一种未知有机混合清洗剂的成分剖析

王路

(北京化学试剂研究所有限责任公司,北京 100084)

近年来,由于军事和民用领域对微电子产品的明显需求,微电子组装技术得到了发展:多芯片、高密度、小型化、3D堆叠、高集成度、低成本、高性能等。近年来,微电子组装技术发生了巨大的变化。因此,微电子组装技术的不断发展需要不断研究和开发新的技术和材料。微波芯片元件的纯度对产品性能和可靠性起着重要作用。

有机化合物主要由碳和氢元素组成,是含碳化合物,但不包括碳的氧化物和硫化物、羧酸、碳酸盐、氰酸盐、氰化物、硫氰化物、氰化物、碳化物、碳硼烷、金属碳酸盐、金属碳酰、没有M-C键的配体的金属络合物、一些有机金属化合物(M-C键)和其他碳化合物,这些主要是在无机化学中研究。

不明物质的成分剖析,是通过运用相应的化学分析手段,对不明物质的外观、形态、结构等一系列化学分析。在成分剖析中,因为所需剖析的样品的多样复杂性,所用剖析的方法的复杂性,其成为分析学科复杂困难的一个方面。

在针对未知有机混合清洗剂的剖析,通常需要结合实际情况综合运用几种分析方法。由于此种有机混合清洗剂具有挥发性的特点,所以气相色谱-质谱联用仪适合用于本有机混合清洗剂的分析。主要利用气相色谱-质谱联用仪(CG-MS),结合傅里叶变换红外光谱仪(IR),水分测定仪(SFY),电感耦合等离子光谱发生仪(ICP),微波消解仪(MDS)等对一种无色透明粘稠液体状的有机混合清洗剂进行化学成分的剖析,通过对测试结果的综合分析,确定出该产品的组成。实验可为同类产品的剖析提供思路。

1 实验部分

1.1 实验仪器

实验仪器见表1。

表1 实验仪器

1.2 实验方法

(1)通过对有机混合清洗剂外观进行观察,判断其在常温下的气味、状态和颜色。

(2)通过使用傅里叶变换红外光谱仪定性分析有机混合清洗剂的主体成分:傅立叶变换红外光谱仪基本上由红外光源、干涉仪、样品池、检测器、数据处理系统、记录系统等组成。它与漫反射红外光谱仪不同的是,它没有单色仪或狭缝,而是使用迈克尔逊干涉仪来获得入射光的干涉图,然后通过时域特征的傅里叶变换将其转换成频域特征场(传统红外光谱仪)。扫描速度非常高。一个高质量的红外光谱可以在大约一秒钟内扫描完毕,在多次扫描中具有良好的可重复性,非常高的分辨率,通过与干涉测绘技术的复用,可以提高分辨率。高灵敏度和高信噪比。没有分离器或棱镜的傅立叶变换红外光谱仪最大限度地减少了光损失,并通过干扰放大了光信号,以高光强度到达检测器,实现高信噪比。位文数的准确性非常高。在FTIR光谱仪中,移动镜的位置是用氦氖激光器精确测量的,因此可以高精度地测量光场差,在计算发射的光波数量时,精确度为0.01 cm-1。可以测量广泛的光谱。通过简单地改变分光器和光源,可以分析从10 000 cm-1到10 cm-1的整个红外光谱。傅立叶变换红外光谱仪的其他优点是输出能量高,在整个波长范围内分辨率稳定,重复性好,杂散光少,容易与气相色谱和液相色谱结合。

(3)通过使用气相色谱-质谱联用仪检测有机混合清洗剂的主要成分和含量:7890A气相色谱,使用30 m IntuvoDB-5ms超高惯性色谱柱,与带有EI惰性离子源的Agilent 5977BMSD连接。DB-5msUI 30 m×0.25 mm,0.5 μm,流速2 mL/min,连续流动。柱子的温度保持在60 ℃ 2 min,然后以20 ℃/min的速度升至260 ℃,以6 ℃/min的速度升至330 ℃,并保持1 333 min(标准样品)或10 333 min(研磨提取物)。输入温度为300 ℃,传输线温度为330 ℃,离子源温度为330 ℃,四极温度为200 ℃。直到0.5 min,在压力为431.685 kPa的情况下,采用无分离的脉冲注射模式,0.5 min的放电速率为0 mL/min,之后放电分离器将速率变为3 mL/min。注射量为1 mL。

(4)通过使用固体|水分测定仪检测有机混合清洗剂的固体含量:使用MA100固体|水分测定仪测定未知有机混合清洗剂的固体含量,将仪器温度设置为130 ℃,将仪器的终止条件设置为0.1 mg·min-1,使用1 mL的塑料吸管吸取0.7 g的样品滴入仪器的铝合金托盘上,并启动机器。

(5)通过使用电感耦合等离子光谱发生仪测试参数检测有机混合清洗剂的部分金属元素。

盐酸(质量分数36%～38%)分析纯;硝酸(质量分数65%～68%)分析纯;去离子水(电阻率≮15 MΩ·cm);砷、铁、铜、镍、铅、钴、铝、锡储备液均为100 μg/mL(表2)。

表2 实验原料与试剂

美国珀金埃尔默股份有限公司(PerkinElmer)生产的电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)具有专有的MSF功能(多元素光谱拟合技术),可有效消除基体和共存元素干扰,经系统性的综合比较,本研究选定其为主检测设备。本研究在方法开发、试验及应用等过程中,经充分地多样品、多条件的系统试验和验证,充分的验证了该方法无论是在精密度、可靠性和稳定性上,还是在灵活性、分析速度上,抑或是在使用的简便性等多方面,都获得了令人满意的结果。

