光谱学与光谱分析, 2021, 41 (2): 618, 网络出版: 2021-04-08  

丙二醇甲醚中超痕量金属杂质元素的ICP-MS/MS分析

Analysis of Ultra-Trace Metal Impurity Elements in Proprylene Glycol Monomethyl Ether Using Inductively Coupled Plasma Tandem Mass Spectrometry
作者单位
湖南工学院新型建筑材料研究院, 湖南 衡阳 421002
摘要
基于电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)建立了准确测定丙二醇甲醚中超痕量金属杂质元素的分析方法, 提出了利用混合反应气消除质谱干扰的新策略。 丙二醇甲醚经超纯水稀释后直接采用ICP-MS/MS测定其中具有挑战性的超痕量金属元素Mg, Al, K, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu和Zn, 在MS/MS模式下, 选择混合气NH3/He/H2为反应气, Ti+, Cr+, Fe+, Ni+, Cu+, Zn+与NH3发生质量转移反应, 在形成的团簇离子中, Ti(NH3)6+, Cr(NH3)2+, Fe(NH3)2+, Ni(NH3)3+, Cu(NH3)2+和Zn(NH3)+丰度高且无干扰, 利用NH3质量转移法将Ti+, Cr+, Fe+, Ni+, Cu+和Zn+转移为相应的团簇离子进行测定; H2能与加合物—NH和—NH2反应生成—NH3, 增大碰撞/反应池(CRC)内—NH3的浓度, 有利于提高Ti, Cr, Fe, Ni, Cu和Zn的分析灵敏度。 Mg+, Al+, K+和V+几乎不能与NH3反应, 而干扰离子能与NH3反应形成团簇离子, 可以利用NH3原位质量法进行Mg, Al, K, V的测定; H2能快速与Ar基干扰离子发生反应, 而与其他离子的反应速度很慢, 反应气中加入H2能迅速彻底消除Ar基干扰离子所形成的质谱干扰, 有利于Mg, Al, K和V的测定。 优选Sc+与NH3反应生成的团簇离子Sc(NH3)5+为Ti(NH3)6+, Cr(NH3)2+, Fe(NH3)2+, Ni(NH3)3+, Cu(NH3)2+和Zn(NH3)+的内标离子, Be+与NH3反应生成的团簇离子Be(NH3)4+为Mg+, Al+, K+和V+内标离子, 校正了样品溶液, 标准溶液和空白溶液之间由于物理化学性质差异产生的基体效应, 确保了分析信号的稳定。 将所建立的方法应用实际样品的加标回收实验, 并采用双聚焦扇形磁场电感耦合等离子体质谱(SF-ICP-MS)进行对比分析, 评价分析方法的准确性。 结果表明, 各元素的检出限为0.52~61.5 ng·L-1, 加标回收率为95.6%~104.2%, 相对标准偏差(RSD)≤4.5%; 在95%的置信度水平, 所有元素的分析结果与SF-ICP-MS的测定结果无显著性差异, 验证了分析方法的准确性好, 精密度高。 将方法应用于丙二醇甲醚中超痕量金属杂质元素的测定, 具有分析速度快, 无干扰, 灵敏度高的优势。
Abstract
Based on inductively coupled plasma tandem mass spectrometry (ICP-MS/MS), an analytical method for the accurate determination of ultra-trace metal impurity elements in propylene glycol methyl ether (PGME) was established, and mixed reaction gas was used to eliminate the spectral interference. The challenging ultra-trace metal elements including Na, Mg, Al, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, and Zn in diluted PGME were determined directly by ICP-MS/MS. In the MS/MS mode, the mixed gas NH3/He/H2 was selected as the reaction gas. Ti+, Cr+, Fe+, Ni+, Cu+, Zn+ and NH3 undergo mass shift reactions. Among the large number of cluster ions formed, Ti(NH3)6+, Cr(NH3)2+, Fe(NH3)2+, Co(NH3)2+, Ni(NH3)3+, Cu(NH3)2+, Zn(NH3)+ have high abundances and interference-free, Ti+, Cr+, Fe+, Ni+, Cu+, Zn+ can be transferred to the corresponding cluster ions for determination by NH3 mass shift method. H2 can react with the adducts —NH and —NH2 to form —NH3. Increasing the concentration of —NH3 in the collision/reaction cell (CRC) will help to improve the analytical sensitivity of Ti, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn. Mg+, Al+, K+, V+ can hardly react with NH3, and the interference ions can react with NH3 to form cluster ions. The NH3 on-mass method can be used to determine the contents of Mg, Al, K, and V. Argide ions react with H2 at a relatively fast rate, while nearly all elemental ions exhibit low reactivity with H2. Therefore, the addition of H2 to the reaction gas can quickly and completely eliminate the spectral interference caused by Argide ions, which is beneficial to the determination of Mg, Al, K, and V. The cluster ions Sc(NH3)5+ generated by the reaction between Sc+ and NH3 were selected as the standard internal ions of Ti(NH3)6+, Cr(NH3)2+, Fe(NH3)2+, Ni(NH3)3+, Cu(NH3)2+, and Zn(NH3)+. The cluster ions Be(NH3)4+ generated by the reaction between Be+ and NH3 were selected as the standard internal ions of Mg+, Al+, K+, and V+. The matrix effect caused by the difference of physical and chemical properties between sample solution, standard solution and the blank solution was corrected to ensure the stability of the analytical signal. The developed method was applied to the spike recovery experiment of real samples, and the accuracy was evaluated by comparing and analyzing with sector field inductively coupled plasma mass spectrometry (SF-ICP-MS). The results show that the limit of detection is 0.52~61.5 ng·L-1, the spiked recovery is 95.6%~104.2%, and the relative standard deviation (RSD) is ≤4.5%. At the 95% confidence level, there is no significant difference between the analysis results of analytes and that of SF-ICP-MS, which verifies the accuracy and precision of this analysis method. The method shows great potential for determining the ultra-trace metal impurity elements in PGME, and has the advantages of rapid, interference-free and high sensitivity.

