高效液相色譜法同時測定鋼鐵及合金中的鋯和鉿

1、高效液相色譜法同時測定鋼鐵及合金中的鋯和鉿項目完成單位：國家鋼鐵材料測試中心項目完成人：彭霞 胡曉燕摘 要 鋯和鉿是性質極其相似的一對伴生元素，因此它們的同時測定一直是分析化學中非常難的一個課題。在Zr、Hf的測定方法中，常見的有分光光度法，X-射線熒光光譜法， ICP-AES及ICP-MS及色譜法，但由于這些方法大多需要進行預分離或預富集，前處理較麻煩。而鋼鐵及合金中的鋯和鉿同時測定的一個主要問題就是基體干擾嚴重。因此，上述方法在鋼鐵及合金中的應用比較少。色譜法在分離及測定復雜基體元素及性質極其相似的元素方面具有別的方法無法比擬的優(yōu)點，尤其是目前國內外有關鋯和鉿的高靈敏度的顯色劑的報道很多，

2、為離子對反相色譜法同時測定鋼中的鋯和鉿的研究提供了便利。本實驗選用5-Br-PADAP與鋯、鉿及F-進行柱前衍生，然后在C18色譜柱上分離，紫外可見分光光度計檢測。討論了柱前衍生、色譜分離及測定的最佳條件。選用乙腈和水（52+48）為流動相，NaF為對離子試劑，鋯和鉿的分離度達到1.75，峰面積與樣品濃度線性范圍為Hf：1.3-200µg/L，Zr：1.6-200µg/L。 本方法可直接測定不含鈮的鋼樣，方法的檢測限為Zr：12.1µg/g，Hf：9.92µg/g；對于含有鈮的樣品，可用萃取分離后來測定，方法的檢出限為Zr： 0.14µg/g

3、，Hf：0.069µg/g。此方法用于高溫合金、電工鋼、硅鋼及中低合金鋼中鋯和鉿的同時測定，結果令人滿意，相對標準偏差小于5。引 言隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是新材料及生命科學的突飛猛進，分析化學正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。冶金分析是冶金生產(chǎn)及金屬材料的研究必不可少的重要環(huán)節(jié)，隨著現(xiàn)代冶金生產(chǎn)工藝的迅猛發(fā)展，冶金分析也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)?；w干擾及復雜成分的分離一直是冶金分析中的一個難題。因此，如何消除基體及其它元素的干擾，實現(xiàn)目標元素的定量，提高方法的選擇性和靈敏度，一直是冶金分析所著力發(fā)展的?，F(xiàn)代高效液相色譜法以其獨特的分離優(yōu)勢，并結合各種高靈敏度、高選擇性的檢測器的開發(fā)以及各種聯(lián)用技術

4、的發(fā)展，開始成為分離復雜基體組分，準確定量的有利工具。鋯、鉿作為鋼中的合金元素，可提高鋼的強度、耐磨、耐腐蝕性等，改善鋼的性能。由于兩者的化學性質極為相似，測定時相互干擾嚴重，同時測定非常困難。本文利用高效液相色譜法的強分離優(yōu)勢，結合光度法的高靈敏度，采用5-Br-PADAP試劑作為柱前衍生試劑，同時測定了鋼中的鋯和鉿。該法靈敏度高，準確度好，可用于鋼鐵及合金中鋯和鉿的同時測定。一、高效液相色譜法概述高效液相色譜法（HPLC）是在經(jīng)典液相色譜法的基礎上，引入氣相色譜的理論和技術，并對經(jīng)典液相色譜法的固定相、設備、材料、技術及理論應用進行了系列改進而發(fā)展起來的。高效液相色譜儀由溶劑罐、高壓輸液泵

