生物医用材料元素测定 波长色散型X射线荧光光谱法

【主要技术内容】 1 样品 1.1 样品状态 为保证在X射线光谱测定的对样品的测试要求，试样可以通过研磨、抛光（如用240#~600#水磨砂纸逐级打磨至粗糙度为0.8左右）或用车床加工金属材料及其器械的表面，或者通过玻璃体熔融法（如生物玻璃类材料）或粉末压片法（如∶增材制造用医用低模量钛合金粉末、粉末状的骨科修复材料等）来制备。 1.2 样品制备要求 1.2.1 一般要求 固体制样法、粉末压块法、玻璃体熔融法、液体制样法、薄膜制样法的基本操作应符合GB/T 16597 —2019中7试样的要求，本文件主要针对上述方法如何选择做出指导性建议。 1.2.2 对金属材料 样品为金属板材和棒材时应做相应切割（对较小的成品器械可苯用沿对角线切害的方式，以获得尽量大的测试面），打磨表面和抛光（具体流程根据材料特点进行调整，最终一步使用的砂纸应选择足够细的粒度）处理后进行测试，或直接对切割面进行样品的成分测试，以尽量减小X射线被试样表面不平造成的阴影效应；为丝材或较小的不规则材料推荐经过酸洗表面后，采用熔融法将样品熔融制备成光滑的样品片或块，再进行主要成分的测试。 1.2.3 对金属器械成品制样原则 1.2.3.1 样品为器械成品时，宜参考1.2.1的规定进行样品制备。对于极不规则、体积重量较小的样品可采用熔融法将样品熔融制备成光滑的样品薄片，以尽量降低样品供应方对于成品器械的耗用量。宜先选取同批原材料进行熔融条件摸索，方法确认后再实施样品的熔融处理。根据实验室设备条件，提前确定适宜的样品-助熔剂组合，并进行熔融条件摸索，以保证根据材料成分及熔炼工艺选择的助溶剂和熔融参数符合制样要求，重复3次以上均可将样品完全融化，无明显气泡，在熔融模具中成型良好，适于分离。 注1∶原则上应尽量保证测试面有足够覆盖进样杯有效测试面积的大小。如;对于横截面较小的样品可采用严对角线切割的方式，已获得尽量大的切割面。 注2：熔融法制备的样片或样块不宜二次用于非XRF测试范围内的其他元素的测试样品，如∶金属材料中0、N、H、C、S等元素的测定。 注3：样品量以能满足覆盖相应进样杯有效测试面积为宜，未经熔融处理的样品可以用于其他元素的测定。需要切割、粉碎、研磨的情况。 1.2.3.2 如样品为生物医用无机非金属材料及其器械成品为颗粒状或其他固形物状态，可考虑采用切割及研磨设备对样品实施细化，均匀化处理之后，使样品颗粒度小于 75 μm，按需可加入一定量稀释剂、助磨剂或黏合剂混匀后，转移至压片磨具内，在设定好的压片条件下压制成片或采用玻璃体熔融法进行样品制备。 1.2.4 液体样品 乙某些样品本身呈现为液态，如需进行定量测定，应要求标准溶液与样品成分构成与pH等方面应尽量接近；在实验前应进行液体样品对进样承载薄膜的耐受性实验，通常观察时间应为30 min以上，承载薄膜应无腐蚀、破损、泄露、变脆等现象，方可进行试验。 1.2.5 粉末、颗粒及天然及人工合成材料的前处理及制备 1.2.5.1 样品均匀化处理 对生物玻璃、骨填充材料等粉末状、颗粒状态的天然及人工合成材料应实施样品均匀化处理，考虑到某些成分在研磨粉碎过程中可能由于温度升高导致的理化性能变化（如∶蛋白变性、高分子材料软化吸附在筛网和刀头上等），建议使用带有液氮冷却功能的研磨仪和粉碎设备，设备使用前应彻底清洗筛网等直接参与研磨的组件，宜建立本实验室专门的研磨设备的清洗及清洗效果验证SOP以确保上述过程的可靠性。 1.2.5.2 制备 应根据样品温度耐受性选择压片或熔片法，通常耐高温煅烧的生物玻璃类样品宜采用熔片法并建立相应的标准控制样品，建立对应的测试用标准曲线，玻璃化后的样品可获得最佳的元素成分测试结果，可作为长期稳定的测试及质控手段；某些样品量极少的样品建议实施均匀化后采用红外压片方式后制备小型样片，再采用5 mm～8 mm进样杯实施测试，对于粉末压片样品应确认其坚固程度和粉末散落难易程度，易碎、易掉落粉末的样品，不应进行XRF测试，应改进制样方法或变更测试模式（如∶放入附膜进样杯，避免样品粉末掉落对设备的污染）。 1.3 固体金属试样制备设备 1.3.1 磨床、抛光机 带有砂带或圆盘或车床的平面磨床或抛光机，能够在标样和样品上制得均匀表面。应选择在样品制备过程中不会对相关元素产生重大污染的研磨材料；应定期更换研磨带或研磨盘，避免因研磨物质失效和污染。 1.3.2 切割设备 通过砂轮表面提供流动水可冷却试样并清除碎屑。除特殊用途外，不应使用化学冷却液，如机器车间使用的冷却液；对于质地较软的样品，建议使用车床或同类设备进行样品前处理，以避免材料在研磨盘进行表面处理时可能导致的污染。切削设备的给进量，应可根据材质情况在参数恒定条件下维持平稳的推进，以获得切割面一致的光洁度。 1.3.3 粉末压片机 应提供高达550 MPa（80000 psi）的压力；其模具制备的样片并应符合X射线样品进样器的基本尺寸。 1.3.4 熔融设备 应带计时器，能够将样品和焊剂加热至熔融状态，如对于低模量钛合金，应能加热钛合金至到熔融程度。