1 引言

丙二醇甲醚(PGME)是同时含有亲水基团和疏水官能团的低毒环保有机溶剂[1], 对极性和非极性化合物都表现出良好的溶解能力, 是传统溶剂乙二醇醚的理想替代品, 作为通用溶剂广泛应用于化工、 制药、 电子、 材料、 冶金等领域[2]。 在半导体行业, PGME用作光阻稀释剂、 剥离剂、 光阻去除液, 工业用清洗剂和去光阻缓冲液[3], 其金属杂质元素含量过高会严重影响电子化学品的性能和可靠性, 随着微电子技术的不断升级, 对PGME的金属杂质元素含量要求也越来越高, 在超痕量水平上进行金属杂质元素的检测至关重要。

电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)由于其高灵敏度、 低检出限和快速的多元素分析能力, 被认为是分析化学中最强大和应用最广泛的分析技术[4,5,6], 是半导体工业中测定痕量金属杂质元素的首选技术[7]。 然而, 采用四极杆ICP-MS(ICP-QMS)测定PGME中的金属杂质元素非常具有挑战性, 因为这些金属杂质元素的浓度通常很低, 而且极易受到严重质谱干扰。 目前, ICP-QMS消除质谱干扰最通用的方法是使用碰撞/反应池(CRC)技术[8], 然而, 在He碰撞模式下无法有效消除诸如同量异位素, 双电荷离子的干扰; 在反应模式下, 不可控制的反应历程以及在CRC内不可预知的副反应产物可能对分析离子构成新干扰, 影响分析结果的准确性和稳定性。

电感耦合等离子体串联质谱法(ICP-MS/MS)在CRC和等离子体之间配置一级四极杆质量过滤器(Q1), 仅允许与目标离子具有相同质荷比(m/z)的离子进入CRC内, 目标离子或干扰离子与反应气发生质量转移反应后通过二级四极杆质量过滤器(Q2)再次过滤使目标离子进入检测器, 几乎可以完全消除所有质谱干扰[9,10]。 采用ICP-MS/MS对PGME中易受干扰的超痕量金属杂质元素Mg, Al, K, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu和Zn进行测定, 利用混合反应气NH3/He/H2消除质谱干扰, 旨在建立灵敏度高, 选择性好, 消除干扰彻底的高通量分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器及参数

Agilent 8800电感耦合等离子体串联质谱仪(ICP-MS/MS, 美国Agilent公司)。 Milli-Q纯水系统(美国Millipore公司)。 ICP-MS/MS的参数设置见表1

表 1. ICP-MS/MS的操作参数

Table 1. ICP-MS/MS operating parameters

ParameterSetting
RF power/W1 550
Carrier gas flow/(L·min-1)1.05
Make up gas flow/(L·min-1)0.25
Sampling depth/mm8
Cell gasNH3/He/H2(10% NH3 in He)
Cell gas flow rate/(mL·min-1)NH3/He: 2.8; H2=2.0
ORS bias voltage/V-18
KED voltage/V-8