5、、樣品注入器、色譜柱、檢測器和溫度控制裝置構成。離子對色譜法是將一種（或數(shù)種）與樣品離子電荷（A+）相反的離子（B-，稱為對離子或反離子）加入到色譜系統(tǒng)的流動相（固定相）中，使其與樣品離子結合生成弱極性的離子對（呈中性締合物）。此離子對不易在水中離解而迅速進入有機相中，存在下述萃取平衡：AWBW（A+·B）O式中，下標W為水相，O為有機相。若固定相為有機相，流動相為水溶液，就構成了反相離子對色譜。二、 實驗方案本實驗選用5-Br-PADAP與鋯、鉿及F-進行柱前衍生，然后在C18色譜柱上分離，紫外可見分光光度計檢測。選用乙腈和水（52+48）為流動相，NaF為對離子試劑，討論了柱前衍

6、生、色譜分離及測定的最佳條件，并建立了離子對反相色譜法直接測定不含Nb鋼鐵及合金中鋯和鉿的分離分析方,同時也建立了萃取分離離子對反相色譜法測定含Nb鋼鐵及合金中的鋯和鉿的分析方法。三、 儀器和試劑1、儀器日本島津（Shimadzu）高效液相色譜儀LC10Ai2、試劑鋯標準溶液(1000µg/mL)；鉿標準溶液（1000µg/mL）；NaF 溶液（1.528×10-3moL.L-1）；5-Br-PADAP溶液（2.5×10-3mol.L-1）；甲醇（優(yōu)級純）；鹽酸（優(yōu)級純）；硝酸（優(yōu)級純）；高氯酸（優(yōu)級純）；磷酸（優(yōu)級純）；硫酸（優(yōu)級純）；檸檬酸（分析純）

7、；氨水（優(yōu)級純）；實驗中所用水為去離子水，流動相所用水為二次蒸餾水。四、 實驗結果與討論1、 顯色條件的選擇1.1酸度考察酸度對鋯、鉿與5-Br-PADAP形成的二元絡合物的影響，發(fā)現(xiàn)鋯、鉿在不同的酸度下，形成兩種不同的絡合物。在酸性條件下（pH3.5-5.5），它們形成的二元絡合物的最大吸收波長max分別為Zr：580nm，Hf：580.5nm；在堿性條件下形成的二元絡和物的最大吸收波長分別為Zr：572，Hf：573nm。鋯、鉿與5-Br-PADAP及F-的三元絡合物只能在酸性條件下形成(pH3.0-5.0)，最大吸收波長max分別為Zr：581.5，Hf：584nm。在pH3.05.0的

8、范圍內，pH值的變化對鋯、鉿的吸光度影響不大（見圖1），在pH值為4.2±0.2處，有最大值。本實驗選取pH4.2±0.2。1.2. 顯色劑的用量當顯色劑5-Br-PADAP的摩爾量大于三十倍鋯或鉿的摩爾量時，鋯、鉿的三元絡合物（Zr(Hf) F-(5-Br-PADAP)）在五分鐘之內穩(wěn)定，二十四小時不變化，且吸光度的大小不再隨5-Br-PADAP的用量的增加而變化（見圖2）。當顯色劑的用量僅稍大于鋯和鉿的摩爾量時，鋯的絡和物跟大于三十倍時一樣，鉿的絡和物則需要一個小時以上才能穩(wěn)定。本實驗選取5-Br-PADAP的用量大于30倍鋯和鉿的摩爾量。1.3 NaF溶液的用量試驗表

9、明，只有當NaF的摩爾用量大于四倍鋯和鉿的摩爾量時，才能得到穩(wěn)定的峰面積。本實驗選取NaF溶液(1.5×10-3mol.L-1)2.5mL。1.4. 鋯和鉿的吸收光譜及穩(wěn)定性 圖2 5-Br-PADAP濃度的影響圖1 酸度對鋯鉿絡和物的吸光度的影響圖3是鋯和鉿的吸收光譜?？梢钥闯?，鋯和鉿對試劑的吸收曲線基本一致，并且嚴重重疊，最高峰僅差2.5nm，最大吸收波長分別為Zr：572nm，Hf：573nm。絡和物調節(jié)好酸度5min后立即穩(wěn)定，24h以內不變化。2.2色譜條件的選擇：圖3 鋯和鉿的吸收光譜圖2、 色譜條件的選擇本實驗選擇目前最為常用的鍵合十八烷基（ODS）硅烷固定相C18柱。

