vysoké koncentraci solí a porovnání naměřených hodnot s certifikovanými hodnotami.

Použitá metodika a instrumentace

Postup předspracování:

• 1 g vzorku rozpuštěno zahřátím v 60 mL směsi HCl : HNO3 : H2O = 3 : 1 : 4 a doplněno na 100 mL jako zásobní roztok.
• Pro analýzu hlavních prvků: 25× ředění zásobního roztoku ředěným HCl; interní standard yttrium (Y) na 20 mg/L.
• Pro stopové prvky: 2× ředění zásobního roztoku vodou a příprava vzorků metodou standardních přídavků.
• Každá příprava provedena trojmo; každá ze tří příprav byla v rámci běhu měřena trojmo (celkem N = 9).

Instrumentace (samostatná sekce):

• Spektrometr: Shimadzu ICPE-9820 (vakuuovaný spektrometr umožňující měření pod 190 nm a rychlý rozběh).
• Nebulizér: 10UES.
• Spařovací komora: Twister Spray Chamber HE (jemnější výběr aerosolových částic, lepší odolnost vůči solné matrici).
• Hořák: Torch pro vzorky s vysokou koncentrací solí (svislé umístění hořáku minimalizující paměťový efekt).
• Autosampler: AS-10.
• Doplňky: vodní bublovač pro potlačení usazování solí v systému.

Nastavení měření a kalibrace:

• RF výkon 1,40 kW; průtoky: plasma 15.0 L/min, pomocný plyn 1.20 L/min, nosný plyn 0.70 L/min (0.65 L/min pro stopové prvky).
• Současné pozorování v axiální (AX, vysoká citlivost) a radiální (RD, vhodný pro vysoké koncentrace) orientaci.
• Hlavní prvky kvantifikovány pomocí kalibrační křivky s vnitřním standardem; stopové prvky pomocí metody standardních přídavků.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky ukazují velmi dobrou shodu naměřených koncentrací s certifikovanými hodnotami a dobrou opakovatelnost (typicky <1 % relat.). Hlavní nálezy:

• Hlavní prvky: Cr 18.17 % (cert. 18.14 ± 0.04), Mn 1.96 % (cert. 1.95 ± 0.01), Mo 2.58 % (cert. 2.59 ± 0.02), Ni 8.21 % (cert. 8.21 ± 0.02). Nízké SD a dobrá opakovatelnost potvrzují přesnost metody pro rozsah procentních koncentrací.
• Stopové prvky: Příkladně Cu 0.0509 % (cert. 0.0515 ± 0.0008), P 0.0421 % (cert. 0.0423 ± 0.0005), Sn 0.0097 % (cert. 0.00976 ± 0.00024). Stanovení stopových prvků dosáhlo nízkých detekčních limitů a konzistentních hodnot díky použití standardních přídavků a ochranných prvků při zavádění vzorku.
• Software přístroje dynamicky volí vhodnou kalibrační křivku pro danou koncentraci (změna z AX na RD nebo volba jiné vlnové délky), čímž se minimalizuje potřeba manuální post-analýzy a snižuje riziko chyb vyplývajících z nesprávného rozsahu kalibrace.
• Twister spray komora a torche pro vysoké solné koncentrace spolu s vodním bublovačem účinně redukovaly usazování solí a souvisejlou ztrátu citlivosti; svislé uložení hořáku dále snižuje paměťové efekty.
• U křemíku byla zaznamenána omezená dlouhodobá stabilita po předspracování; výsledky u Si byly uvedeny pouze referenčně a vyžadují speciální přístup pro spolehlivá kvantitativní data.

Přínosy a praktické využití metody

Klíčové přínosy a aplikace v praxi:

• Možnost simultánního stanovení stopových i hlavních prvků v rámci jediného měření šetří čas a materiál.
• Robustní vzorkovací systém a volba komponent (Twister, bublovač, torch pro vysokou sůl) zvyšují odolnost proti matricovým efektům při analýze rozpuštěných kovů obsahujících vysoké koncentrace solí.
• Vakuový spektrometr rozšiřuje měřitelné oblasti do VUV, umožňující stanovení prvků s absorpcí/vyzařováním v oboru < 190 nm.
• Vhodné pro kontrolu surovin a hotových výrobků v ocelářském průmyslu, laboratorní QA/QC, recyklaci kovů a poruchové analýzy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Směry dalšího vývoje a využití v analytické praxi:

• Integrace s ICP-MS a jinými hybnými technikami pro rozšíření citlivosti a selektivity na ultra-stopové koncentrace a izotopové analýzy.
• Automatizace přípravy vzorků a on-line ředění pro zvýšení propustnosti laboratoře a snížení chyb při ředění.
• Vylepšení designu hořáků a komor odolných vůči matricím pro minimalizaci usazování solí bez potřeby časté údržby.
• Pokročilé softwarové korekce a chemometrické algoritmy pro kompenzaci matricových vlivů a optimalizaci výběru kalibrační křivky.
• Vývoj stabilnějších postupů pro křemík a další těkavé či náchylné prvky po předspracování.

Závěr

Analýza certifikovaného materiálu nerezavějící oceli ukázala, že ICPE-9820 poskytuje spolehlivé a reprodukovatelné výsledky pro široký rozsah koncentrací od stop po hlavní prvky. Kombinace vhodného přístrojového příslušenství (Twister komora, torch pro vysoké soli, vodní bublovač), volby pozorování (AX/RD) a vhodných kalibračních postupů umožňuje přesné stanovení i v náročných matricích. Pro některé prvky, zejména křemík, je zapotřebí opatrnější přístup kvůli jejich omezené stabilitě po předspracování.

Reference

1. Du, J. & Hashimoto, S. Analysis of Trace and Major Elements in Steel by ICP-AES. Shimadzu Application News, First Edition: Sep. 2026.
2. Simultaneous Analysis of Trace and Major Elements in Iron and Steel by ICPE-9820. Shimadzu Application News No. J112.
3. Trace Element Analysis of Steel Using ICP-MS. Shimadzu Application News No. 01-01207-en.