火花原子发射光谱法测试外科植入不锈钢化学成分可行性分析

广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 佛山 528137）

内容提要：外科植入物用金属材料的化学成分一般采用化学分析方法，其测试时间长，制样方法比较复杂。实验采用火花原子发射光谱法测试不锈钢外科植入物化学成分，实验结果显示，该方法的正确度和精密度均符合测试需求，试样测试结果与化学方法测试结果基本一致。该方法样品制备简单，测试简便易行，适用于不锈钢外科植入物化学成分的快速检测。

不锈钢是医用植入器械常用材料之一，材料的化学成分是决定该材料性能的重要基础，材料的化学成分不符合标准要求，将影响其终产品的力学性能和生物相容性。如不锈钢材料中C元素一方面降低了不锈钢的腐蚀抗力，另一方面C与Fe、Cr形成复杂结构的碳化物，是钢中重要的强化相。因此，应将各元素含量控制在一定的限量，从而获得综合性能优良且适用于植入人体的材料。

不锈钢材料化学成分的检测，按照GB 4234.1-2017《外科植入物 金属材料第1部分：锻造不锈钢》[1]标准中规定，C采用ISO 437燃烧重量分析法、Si采用ISO 439重量分析法、Mn采用ISO 629分光光度法、S采用ISO 671燃烧滴定法、P采用ISO 10714磷钒钼酸盐分光光度法，其他元素采用公认的分析方法（现有的ISO方法或国家标准推荐方法）。目前，检验检测机构常用电感耦合等离子光谱法；但由于电感耦合等离子光谱法涉及酸、重金属等危险化学品或有害物质，且一次溶样不能用于所有元素的测定。直读光谱法测试化学成分，制样简单，无需危化品，本文对其可行性进行分析探讨。

1.原理

将制备好的块状样品做为一个电极，用光源发生器使样品与对电极之间激发发光，并将该光束引入分光计，通过色散原件将光束色散后，对选定的内标线和分析线的强度进行测量。根据标准样品制作的校准曲线，求出分析样品总待测元素的含量。

2.测试过程

2.1 样品准备

按照GB/T 20066-2006《钢和铁 化学成分测定用试样的取样和制样方法》[2]的要求进行取样和制样。所取样品表面应保证能够不重叠地激发两点，即直径不小于6mm，厚度不小于3mm，无物理缺陷，相对均匀，有代表性。

2.2 仪器及试剂

直读光谱仪，德国斯派克Spectro，型号：Spectro MAXx-07；精密切割机，莱州市蔚仪，型号：GTQ-5000；无级变速迷你型车床，上海西马特，型号：CJ9518.C2；氩气：纯度99.9995%，液化空气（广东）工业气体有限公司；磨样机，广州仪德，型号：QMS-350；BS9942/UNS S31703不锈钢，砂纸。

2.3 分析条件

主要参数：分析间隙：3～6mm，氩气流量（冲洗：6～15L/min，积分：2.5～7L/min，静止：0.5～1L/min），预燃时间：2～20s，积分时间：2～20s。

2.4 试验步骤

对仪器进行校准和曲线确认，确认仪器处于最佳工作状态，按选定的工作条件激发样品，每个样品至少激发2次（每个样品激发1次，获得一个独立测量结果；在样品激发点的对面位置再激发一次，获得第2个独立测量结果），取平均值[3]。

3.结果与分析

3.1 检出限与定量限

在仪器正常工作的条件下，连续10次激发纯铁（空白）光谱分析标准物质，以10次空白值标准偏差3倍对应的含量为仪器检出限，此仪器检出限等于方法检出限，选择2倍方法检出限作为方法定量限，检出限单位为%。其中碳（C）含量小于仪器最小测试含量0.0015%，其他元素检出限和定量限详见表1，结果显示该方法检出限和定量限可以满足外科植入物用不锈钢的测试需求[4]。

表1.检出限与定量限

3.2 准确度

3.2.1 精密度

在重复性条件下，按照GB/T 11170-2008规定对重复性限r进行计算，获得的两次独立测试结果的绝对差值不大于重复性限r，以大于重复性限的情况下不超过5%为前提[5]。测试2个样品（Y1-Y2），其中Y1中S含量小于0.00100%，其他元素重复性结果见表2。

在再现性条件下，按照GB/T 11170-2008规定对再现性限R进行计算，获得的两次独立测试结果的绝对差值不大于再现性R，以大于再现R的情况下不超过5%为前提[5]。测试2个样品（Y1-Y2），其中Y1中S含量小于0.00100%，其他元素再现性结果见表2。

表2.重复性测试结果

由表2数据分析可知，获得的两次独立测试结果的绝对差值均小于重复性限r和再现性限R，测试结果满足GB/T 11170-2008对样品重复性和再现性的要求。

3.2.2 正确度

火花原子发射光谱法与化学分析结果对比，见表3。

表3.样品火花原子光谱法与化学分析结果对比

有证标准物质验证，见表4。

表4.有证标准样品测试数据

由样品测试结果可知，该方法测试结果与化学方法测试结果基本一致，且标准物质测定结果在标称值的不确定度范围内。

4.讨论

通过上述分析可知，对于外科植入用不锈钢产品，采用火花原子发射光谱法进行化学成分检测，可以快速检测各组分含量，该方法的精密度、正确度、结果再现性良好，相对于ICP光谱法简便高效，可以满足快速检测要求，且可以避免化学方法的繁琐和污染。日常工作中建议实验室采用火花原子发射光谱法与ICP光谱法比对、有证标准样品等质量控制手段，同时及时对方法间偏差进行分析，以保证结果有效性。