10、當只用一根色譜柱時，鋯和鉿不能完全分離，用兩根色譜柱串聯(lián)時，鋯和鉿的分離度達到1.75以上，因此，選用兩根色譜柱串聯(lián)。柱溫從室溫（20）開始上升，每隔5測定一次鋯和鉿的保留值和峰面積。結果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，二者的保留值均有降低。而溫度的變化對兩者峰面積和分離度的影響不大，我們選擇柱溫為40。2.2. 流動相中乙腈濃度和pH的選擇考察甲醇、乙腈、四氫呋喃、異丙醇、辛烷磺酸鉀和水的二元或三元混合體系，發(fā)現(xiàn)選乙腈和水的混合液作流動相時，可以達到分離的目的，流動相的流速1.0mL/min，改變流動相中乙腈的體積含量，結果發(fā)現(xiàn)，隨著流動相中乙腈含量的減少，鋯和鉿的絡和物的保留值逐漸增大。乙腈含量對峰

11、面積的影響不大。實際選擇乙腈的含量為52，此時二者的分離度較大，保留時間適中。由于鋯、鉿的三元絡和體系只能在酸性條件下形成（pH3.0-5.0）,最佳顯色酸度為pH4.2±0.2，因此，為了保持絡和物的穩(wěn)定性，流動相的酸度也選在這個范圍內（見圖45）。實驗表明，在此范圍內，pH值增大，峰的保留時間變大，分離度增大。而峰面積在此范圍內變化不大。最佳的pH范圍為4.2±0.1，此時分離度最大，保留時間也不是很大。2.3 測定波長由鋯、鉿的吸收光譜圖可知，鋯鉿在波長為581-585nm之間吸光度最大，在波長581585nm范圍內，考察波長對鋯和鉿的色譜行為的影響（實驗結果見圖2.

12、5），發(fā)現(xiàn)在波長583nm處，鋯和鉿有最大峰面積。本實驗選波長為583nm。HfZr 圖5 乙腈含量對分離度的影響圖4 乙腈含量對保留時間的影響 2.3 測定波長由鋯、鉿的吸收光譜圖可知，鋯鉿在波長為581-585nm之間吸光度最大，在波長581585nm范圍內，考察波長對鋯和鉿的色譜行為的影響（實驗結果見圖2.5），發(fā)現(xiàn)在波長583nm處，鋯和鉿有最大峰面積。本實驗選波長為583nm。2.4 對離子試劑及其濃度考察SDS、檸檬酸、磷酸鈉、NaF、KCl、異丙醇等幾種常用的對離子試劑或它們的二元混合體系，發(fā)現(xiàn)用F-作對離子試劑時，峰型好，峰的保留時間適中，分離度高。對離子試劑的濃度對鋯鉿色譜行

13、為的影響見圖.67（圖中NaF溶液的濃度為1.5×10-3mol.L-1，流動相的總體積100mL）。由實驗結果可知，對離子試劑NaF的最佳濃度為1.53.0×10-4mol.L-1（即圖中的1020mLNaF溶液）。圖6 對離子試劑的濃度與分離度Rs的關系圖7 對離子試劑NaF的濃度與保留時間的關系3、干擾的測定考察常見金屬元素對1µg鋯的干擾情況，其中，Bi、Se、Te、Li、Pt、Al、Tl、As、Ag、Na、K、Rh、Co、Ti、Cu、Ni、Cr、Sn、Pb 、Sb、Zn 、Hg、Mn、Cd、Ca等離子允許量都在2mg以上，其它元素，如Fe、V、Mo、Mg