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1.2 标准溶液与试剂

1 000 mg·L-1的Mg, Al, K, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Be和Sc单元素标准溶液(国药集团化学试剂有限公司); 电子级PGME购于上海, 广州, 扬州。

1.3 方法

将PGME用超纯水稀释10倍后直接采用ICP-MS/MS测定, 利用T型内标混合接头在线加入1 mg·L-1的Be, Sc混合内标溶液。

2 结果与讨论

2.1 分析模式的选择

考察了在不同分析模式下分析元素的背景等效浓度(BEC), 在单四极杆(SQ, Q1无过滤功能)模式下对无气体和He碰撞气进行了评价, 在MS/MS模式(Q1和Q2均具有离子过滤功能)下, 对反应气NH3/He和混合反应气NH3/He/H2进行了评价, 以确定MS/MS模式下使用混合反应气的优势, 结果见表2

表 2. 在不同分析模式下分析元素的背景等效浓度(BEC)

Table 2. Background equivalent concentrations (BEC) of analytes in different analysis modes

IsotopePotential interferencesBEC/(ng·L-1)
SQ modeMS/MS mode
no gasHeNH3/HeNH3/He/H2
24Mg12C2, 23Na1H, 7Li17O, 48Ti++, 48Ca++2 97041129.831.2
27Al12C15N, 12C14NH86020277.375.4
39K38ArH, 23Na16O189 00065 30012684.3
48Ti32S16O, 34S14N, 33S15N, 14N16O18O, 36Ar12C1 56087.421.016.7
51V35Cl16O, 36Ar14NH, 34Ar16OH, 36Ar13C, 36Ar15N47915.38.165.04
52Cr40Ar12C, 35Cl16OH, 36Ar16O, 38Ar14N, 36Ar15N1H2 17073.641.435.8
56Fe40Ar16O, 40Ca16O, 40Ar15N1H, 38Ar18O, 112Cd++1 81042512294.1
60Ni23Na36ArH, 23Na37Cl, 44Ca16O, 59CoH31649.721.817.6
63Cu23Na40Ar, 23Na40Ca, 12C16O35Cl, 12C14N37Cl, 46Ca16OH17751.340.534.4
66Zn34S16O2, 48Ti18O, 48Ca18O, 32S17O2, 33S17O16O, 32S34S22314811689.5

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在SQ无气体模式下, 由于没有消除质谱干扰, 所有分析元素的BEC均处于较高水平, 采用He碰撞气可以将大多数元素的干扰消除至较低水平, 但Mg, K, Ti, Cr的BEC仍然处于较高水平, 尤其是K的BEC太高无法进行准确测定。 在MS/MS模式下采用NH3/He反应气, 除Fe以外, 所有元素的BEC均降低到100 ng·L-1以下, 由于24Mg+, 27Al+, 39K+, 51V+不与NH3/He反应, 而这些同位素的干扰离子能与NH3/He反应形成团簇离子, 设置Q1=Q2=24, 27, 39和51, 利用原位质量法消除干扰; 而对于48Ti+, 52Cr+, 56Fe+, 60Ni+, 63Cu+, 66Zn+, 优选丰度高且无干扰的产物离子48Ti(14NH3)6+, 52Cr(14NH3)2+, 56Fe(14NH3)2+, 60Ni(14NH3)3+, 63Cu(14NH3)2+, 66Zn(14NH3)+为监测离子, 设置Q1=48, 52, 56, 60, 63, 66, Q2=150, 86, 90, 111, 97, 83, 利用质量转移法消除干扰。 在MS/MS模式下采用混合反应气NH3/He/H2, 从表2可以看出, 对于低质量同位素24Mg+27Al+的BEC基本无影响, 但能降低其余8个分析同位素的BEC, 在原位质量法消除干扰过程中, H2能迅速与Ar基干扰离子反应[11], 由于24Mg+27Al+没有受到Ar基离子的干扰, H2消除干扰作用不明显, 而对于39K+51V+, 由于受到Ar基离子的干扰, 加入少量H2的作用明显, 降低了39K+51V+的BEC; 在质量转移法消除干扰过程中, 加入少量H2能与加合物—NH, —NH2反应生成加合物—NH3, 而本实验采用质量转移法进行的监测离子以及相应内标离子均为M(NH3)x+(其中M分别为Ti, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Be, Sc), 因此, 加入的少量H2能提高CRC内—NH3的浓度, 促进形成了更多的监测离子。 因此, 无论是原位质量法还是质量转移法消除干扰, 向NH3/He中加入少量H2消除干扰更彻底, 本实验在MS/MS模式下选择混合反应气NH3/He/H2消除干扰。

