Establishment and application of standard-RSF for trace inorganic matter mass analysis using GD-MS

GD-MS 분석 장비를 활용한 극미량 무기물 질량 분석을 위한 표준RSF 구축 및 응용

Abstract

The present study analyzed standard samples of three types of aluminum matrix certified reference materials (CRM) using GD-MS. Calibration curves were constructed for 13 elements (Mg, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Sn, and Pb), with the slope representing the relative sensitivity factor (RSF). The x- and y-axes of the calibration curve represented ion beam ratio (IBR) and the authenticated value of the standard sample, respectively. In order to evaluate precision and linearity of the calibration curve, RSD and the coefficient of determination were calculated. Curve RSD for every element reflected high precision (within 10 %). For most elements, the coefficient of determination was ${\geq}0.99$, indicating excellent linearity. However, vanadium, nickel, and gallium curves exhibited relatively low linearity (0.90~0.95), likely due to their narrow concentration ranges. Standard RSF was calculated using the slope of the curve generated for three types of CRM. Despite vanadium, nickel, and gallium exhibiting low coefficients of determination, their standard RSF resembled that of the three types of CRM. Therefore, the RSF method may be used for element quantitation. Standard iron matrix samples were analyzed to verify the applicability of the aluminum matrix standard RSF, as well as to calculate the RSD-estimated error of the measured value relative to the actual standard value. Six elements (Al, Si, V, Cr, Mn, and Ni) exhibited an RSD of approximately 30 %, while the RSD of Cu was 77 %. In general, Cu isotopes are subject to interference: $^{63}Cu$ to $^{54}Fe^{2+}-^{36}Ar$ and $^{65}Cu$ to $^{56}Fe-Al^{3+}$ interference. Thus, the influence of these impurities may have contributed to the high RSD value observed for Cu. To reliably identify copper, the resolution should be set at ${\geq}8000$. However, high resolutions are inappropriate for analyzing trace elements, as it lowers ion permeability. In conclusion, quantitation of even relatively low amounts of six elements (Al, Si, V, Cr, Mn, and Ni) is possible using this method.

본 연구에서는 GD-MS를 활용하여 원소 별 함량이 다른 세 종류의 알루미늄 매질의 표준 시료를 분석하였다. 13 종의 원소(Mg, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Sn, Pb)에 대해 검량 곡선을 작성하고 그 기울기를 RSF(Relative sensitivity reference)로 확립하였다. 검량 곡선은 X축을 IBR(Ion beam ratio)로, Y축을 표준 시료의 인증 값으로 작성하였다. 검량 곡선의 정밀도와 직선성을 평가하기 위해 RSD(Relative standard deviation)와 결정 계수를 계산하였다. 그 결과 모든 원소의 RSD는 10 %이내로 높은 정밀도를 나타냈다. 바나듐, 니켈 그리고 갈륨 원소를 제외한 대부분의 원소들은 결정 계수가 0.99 이상으로 1에 가까운 값을 얻어 직선성이 우수했다. 바나듐, 니켈 그리고 갈륨 원소는 결정 계수가 0.90~0.95 범위로 비교적 낮은 직선성을 나타냈으며, 이는 좁은 농도 범위로 인한 오차로 판단된다. 바나듐, 니켈 그리고 갈륨 원소는 결정 계수는 낮지만 각각의 표준 시료 RSF와 기울기로 확립한 표준RSF(Standard-RSF)가 비슷하여 정량 분석을 위한 RSF로 활용 가능할 것으로 판단된다. 다른 매질의 시료에 표준RSF(Al matrix)를 적용 가능 여부와 실제 표준 값에 대한 오차를 확인하기 위해서 철 매질(Fe matrix)의 표준 시료를 분석하여 검증하였다. 구리 원소를 제외한 6 종(Al, Si, V, Cr, Mn, Ni) 원소의 오차율은 약 30 %로 나타났으며, 구리 원소는 측정을 방해하는 불순물 화합물의 영향으로 오차율이 크게 나타난 것으로 판단된다. 일반적으로 동위원소$^{63}Cu$는 $^{54}Fe^{2+}-^{36}Ar$ 간섭을 받고 $^{65}Cu$는 $^{56}Fe-Al^{3+}$간섭을 받는다. 이를 분해하기 위해서는 8000 이상의 분해능이 필요하다. 하지만, 높은 분해능은 이온의 투과도를 낮추기 때문에 미량원소 분석에 어려움이 있다. 구리 원소를 제외한 알루미늄 외 5종의 원소에 대해서는 비교적 적은 오차로 정량 분석이 가능한 것으로 확인되었다.

Fig. 1. Schematic of glow discharge mass spectrometer.

Fig. 2. Calibration curve of Aluminum matrix CRM analysis for (a)Magnesium, (b) Silicon, (c) Titanium, (d) Vanadium, (e) Chromium, (f) Manganese, (g) Iron, (h) Nickel, (i) Copper, (j) Zinc, (k) Gallium, (l) Tin, (m) Lead

Table 2. Analysis of Aluminum matrix CRM by GD-MS

Table 1. Operating condition of glow discharge mass spectrometer

Table 3. Comparison of quantification of various matrix.

Table 4. Element-related mass spectral interference