14、、Sr、Ba等元素的允許量在1mg左右，干擾比較嚴重的元素有La和Ce，允許量在800µg左右，干擾特別嚴重的元素有W和Nb，它們的允許量都在1µg以下。 相對于金屬離子來說，陰離子的干擾比較嚴重，對于1µg的鋯，常見的B（600µg），Si(SiO42-)(600µg)，S（SO42-）（500µg），P（PO43-）（200µg）；而對于5µg的鋯，常用的鹽酸的允許量為2×10-5mol，硝酸的允許量為3×10-6mol，雙氧水的允許量為5×10-6mol，檸檬酸的允許量為1

15、15;10-7mol。4. 硫酸反萃取鋯和鉿的回收率及萃取酸度對鉿的萃取回收率的影響。在46鹽酸介質中，用苯萃取鋯和鉿與鉭試劑生成的絡和物，用7mol.L-1硫酸反萃取鋯和鉿，結果發(fā)現(xiàn)在此條件下，鋯基本上能完全回收，而鉿的回收率只能達到95.1%。檢測鉿萃取后的水溶液，發(fā)現(xiàn)仍有6.5左右的鉿留在萃取后的水溶液中，說明在此條件下，鉿的萃取不完全。繼續(xù)考察萃取酸度對鉿的影響，其結果見表1。由表中結果可知，在46mol.L-1的鹽酸介質中，鉿有最大的回收率。 因此，本實驗選鋯和鉿的萃取酸度為46mol.L-1的鹽酸介質。 表1 萃取酸度對鉿的萃取回收率的影響(1.6µg/50mLHf標液)

16、HCl的濃度（mol.L-1）Hf 峰面積Hf 回收率（）31569989.541668995.761642795.391576589.9A05625.標準曲線的繪制5.1鋯的工作曲線在數(shù)個50mL的容量瓶中，分別加入一系列鋯的標準溶液，準確加入一定量的鹽酸，配成含鹽酸介質10%的不同濃度的鋯標準溶液，再準確量取不同濃度的鋯標準溶液1mL于不同的50mL的容量中，加10mL5-Br-PADAP，1mLNaF儲備液，20mL無水乙醇，氨水及鹽酸調pH值到4.2±0.2，再用水稀釋到刻度，搖勻。NO.42濾紙過濾，取慮液100µL，20µL定量閥進樣。根據(jù)峰面積和鋯的

17、濃度繪制工作曲線。5.2 鉿的工作曲線在數(shù)個50mL的容量瓶中，分別加入不同量的標準溶液，按萃取法的操作方法來操作，根據(jù)峰面積和鉿的濃度作工作曲線。6線性范圍、檢測限和重現(xiàn)性。6.1 萃取分離離子對反相色譜法同時測鋼鐵及合金中的鋯和鉿鋯的工作曲線用標液直接顯色來繪制，鉿的工作曲線用標液按萃取法操作以后的結果來繪制，其結果見表2。方法的重現(xiàn)性以重復測定同一鋼樣的相對標準偏差（RSD）來表示。對Hf為33µg.g-1的鎳基高溫合金與Zr為0.023的硅鋼重復測定七次，得到鋯的RSD為3.1，Hf的RSD為3.9。圖8為鋯和鉿的分離色譜圖。表2 工作曲線和檢測限化合物線性范圍（µ

18、g.L-）回歸方程回歸系數(shù)R2方法檢出限（µg.g-1）Zr(IV)-F-5-Br-PADAP1.6200Y1010.6X-1567.30.99990.14Hf(IV)-F-5-Br-PADAP0200Y=330.85X+5079.11.000.0696.2 直接測定在0.1µg/50mL10µg/50mL繪制鋯和鉿的工作曲線，其結果見表3。 方法的重現(xiàn)性以重復七次測定同一鋼樣的相對標準偏差（RSD）來表示。鋯的RSD為1.3，鉿的RSD為2.2。表3 方法的線性范圍化合物線性范圍（µg.L-）回歸方程回歸系數(shù)R2方法檢出限（µg.g-1）Zr

