Accurate measurement of elemental impurities in metals and metal alloys using triple quadrupole ICP-MS

Význam tématu

Správná kvantifikace stopových prvků v čistých kovech a slitinách je naprosto zásadní pro zajištění požadovaných mechanických, chemických či nukleárních vlastností materiálu. Například slitiny niklu se používají v leteckém průmyslu pro odolnost vůči vysokým teplotám a nízkému creepovému chování, zatímco zirkonium nachází uplatnění v jaderném průmyslu díky nízké neutronové absorpci. Jakékoliv nečistoty v řádu ppm či nižších úrovní mohou výrazně snížit výkonnost či životnost konečného výrobku.

Cíle a přehled studie

Cílem studie je demonstrovat možnosti technologie triple kvadrupolového ICP-MS (TQ-ICP-MS) pro přesné stanovení elementárních nečistot (selen, arsen, kadmium) v kovových matricích ( niklové a zirkoniové slitiny). Studie porovnává klasické jednočtvrtečné režimy s čistícími plyny (SQ-KED) a režimy TQ mass shift a TQ on‐mass za účelem efektivní eliminace polyatomových interferencí.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky kovů byly mineralizovány do roztoků a rozředěny na požadovanou koncentraci kovové matrice (100–1 000 mg L⁻¹). Měření probíhala na Thermo Scientific iCAP TQe ICP-MS s ovládacím softwarem Qtegra ISDS a jeho asistentem Reaction Finder, který automatizuje výběr plynu (O₂, H₂), tlaků a režimů (SQ-KED, TQ mass shift, TQ on‐mass). Kalibrace byla matričně vázaná a pohybovala se typicky v rozmezí 100–1 000 ng L⁻¹ analyzovaného prvku.

Hlavní výsledky a diskuse

• Selenium v niklu: Režimy SQ-KED s H₂ či O₂ neodstranily zcela interferující NiO⁺ ionty a navíc došlo k tvorbě nových interferencí (NiO·H₂O⁺, NiO·H₃O⁺). Použitím režimu TQ mass shift (Q1 filtruje NiO a vodní klastry, Q2 reakce Se⁺+O₂→SeO⁺, Q3 detekce SeO⁺ na m/z96) se všechny interferenční špičky eliminují. Detekční limity pro ⁸⁰Se jsou 5–10 ng L⁻¹; nejnižší BEC ca 13 ng L⁻¹ (O₂), vyšší citlivost v režimu s H₂.
• Arsen v zirkoniové matrici: SQ-KED (He, KED) odstraňuje ArCl polyatomy od ⁷⁵As, ale při vysokém Zr obsahu zůstávají zbytkové interference ZrO. Režim TQ mass shift (As⁺+O₂→AsO⁺ na m/z91) dosahuje podobných BEC (80 ng L⁻¹) s ~2× vyšší citlivostí.
• Kadmium ve zirkoniové matrici: Jednočtvrtečný režim selhává kvůli ZrO·H⁺ a izobarickým interferencím Sn/In na Cd izotopech. Režim TQ on‐mass (Q1 na m/z111 Cd⁺, Q2 O₂ oxiduje pouze ZrO·H⁺→ZrO₂ a vyšší oxidy, Q3 detekuje původní 111Cd⁺) dosahuje BEC 11 ng L⁻¹ a LOD 1,7 ng L⁻¹.

Přínosy a praktické využití metody

• Výrazné snížení detekčních limitů pro stopové prvky v náročných kovových matricích.
• Zvýšení spolehlivosti a reprodukovatelnosti analýzy v QA/QC a výzkumu.
• Aplikace v leteckém, jaderném i chemickém průmyslu pro kontrolu kvality slitin.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření metodiky na další složité matice (např. vzorky s vysokým obsahem V, Mo, Ti).
• Integrace s přímými technikami LA-ICP-MS či GD-MS pro zrychlené mapování povrchů.
• Další automatizace vývoje metod a kontroly kvality prostřednictvím pokročilých softwarových asistentů.

Závěr

Technologie TQ-ICP-MS s vhodně zvolenými pracovními režimy (mass shift, on‐mass) a reaktivními plyny nabízí robustní řešení pro analýzu stopových prvků v kovových matricích, kde běžné SQ metody selhávají. Klíčem je předfiltrace iontů v Q1, selektivní chemické reakce v Q2 a konečná čistá detekce v Q3, což umožňuje spolehlivě detekovat i velmi nízké koncentrace analyzovaných prvků.