其他相关耗材及坩埚的选择应按照样品的成分而定。 2 干扰 2.1 谱线重叠 某些元素可能出现全部或部分谱线重叠。如果存在足够的灵敏度，可以通过在从样品到分散元件或探测器的二次X射线路径中选择分辨率更高的准直器来减少或消除重叠。 2.2 算法影响 基本参数（fp）方程要求在进行fp计算之前进行带线重叠和背景减法的净强度。一些经验方案在其方程中包含了线重叠校正，一些软件允许由元素或其他分析物选择的经验和fp计算的组合。 2.3 靶材干扰 此外，X射线管的靶材产生的特征线可能会产生线重叠干扰，这些特征线从样品中以非弹性（称为康普顿散射）或弹性（称为瑞利散射）散射。这些可以通过使用初级光束滤波器来减少或消除，从而提高分析的灵敏度。 2.4 元素效应 元素效应（有时称为矩阵效应）对某些元素可能很重要。补偿这些影响的一种经验方法是制备一系列涵盖待测元素指定浓度范围的校准曲线。除待分析元素外，基质中可能受其他元素影响的每个元素的情况应尽可能体现。故此，测试时必须完整保留（或录入）材料中所有元素信息，确保设备计算得到每个元素的ZAF因子和元素结果的准确。 若设备不能自动算出， 宜使用公认的数学方法补偿元素效应或矩阵效应。故凡是采用本文件进行定量测定，宜购买相应的光谱标样或建立内部参考光谱标样，用来建立相应的标准曲线用于定量测定。例如采用本文件进行定量测定医用低模量钛合金成分，应购买相应的光谱标样或建立内部参考光谱标样，用来建立相应的标准曲线用于定量测定，可以获得更准确结果。 注∶元素间效应不是光谱意义上的干扰，但如果处理不当，将导致分析中的错误。元素间效应是样品中原子根据质量吸收系数不同程度吸收X射线的结果。应结合相关元素的测试经验与数学模型结合使用，以确保提供足够的数据来充分补偿这些影响。 3 仪器 3.1 X射线激发源 3.1.1 X射线管，靶材为各种高纯度元素，能够在激发待测元素的电位和电流下连续工作。附录 A中表A.1列出了各种靶材适合用的分析元素范围。 3.1.2 X射线管电源，提供足够能量的稳定电压，以从规定元件的样品产生二次辐射。 3.1.3 仪表可配备外部线路电压调节器或瞬态电压抑制器。 3.2 光谱仪 设计用于X射线发射分析，配备样品架和样品室。试验室可能包含一个样品旋转器，必须配备真空或氦冲洗操作，以测定原子序数20（钙）或更低的元素。 3.3 分光晶体 分析具有最佳衍射相关波长能力的晶体、平面或弯曲晶体。这也可能包括低原子序数元素的合成多层。不同的分光晶体适用的分析范围不同，具体参阅附录B表B.2。 3.4 准直器用于在仪器中使用平面晶体时，将特征X射线限制为平行束。对于弯曲晶体光学，不需要准直器，而是用入口和出口狭缝代替。 3.5 掩膜 用于限制和调整照射在试样上的入射光束。 3.6 计数器 探测器密封或气体流量比例计数器和闪烁计数器。 3.7 真空系统 用于测定辐射被空气吸收的元素。该系统应包括真空泵、压力计和电气控制装置，以提供光路的自动泵送，并保持受控压力，通常为13 Pa（0.1 mm汞柱）或以下。 3.8 测量系统 由能够放大和整形从探测器接收到的脉冲的电子电路组成。系统应配备适当的数据输出装置。 3.9 脉冲高度分析器 用于区分来自高阶X射线和背景的脉冲。 4 试剂和材料 4.1 一般要求 主要针对粉末、颗粒类材料、增材制造粉的材质成分检查等情况。 4.2 试剂纯度 必须对X射线荧光试验方法中使用的试剂进行适当的纯度评估，以达到规定的目的和预期的试验性能。 4.3 粘合剂 在压片操作中提供颗粒粘聚力的各种化合物或材料，如∶聚乙二醇、纤维素、光谱级石墨、硼酸盐化合物和其他化学品。 4.4 检测器气体 典型的检测器气体由90%氩和10%甲烷的混合物组成（P10气），用于气体流量比例计数器，其他气体用于提高选定波长范围内的灵敏度。 4.5 其他试剂 四硼酸酯、偏硼酸锂、四硼酸和偏硼酸混合物、无水硼酸硼和四硼酸钠。硼酸盐助熔剂的预使用版本有高纯度版本，其中一些与卤化物化合物、非湿润剂、流化剂和重吸收剂（例如氧化镧）混合。可能有适合样品溶解的额外助熔剂成分。 5 标准物质和样品的制备 5.1 通则 根据1.2中的规定合理选择适宜的样品制备方法，要求在整个测试方法的建立过程中，标准物质（对照品）和试样的处理方法应尽量保持一致，以确保结果的准确性和可重复性。标准物质和样品制备的一致性对于确保结果的可重复性至关重要。当针对某一固定成分（金属牌号）样品建立检测方法后，必须严格执行。任何样品制备参数技术上的变化，如∶研磨时间、磨料粒度或材料、粒度、粘合剂材料、样品压片粘合剂比例、压片压力或保压时间，都可能导致不可靠的结果;含水分固体样品应尽量选择适宜的干燥方法除去其中水分，再实施后续的样品处理流程，以保证称量稳定性和样品均匀化处理时的效果；测试液体样品时，配置的液体标准样品的基质应与样品基质尽量保持一致，并可加入标准物质（质控样）进行验证。 5.2 制备 标准物质和样品制备参考材料和试样，应参照1.2要求进行。