19、-F-5-Br-PADAP1.6200Y1010.6X-1567.30.999912.1Hf-F-5-Br-PADAP1.3200Y574.53X-758.520.99989.92圖8 鋯和鉿的分離色譜圖ZrHf7 實際樣品的檢測結果及加標回收率根據(jù)以上的方法，測定實際樣品，其結果見表 4，5，6。表4和表5是萃取法的測定結果，其中表4測的是含鋯的標鋼中加鉿標液，而表5是含鋯標鋼與含鉿標鋼混合樣品。表6是直接測定的結果，我們測定了不含鈮的純鐵、碳素鋼中鋯和鉿的加標回收率。表4 實際樣品的測定結果樣品鉿的加入量（µg）鋯的原量（）Hf 的平均回收率 Zr的測得量（） （） 中低合金鋼Y

20、SBC11216-941000.15697.20.152硅鋼 GBW013911400.02398.30.0223高溫合金YSBC11517-991000.1296.20.118中低合金鋼YSBC11215-94500.003696.40.00368表5 混合樣品的測定結果含鉿的樣品 含鋯的樣品 樣品標準值(%)Hf Zr測定結果（）Hf Zr鎳基高溫合金,GBW01639硅鋼,GBW013910.00330.0230.003130.0217鎳基高溫合金,GBW01639中低合金鋼,YSBC11218-940.00330.0390.003170.0377表6 鋯和鉿的加標回收率鋼樣（約0.05

21、g）鋯加入量（µg）鉿加入量(µg)鋯回收率（）鉿回收率（）相對標準偏差（）Zr HfYSBC11001e-99純鐵508097.9 95.2 96.8 95.9 96.1 97.3 95.4 95.9 97.6 94.9 99.397.5 96.3 96.9 97.2 97.9 96.7 96.4 95.6 96.0 95.3 98.71.41.0GSBA40083-94碳素鋼508097.3 95.9 95.3 96.3 94.9 98.2 95.7 97.3 98.1 94.6 96.794.8 95.2 95.7 94.9 95.6 94.2 96.0 95.7 9

22、4.9 96.2 95.1 1.32.2五、結論本實驗建立了一種同時測定鋼中鋯和鉿的新方法：離子對反相色譜法同時測定鋼中的鋯和鉿，具體情況如下：1、 建立了柱前衍生反應條件1.1 選用5-Br-PADAP為顯色劑，考察了鋯和鉿與5-Br-PADAP及F-形成三元絡和物的條件及絡和物的性質：酸度、5Br-PADAP的用量、穩(wěn)定性。1.2 考察了F-的用量對絡和物穩(wěn)定性及吸光度的影響。2、 建立了同時測定鋯和鉿的色譜條件2.1 選擇兩根C18色譜柱串聯(lián)來分離測定鋼中的鋯和鉿2.2 流動相選擇乙腈和水，F(xiàn)-為對離子試劑，考察了流動相的酸度、配比、對離子試劑及其濃度對鋯和鉿分離度、選擇性和靈敏度的影響

23、。2.3 考察了柱溫對分離的影響，最后選擇柱溫40作為分離測定鋯和鉿的柱溫。2.4 考察了波長對鋯和鉿分離測定的影響，選波長583nm作為鋯和鉿同時測定的波長。2.5 通過改變色譜條件，首次使鋯和鉿的分離度達到1.5以上，解決了鋯和鉿分離困難的難題。3、考察了五十幾種陰陽離子的干擾情況，首次系統(tǒng)全面的考察了鋼中各種陰陽離子對鋯和鉿的測定的干擾情況。4、首次把色譜法同時測定鋯和鉿應用于基體和干擾極其復雜的鋼鐵材料及高溫合金中。4.1 創(chuàng)建了色譜法直接測定不含鈮鋼材及合金中的鋯和鉿的新方法。4.2 創(chuàng)建了萃取分離測定含鈮鋼鐵及合金中的鋯和鉿的新方法。5、為鋯和鉿的同時測定提供一種新方法，為標鋼定值

24、提供一種準確實用的新手段，本方法檢測限低（Zr：0.14µg/g ,Hf：0.069µg/g），靈敏度高，精密度好（RSD<5%），可用于鋼鐵中鋯和鉿的同時測定。參考文獻1 M.KHALIFA, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Articles, Vol.125, NO.1(1998)11-172 I. P. Alimarin, Talanta, 34(1),103-10 ,19873 Thomas R. Dulski, Talanta, vol.29, PP.467-471, 19824 Zhang

