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ICP-OES选购经验
上传时间:2018年07月31日

在原子光谱元素分析中,应用最广的是原子吸收光谱分析和原子发射光谱分析,而原子发射光谱一个很重要的方面就是电感耦合等离子体光源的应用,它的出现开辟了原子发射光谱仪新的里程碑。从目前分析状况看,二者在分析能力方面可谓平分秋色、各具特色。对于原子吸收光谱仪的采购已做过简单的讨论,在此再对电感耦合等离子体发射光谱仪的采购做些简单的讨论,希望对大家的采购能有点借鉴。

      对于采购ICP-OES前应考虑的最基本的问题大家可以参考“原子吸收光谱仪采购浅谈”一文中的第2段描述,本文主要针对能够影响 ICP-OES分析性能的一些重要的部件做简单的讨论。

      在采用ICP-OES分析中,影响其分析性能的主要有高频发生器、分光系统、等离子体观测方式、进样系统、检测系统和软件平台,因此本文的讨论主要是从这几个方面展开。

1、  高频发生器

      高频发生器是ICP-OES的基础核心部件,是为等离子体提供能量的,通过工作线圈给等离子体输送能量,并维持ICP光源稳定放电,要求其具有高度的稳定性和不受外界电磁场干扰。从功率输出方式上可以分为自激式和它激式两类:自激式高频发生器(VARIAN、PE、GBC、JY、LEEMAN、斯派克、岛津及国内厂家生产的ICP-OES均使用这种)能将稳定的直流电流变成具有一定周期的交流电流后,不需要外加交变信号控制就可以产生交变输出。该RF具有线路简单、造价低廉,调试容易,当振荡电路参数变化时能自动补偿阻抗的少量变化等优点。缺点是功率输出效率低,振荡频率稳定度不高;它激式发生器(目前掌握的资料只有热电公司的仪器)是由石英晶体控制频率,必须外加交换信号才能产生交变输出,具有功率输出的效率高,振荡频率稳定,易实现频率自动控制等优点,缺点是线路复杂、成本高。

     目前商品化的仪器的振荡频率主要使用27.12MHz和40.68MHz,理论上讲振荡频率大的,维持等离子体的功率相对就小一些,冷却气用量相对少一些,产生的趋肤效应也强,便于形成等离子体中心进样通道(一般不会引起等离子体的熄灭),但在实际使用商品化仪器分析时,27.12MHz和40.68MHz其分析性能并没有特别明显的差别,特别是在检出限和测定精度方面几乎没有差异。

     高频发生器的另一个指标就是其功率,因为功率是影响发射线强度和背景强度的主要因素。采购时主要考虑其大小可调性和分析样品的性质,一般范围至少也在800~1500W,对于普通水样品类一般采用800~1200W基本可以满足正常分析需要,而以有机物溶剂为基体的样品分析一般需要较高的功率来维持等离子体的正常运行。其实作为各种ICP-OES的光源,目前的发展技术应该是比较成熟的,在采购时主要考虑一下下列指标就可以了:
反射功率至少要小于10W,
功率波动不能大于0.1%(假如输出功率有0.1%的漂移,发射强度就能产生超过1%的变化,目前高档仪器的这个方面做的是比较好的,有的可以低1-2个数量级),
频率稳定性要优于0.1%。

2、  等离子体观测方式及尾焰处理技术

      目前主要使用轴向、径向、双向观测方式,在整体思路设计上各有特色和重点,不过双向观测融合了轴向、径向的特点,具有一定的灵活性,增加了测定复杂样品的适应性。

      所谓径向观测即垂直观测,其分析性能在测定易受易电离元素(如:碱金属 、碱土金属)干扰和基体效应影响的元素时要远远高于水平观测,且其分析最佳观察高度的选择余地也要比水平观测好,但由于在等离子体发射光谱中,其发射信号的强度主要取决于光源通道的长度,而垂直观测受狭缝高度的限制,其光源通道的长度远比水平观测有限,从而造成其检出限相对于水平观测高倍数,同时采用垂直观测时检测器不可避免地接受到环形区较强的辐射背景,降低了测定时的信背比。

      而水平观测可以接受比较强的发射信号,保证较低的检出限和背景强度(即背景等效浓度比较小),具有较高的信背比及较低检出限的优点。但由于炬管是水平放置,外层石英管的延伸部分要包含整个等离子体焰炬,容易使炬管沾污。同时,由于产生的热量不能及时排除,RF功率也不能太高。

     为了弥补上述两种观测方式各自的不足,仪器厂家开发了双向观测技术(如:热电、利曼等公司的产品),他们在水平观测的基础上通过平面反射镜来实现垂直观测功能,比较好地融合了垂直和水平观测的优点,是一大发展方向。

     对于采用水平炬管,需要进行等离子体尾焰消除技术来减少分析过程中尾焰背景的影响,目前商品化的仪器主要通过加长炬管、冷锥接口、空气吹扫切割来实现。
采用加长炬管(如热电)主要是考虑加大进样通道,集中热流和增强原子化,增加等离子体的惰性气氛,尽量减少空气分子背景的影响;
冷锥接口(如VARIAN的700系列等)是在加长炬管的基础上,增加了水冷却取样锥,其消除尾焰完全,减少了分子背景产生的结构背景,线性范围较好、等离子体稳定。但对于高盐类或有机样品分析会造成锥口的污染,需要及时清洗维护;
空气吹扫切割(如PE各系列、LEEMAN PRODIGY)是通过空压机产生的高速气流来切割掉尾焰,其尾焰消除的稳定性和完全程度受切割气流的影响,特别是由于采用了空气切割,对分析紫外波长的元素灵敏度有损失。