2.2 质谱干扰的消除

为了验证ICP-MS/MS消除干扰的能力, 在1 μg·L-1的Mg, Al, Ti, V, Cr, Ni, Cu和Zn标准溶液中添加100 mg·L-1干扰物, 计算分析元素的回收率。 从表3可以看出, 在SQ无气模式下, 所有元素受到了严重的质谱干扰, 回收率均大于200%, 而在MS/MS模式下采用NH3/He/H2反应气, 所有元素的回收率在97.5%-103.4%之间, 获得了准确的结果。

表 3. 不同模式下用于消除干扰实验的回收率

Table 3. Recovery of interference removal experiment in different modes

AnalyteInterferenceRecovery/%
Added interferentInterfering ionNo gas modeNH3/He/H2 reaction mode
24MgC (Ethanol)12C2+307101.3
27AlC (Ethanol)12C15N+, 12C14NH+22399.1
39K/38ArH+85198.6
48TiS (SO42-)32S16O+, 34S14N+1 260102.5
51VCl (Cl-)35Cl16O+208100.7
52CrC (Euhanol)40Ar12C+715101.6
56Fe/40Ar16O+1 07097.5
60NiNa (Na+)23Na36ArH+32299.1
63CuNa (Na+)23Na40Ar+450103.4
66ZnS (SO42-)34S16O2+, 32S17O2+27998.9

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2.3 NH3/He反应气流速的优化

为了在反应模式下获得最合适的NH3/He反应气流速, 将1 μg·L-1的Mg, Al, V, Ti, Cr, Ni, Cu和Zn标准溶液加入100 mg·L-1干扰物, 对分析离子进行扫描, 考察不同NH3/He流速对监测离子信号强度的影响, 结果见图1

图 1. NH3/He反应气流速的优化
(a): 原位质量法; (b): 质量转移法

Fig. 1. Optimization of the NH3/He reaction gas flow rate
(a): On-mass method; (b): Mass shift method

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图1(a)可以看出, 随着NH3/He流速的增加, Mg+, Al+, K+和V+的信号强度逐渐减小, 干扰逐渐消除, 当NH3/He流速分别达到2.6, 2.8, 2.7和2.4 mL·min-1时, 4个分析离子的信号强度处于较低水平, 随后增大NH3/He流速, 分析离子的信号强度基本保持平稳状态, 采用原位质量法消除干扰时的最佳NH3/He流速为2.8 mL·min-1。 由图1(b)看出, 随着NH3/He流速的增加, 6个分析离子的信号强度逐渐增大, 团簇离子逐渐形成, 当NH3/He流速分别达到2.5, 2.6, 2.4, 2.5, 2.4和2.6 mL·min-1时, 6个团簇离子的信号强度处于最大值, 随后增大NH3/He流速, 6个团簇离子的信号强度开始缓慢降低, 采用质量转移法消除干扰时最佳NH3/He流速为2.6 mL·min-1。 为确保原位质量法消除干扰彻底, 并确保质谱转移法的灵敏度均处于较高水平, 本实验最终选择NH3/He流速为2.8 mL·min-1

2.4 基体效应的校正

针对ICP-MS/MS分析过程中的基体效应, 通过加入内标元素Be和Sc进行校正。 在NH3/He/H2反应模式下, Be+与NH3反应形成的团簇离子Be(NH3)4+与Mg+, Al+, K+和V+质量数接近且有相似的质谱行为, Sc+与NH3反应形成的团簇离子Sc(NH3)5+质量数接近且有相似的质谱行为, 因此, 实验选择Be(NH3)4+为Mg+, Al+, K+和V+的内标离子, 选择Sc(NH3)5+为Ti(NH3)6+, Cr(NH3)2+, Fe(NH3)2+, Ni(NH3)3+, Cu(NH3)2+和Zn(NH3)+作为内标离子, 校正了基体效应, 并有效防止了分析信号漂移, 确保了分析信号稳定。

2.5 校准曲线与检出限

为评价ICP-MS/MS的分析性能, 配制不同浓度的分析元素标准溶液建立校准曲线。 从表4可以看出, 10个分析元素在0~100 μg·L-1范围内的线性相关系数r≥0.999 7, 所有分析元素的线性关系良好。 各元素的检出限(LOD)为0.52~61.5 ng·L-1, 能满足PGME中超痕量金属杂质元素的测定要求。

表 4. 校准数据与检出限

Table 4. Calibration data and instrumental limits of detection (LOD)