25、guizhu， Rare Metals, Vol.12, NO.4, PP.301-304 (1993)5 Takushi Ito, Analyst, April. 1986,vol.111, PP423-4277 Stanis Lawk, Talanta, 27(6), 529-34 (1980)8 Harald Knote and Villam Krivan, Anal. Chem. 1982, 54, 1858-18629 N. KOETE, Analytica Chimica Acta,146,267-270 (1983)10 Analyst ,125(3),453-457 ,2000

26、11 Brad A. Mckelvey, Marine Chemistry , 60(1998) ,245-25512 S. Oszwaldowski. R. Lipka., M. Jarosz, Analytica Chimica Acta. 361(1998) 177-187 附件：高效液相色譜法同時測定鋼鐵及合金中的鋯和鉿分析方法1. 范圍 本方法規(guī)定了高效液相色譜法同時測定鋼鐵及合金中的鋯和鉿的方法。本法可直接測定不含Nb鋼鐵及合金中的鋯和鉿，測定范圍為Zr9.92µg/g，Hf 12.1µg/g，采用鉭試劑萃取消除Nb及其它素的干擾后，可測定含Nb鋼鐵及合金中的鋯

27、和鉿，測定范圍為Zr0.14µg/g ,Hf0.069µg/g。2. 原理樣品經(jīng)溶解、萃取以后，在適宜的酸度下與5Br-PADAP及F-形成三元絡合物，然后直接進入高效液相色譜儀中進行分離測定，根據(jù)峰面積進行定量分析。3. 試劑除非另有說明，在分析中僅使用優(yōu)級純的試劑和去離子水，流動相使用二次蒸餾水配制，使用前用0.45µm的膜濾器過濾。3.1 鹽酸，約1.19g/mL。3.2 硝酸，約1.42g/mL。3.3 氫氟酸，約1.15 g/mL3.4 硫酸，約1.84 g/mL3.5 磷酸，約1.69g/mL3.6 鋯標準溶液，1000µg/mL。準確稱取3

28、.5328g氯氧化鋯（ZrOCL2.8H2O,99.99%，預先置于干燥器中儲存24h以上）置于500mL燒杯中，加入50mL鹽酸，加熱溶清，冷卻，移入1000mL容量瓶中，加入50mL鹽酸，用水稀釋到刻度，搖勻。使用時稀釋成1µg/mL的工作溶液。3.7 鉿標準溶液，1000µg/mL。準確稱取0.5879g HfO2(99.99%，預先經(jīng)110烘2h，置于干燥器中，冷卻至室溫)置于鉑坩堝中，加入10mL氫氟酸和數(shù)滴硝酸，加熱溶解，冷卻，加入200mL硫酸，蒸發(fā)至冒煙，除氟，至溶液清亮，冷卻，用1：15的硫酸移入50mL容量瓶中，用水稀釋到刻度，搖勻。使用時稀釋成1

29、81;g/mL的工作溶液。3.8 NaF溶液，1.528×10-3mol/L。準確稱取1.283gNaF于50mL燒杯中，加水溶清，移入200mL容量瓶中，用水稀釋到刻度，搖勻。3.9 5-Br-PADAP溶液，2.5×10-3 mol/L。準確稱取0.2183g 5-Br-PADAP試劑于50mL燒杯中，加無水乙醇使其溶解，溶液移入250mL容量瓶中，用水稀釋到刻度，搖勻。4. 儀器與設備4.1 日本島津（Shimadzu）LC-10Ai型HPLC儀（帶CLASS-10Ai色譜工作站）4.2 Kromasil C18色譜柱（5m，150mm´4.6mm，北京分析儀器廠）4.3 PHHJ908酸度計（北京海淀航天計算機公司）4.4 UV-160A分光光度計（Shimadzu）。