目前,原子吸收分光光度法用于测定固体样品中经过干法、微波和湿法消化后的微量元素含量,原子荧光光度法、X射线荧光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法。电感耦合等离子光谱发生仪可用于样品中多种元素的同步定性、定量和半定量分析,具有许多优点,包括准确可靠的结果、低检测限、低基体效应和宽动态范围。因此,采用电感耦合等离子光谱发生仪的方法,利用不同元素浓度梯度的标准溶液,制定并分析了样品中微量元素残留的标准曲线。

100 mg/L的Zn、Pb、Ni、Fe、Hg、Mn、Au、Mg、Cu、Na和K混合标准溶液的制备:准备100 mL容量瓶,使用移液管分别移取1 000 mg/L的Zn、Pb、Ni、Fe、Hg、Mn、Au、Mg、Cu、Na和K的标准溶液各10 mL置于容量瓶中,其次将配制好的1%硝酸溶液定容到容量瓶的刻度,混匀备用,用以制备质量浓度分别为1,5,10,20 mg/L的混合元素标准溶液。

设置仪器后,应根据各被测元素的光谱特性、不同元素之间的干扰以及仪器对该元素的灵敏度,选择净发射率高、与其他元素干扰小、背景强度低、重叠强度低的光谱线作为被测元素的光谱线。应选择净发射率高、信噪比高、同时出现的特征干扰少、背景强度低、重叠度低的光谱线作为被测元素的分析光谱线。通过优化中所列的电感耦合等离子光谱发生仪的功率参数,确定了最佳的电感耦合等离子光谱发生仪的功率参数(表3)。

表3 仪器最佳工作参数

2 结果与讨论

2.1 外观及性状

通过观察可以得知,有机混合清洗剂为无色透明液体,且具有有机物的气味,无明显特殊刺激性气味,无机械杂质、沉淀物以及悬浮物。

2.2 傅里叶变换红外光谱

将适当有机混合清洗剂涂抹到氯化钠玻片上,置于傅里叶变换红外光谱仪检测其主要成分,得到的红外图谱如图1所示。

图1 样品的红外光谱图

由图1可以得知,3 370,3 258,1 327,1 201,1 088 cm-1处的吸收说明主要含有碳氧键的环状物存在,且上述红外光谱与1,3-二氧戊环相似,综合红外光谱数据可以推测出有机混合清洗剂样品的主要化合物组成为1,3-二氧戊环。

2.3 气相色谱-质谱联用仪测试

通过气相色谱-质谱联用仪测试得出的质谱图由图2所示。

图2 样品的GC-MS质谱图

由图2可以得知,有机混合清洗剂的主要成分为1,3-二氧戊环和丙二醇甲醚,并含有微量乙二醇单甲酸酯和二甲氧醛丙烷等2种有机溶剂杂质,GC外标法测定1,3-二氧戊环质量含量约为66.3%,丙二醇甲醚的质量含量约为33.1%,乙二醇单甲酸酯的质量含量约为0.13%,二甲氧醛丙烷的质量含量约为0.07%,水的质量含量约为0.07%。

2.4 固体|水分测定仪测试

使用MA100固体|水分测定仪测定未知有机混合清洗剂的固体含量,将仪器温度设置为130 ℃,将仪器的终止条件设置为0.1 mg·min-1,使用1 mL的塑料吸管吸取0.7 g的样品滴入仪器的铝合金托盘上,并启动机器。测定的样品的固体质量含量为22.31%。

2.5 电感耦合等离子光谱发生仪测试

使用电子天平称取5 g左右的有机混合清洗剂,精确到0.0001 g,将称取好的样品置于微波消解仪的消解管中,使用移液管量取6 mL硝酸于消解管中,并将消解管密封处理。将密封好的消解管置于微波消解仪的转子中,启动微波消解仪,设置程序,20 min升温到150 ℃,并保持温度10 min,10 min升温到180 ℃,保持温度10 min,然后开始降温至常温,目的为消解样品中的有机物。将处理过后的消解管打开,置于恒温消解仪上进行赶酸处理,待到消解管中的溶液蒸至约1 mL后,取出消解管并冷却至室温,冷却后使用高纯水反复冲洗消解管,并将洗涤液中加入1 mL的盐酸,将洗涤液转移至50 mL的容量瓶中,使用高纯水稀释至刻度,摇匀待测;用相同方法处理空白溶液及其他样品。将其通过电感耦合等离子光谱发生仪测试其内的阳离子成分,如下表4所示。

表4 样品金属阳离子成分及含量

通过表4可以得知,样品中含有微量的阳离子金属元素Zn、Fe、Mg、Na和K。

3 结论

通过多种现代分析仪器数据的综合解析,确定出未知有机混合清洗剂主要成分1,3-二氧戊环和丙二醇甲醚,并含有微量乙二醇单甲酸酯和二甲氧醛丙烷等2种有机溶剂杂质,其1,3-二氧戊环含量约为66.3%,丙二醇甲醚的含量约为33.1%,乙二醇单甲酸酯的含量约为0.13%,二甲氧醛丙烷的含量约为0.07%,水的含量约为0.07%,测定的样品的固体含量为22.31%,并存在微量的阳离子金属元素锌、铁、镁、钠和钾。