ElementLinear range
/(μg·L-1)
Coefficient
(r)
LOD
/(ng·L-1)
ElementLinear range
/(μg·L-1)
Coefficient
(r)
LOD
/(ng·L-1)
Mg0~1000.999 915.1Cr0~1001.000 02.18
Al0~1001.000 017.2Fe0~1000.999 835.3
K0~1000.999 861.5Ni0~1001.000 09.75
Ti0~1000.999 73.84Cu0~1000.999 95.81
V0~1001.000 00.52Zn0~1000.999 840.6

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2.6 方法的准确性与精密度

采用实际样品进行加标回收实验验证方法的准确性与精密度, 并采用双聚焦扇形磁场ICP-MS(SF-ICP-MS)对加标样品进行了对比分析, 应用t检验法进行统计分析, 样品重复测定6次, 结果见表5。 加标回收率为95.6%~104.2%, RSD≤4.5%, ICP-MS/MS的测定结果与SF-ICP-MS无显著性差异(p>0.05), 验证了方法的准确性好, 精密度高。

表 5. 方法的准确性和精密度(n=6)

Table 5. The accuracy and precisions of method (n=6)

ElementSpiked
/(μg·L-1)
Found by ICP-MS/MS
/(μg·L-1)
RSD
/%
Recovery
/%
Found by SF-ICP-MS
/(μg·L-1)
t test
Mg5.005.12±0.234.5102.45.08±0.19p=0.37
Al5.004.91±0.112.298.24.85±0.12p=0.15
K5.004.88±0.102.097.64.94±0.15p=0.21
Ti5.005.09±0.152.9101.85.16±0.21p=0.26
V5.005.17±0.193.7103.45.05±0.24p=0.18
Cr5.004.83±0.142.996.64.74±0.18p=0.11
Fe5.005.21±0.203.8104.25.13±0.16p=0.23
Ni5.004.78±0.081.795.64.82±0.12p=0.26
Cu5.004.81±0.214.496.24.85±0.09p=0.33
Zn5.005.19±0.142.7103.85.07±0.10p=0.06

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2.7 样品分析

选取分别购于上海, 广州, 扬州的电子级PGME样品(样品编号1, 2, 3), 采用所建立的ICP-MS/MS进行分析, 同时采用SF-ICP-MS进行分析, 每个样品重复测定6次。 从表6可以看出, 3种电子级PGME样品中的金属杂质元素均处于ng级水平, ICP-MS/MS与SF-ICP-MS的分析结果基本一致。

表 6. PGME中10个超痕量金属元素的分析结果(ng·g-1, n=6)

Table 6. Analytical results for determination of 10 ultra-trace metal elements in PGME (ng·g-1, n=6)

ElementSample 1Sample 2Sample 3
ICP-MS/MSSF-ICP-MSICP-MS/MSSF-ICP-MSICP-MS/MSSF-ICP-MS
Mg2.56±0.032.34±0.041.87±0.031.92±0.022.15±0.042.20±0.05
Al1.36±0.021.41±0.022.05±0.022.09±0.033.61±0.053.53±0.04
K2.23±0.012.19±0.034.59±0.054.66±0.081.20±0.021.31±0.05
Ti2.80±0.053.01±0.071.50±0/021.43±0.031.97±0.031.83±0.03
V1.62±0.031.57±0.020.75±0.010.79±0.011.84±0.051.68±0.02
Cr0.93±0.011.04±0.032.40±0.032.31±0.022.75±0.032.82±0.03
Fe5.10±0.125.23±0.103.65±0.053.71±0.048.06±0.137.82±0.16
Ni1.66±0.021.74±0.030.69±0.010.64±0.011.73±0.041.81±0.04
Cu4.77±0.084.92±0.092.87±0.042.82±0.063.21±0.033.39±0.05
Zn3.45±0.043.36±0.051.21±0.011.16±0.022.27±0.022.32±0.02

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3 结论

采用ICP-MS/MS对电子级PGME中的10种超痕量金属杂质元素进行了准确测定。 在MS/MS模式下, 选择混合反应气NH3/He/H2消除质谱干扰更彻底, 利用内标元素校正了基体效应。 各元素的检出限为0.52~61.5 ng·L-1, 实际样品的加标回收率为95.6%~104.2%, RSD≤4.5%, 采用SF-ICP-MS进行对照分析的结果基本一致, 验证了本方法的准确性好, 精密度高。 方法为PGME中超痕量金属杂质元素的测定提供了新策略, 具有分析速度快, 无干扰, 灵敏度高的优势。

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