Nghiên cứu ảnh hưởng của các mảnh oxit/hydroxit neodymi tạo thành trong plasma đến quá trình phân tích vết các tạp chất đất hiếm nặng trong nền oxit neodymi tinh khiết

Đất hiếm có độ tinh khiết cao ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ vật liệu, chẳng hạn như chế tạo màn hình, phương tiện khuếch đại laser, vật liệu quang từ trong bộ cách ly quang học và chất siêu dẫn nhiệt độ cao…. Việc kiểm soát độ tinh khiết của oxit đất hiếm, cũng như kiểm soát chất lượng sản phẩm trung gian là yêu cầu bắt buộc và rất quan trọng trong công nghệ. Vì vậy, một phương pháp phân tích nhạy, nhanh và đáng tin cậy để phân tích vết tạp chất REE trong các sản phẩm đất hiếm có độ tinh khiết cao là rất cần thiết để kiểm tra chất lượng, chứng nhận sản phẩm và đánh giá tính năng của vật liệu. Phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) có độ nhạy cao, giới hạn định lượng thấp, khả năng xác định đồng thời các nguyên tố dạng vết hoặc siêu vết và khả năng phân giải tốt hơn so với các kỹ thuật phân tích khác như phép đo phổ phát xạ nguyên tử plasma cao tần cảm ứng (ICP-AES). Chính vì vậy, phương pháp phân tích ICP - MS được áp dụng rộng rãi trong nhiều đối tượng phân tích như vật liệu có độ tinh khiết cao, môi trường, luyện kim, hóa sinh,….

Mặc dù ICP-MS sở hữu những ưu điểm vượt trội được mô tả ở trên, nhưng một số vấn đề chính gặp phải trong việc áp dụng phương pháp này để xác định các nguyên tố đất hiếm (REE) dạng vết trong các sản phẩm đất hiếm có độ tinh khiết cao là hiệu ứng triệu tiêu tín hiệu do nền mẫu và ảnh hưởng nhiễu phổ khối phát sinh từ các ion đa nguyên tử như oxit hay hydroxit của các nguyên tố chính trong nền mẫu. Các ảnh hưởng này đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm và nghiên cứu biện pháp loại trừ, tuy nhiên vẫn còn những khó khăn trong giải quyết bài toán “trùng khối” của phương pháp ICP - MS, cần có những giải pháp ghép nối với thiết bị tách. Gần đây, thiết bị Agilent 8900 Triple Quadrupole ICP-MS (ICP-QQQ) là hệ thống máy hiện đại hai lần khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS/MS) được lắp đặt tại Viện Công nghệ xạ hiếm. Thiết bị này được ghép nối online đồng bộ với HPLC, hỗ trợ tách các chất gây nhiễu ra khỏi nền mẫu phức tạp.

Với nhiều ưu điểm vượt trội của của hệ thiết bị, để khắc phục những hạn chế của các dòng ICP – MS thế hệ trước, ThS. Ngô Quang Huy cùng các cộng sự tại Viện công nghệ xạ hiếm - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các mảnh oxit/hydroxit neodymi tạo thành trong plasma đến quá trình phân tích vết các tạp chất đất hiếm nặng trong nền oxit neodymi tinh khiết bằng kỹ thuật HPLC-ICPMS Tandem”.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài thu được các kết quả sau:

1. Đã nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp ICP – MS, yếu tố ảnh hưởng tới hình thành các mảnh oxit/hydroxit neodymi và các phương pháp loại trừ ảnh hưởng các mảnh đa nguyên tử này đến quá trình xác định các tạp chất REE trong Nd₂O₃ có độ tinh khiết cao.

2. Đề tài đã nêu được kết quả nghiên cứu sự hình thành mảnh NdO+ và NdOH+ trong mẫu Nd₂O₃ có độ tinh khiết cao. Điều kiện vận hành ICP - MS/MS có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành các mảnh oxit, hydroxit Nd: công suất cao tần, lưu lượng khí mang, tốc độ dòng bơm mẫu, độ sâu mẫu… Chế độ đo thông thường sử dụng “mode No gas” có sự hình thành mảnh oxit, hydroxit Nd (1,6%) cao hơn chế độ va chạm động học sử dụng He (0,2%). Từ đó tối ưu điều kiện thiết bị trong quá trình xác định các tạp chất REE trong Nd₂O₃ có độ sạch cao

3. Báo cáo nêu được kết quả tỷ lệ mảnh oxit, hydroxit Nd ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tạp chất ¹⁵⁹Tb; ¹⁶³Dy; ¹⁶⁵Ho; ¹⁶⁶Er trong Nd₂O₃ có độ sạch cao. Nồng độ Nd càng cao thì tỷ lệ ảnh hưởng của tạp chất bởi NdO+ và NdOH+ đối với ¹⁵⁹Tb; ¹⁶³Dy; ¹⁶⁵Ho; ¹⁶⁶Er. Đối với dung dịch Nd 200 ppb thì nồng độ ¹⁵⁹Tb; ¹⁶³Dy; ¹⁶⁵Ho; ¹⁶⁶Er tương ứng là 0,86; 0,1; 0,48; 0,07 %. Khi tăng Nd lên 5075 ppb thì nồng độ ¹⁵⁹Tb; ¹⁶³Dy; ¹⁶⁵Ho; ¹⁶⁶Er tăng lên 0,89; 0,11; 0,78; 0,11 % trong “mode No gas”. Trong chế độ đ ova chạm động học “mode He”: nồng độ ¹⁵⁹Tb; ¹⁶⁵Ho; tăng từ 0,23; 0,16 % trong Nd 200 ppb lên 0,37; 0,22 % trong Nd 5075 ppb.

4. Đề tài đưa ra hai phương pháp: phương pháp chuẩn nội sử dụng chất chuẩn nội Rh và phương pháp ghép nối HPLC online ICP-MS/MS phù hợp để xác định các tạp REE trong Nd₂O₃ có độ tinh khiết cao trên thiết bị ICP hiện có tại Viện CNXH. Qua kết quả nghiên cứu, đề tài đã xây dựng quy trình xác định được một số tạp chất đất hiếm nặng (Ho và Tb) trong mẫu Nd₂O₃ có độ tinh khiết cao (>99.99%) tại Viện Công nghệ xạ hiếm được Hội đồng nghiệm thu.

Như vậy, trong nghiên cứu này, đề tài tiến hành tổng quan các phương pháp loại trừ ảnh hưởng các mảnh oxit/hydroxit Nd do nền mẫu gây ra đến kết quả phân tích các tạp chất REE. Hiệu ứng triệt tiêu tín hiệu do nền mẫu cao được khắc phục bằng cách thêm chất chuẩn nội Rh/Re. Mặt khác, để loại bỏ ảnh hưởng các mảnh đa nguyên tử do Nd gây ra đến quá trình xác định tạp chất REE bằng kỹ thuật sắc ký lỏng (HPLC). Kết quả nghiên cứu đã loại trừ ảnh hưởng các mảnh oxit/hydroxit Nd đến quá trình xác định vết các nguyên tố REE trong Nd₂O₃ có độ tinh khiết cao. Đây là bước đầu quan trọng trong nghiên cứu, đánh giá vật liệu tại Viện Công nghệ xạ hiếm.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 20078/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)