3、  分光系统

      分光系统也是采购考虑的重点对象,直接影响ICP-OES的分析性能,一般要求其波长范围至少在180~870nm(这个主要根据分析元素的需要来确定,对于测定紫外波长的元素,可以考虑采购分析元素影响的波长范围),由于测定的稳定性、重复性和对紫外波长测定的灵敏度,一般对光室都采用驱气或真空方式的恒温保护措施,光室是否进行特殊处理将影响光谱仪开机预热时间的长短和测定的精密度,至于分光系统中其他的色散元件在“原子吸收光谱仪采购浅谈”一文中已做了简单的探讨,在此主要针对目前各厂家比较常用的做个介绍。

3.1平面光栅光谱仪:
      主要用于单道扫描ICP-OES上,目前大部分厂家的顺序扫描仪器都采用这种类型,如:VARIAN Liberty、海光SPS8000(使用两个光栅,其中凹面光栅做前置光谱分离,平面光栅做主单色器)、JY-ULTIMA2,比较特别的是GBC Integra XL,采用双光路即两个单色器。

      作为顺序扫描ICP-OES,是按顺序一个一个地测定元素的,一般采用步进马达或电磁驱动转动光栅(还有一种是转动检测器的,如LEEMANPROFILE、采用中阶梯光栅),在远离分析波长时采用高速转动,接近分析波长后,慢慢跨越并超过波峰位置,同时进行积分来测定的。由于具有不可避免的机械和热不稳定性,不能直接转到波峰进行强度测定,寻峰扫描是在一定波长范围内进行的,测定信号必须要高出背景信号数倍才能出峰,在测定痕量物质或有较大邻近线干扰时可能出现误寻峰的问题。
      与目前所谓的“全谱”相比,顺序扫描具有很大的价格优势和测定灵活性,从理论上讲可以用于元素所有谱线的分析,适合于基体复杂多变和非标准样品的分析,更适合做仪器分析研究工作的人员。当然它也有一个弱点就是分析时间相对较长、氩气用量大,因此这两个参数也是考查单道扫描ICP的重要指标。目前对于元素分析时间并没有一个统一的认识,建议采购时作为临时考查对象。
      计量要求:
平面光栅光谱仪波长示值误差在±0.05nm,波长重复性不大于0.01nm,
对于实际分辨率要求其能完全分开Fe 263.132 nm和Fe 263.105 nm或者能分开Hg 313.155 nm和Hg 313.184 nm即可。

3.2、凹面光栅光谱仪:
      此类型光谱仪以前主要用于制造多通道ICP发射光谱,也属于多元素同时测定类型,结构简单,使用光学元件少、光栅本身兼色散、准直、成像功能,不存在色差,但像散比较严重。凹面光栅光谱仪没有使用反射镜,光损失小,在短波方向进行准确分析是它的特点(如:斯派克的仪器可以测定130~190nm),可以用于测定波长小于190nm的元素,但是由于其狭缝、通道有限和固定,因此限制了分析的灵活性和同时测定多元素的数目。

3.3、中阶梯光栅光谱仪:
      中阶梯光栅光谱仪是采用较低色散的棱镜或其他色散元件作为辅助色散元件,安装在中阶梯光栅的前或后来形成交叉色散,获得二维色散图像。它主要依靠高级次、大衍射角、更大的光栅宽度来获得高分辨率的,这是目前较高水平光谱仪所用的分光系统,配合CCD、SCD、CID检测器可以实现“全谱”多元素“同时”分析。也有采用中阶梯光栅的顺序扫描的光谱仪,如:LEEMAN PROFILE。

        相对于平面光栅,中阶梯光栅有很高的分辨率和色散率,由于减少了机械转动不稳定性的影响,其重复性、稳定性有很大的提高。而相对于凹面光栅光谱仪,它在具备多元素分析能力的同时,可以灵活地选择分析元素和分析波长。
        目前各厂家的“全谱”仪器基本都采用此类型,只是光路设计和使用光学器件数量上略有不同。
Thermo IRIS、INTREPIDⅡ的光路是先通过棱镜后再用光栅色散;
VARIAN700系列的光路是先通过棱镜再到光栅后再通过棱镜形成二维色散;
而Leeman Prodigy的光路是采用两个棱镜在光栅前后分别色散的;
PE OPTIMA则采用两个光栅、两个检测器,经第一个光栅分光后,光路分紫外和可见两路,紫外光路再投到第二个光栅上,而可见部分经过棱镜分光,最后到达SCD检测器,整个光路系统使用了10多个光学器件,是目前所见使用最多光学器件的仪器。


        对于中阶梯光栅光谱仪
光学分辨率要求在200 nm处至少小于0.009nm(如:LEEMAN Prodigy、Thermo IRIS、INTREPIDⅡ为小于0.005nm、VARIAN700小于0.007nm、PE OPTIMA4000/5000为小于0.006nm、2000为小于0.009nm),当然上述资料是各厂家的宣传资料,实际情况大家可以考察,看能否完全分辨开Cu 213.598 nm和P 213.618 nm两条谱线,或者用Mo的半峰宽来考察实际分辨率。
光学系统还有一个参数那就是杂散光,一般要求在As193.696 nm 处用1000 ppm钙测定其背景等效浓度(BEC)要小于3ppm(在这方面Thermo、LEEMAN、VARIAN、PE的指标都表现得很好)。
 
4.进样系统:

      进样系统主要包括气体、液体、固态进样系统,这里只讨论常用液体进样装置,进样系统性能的好坏直接影响分析测定的灵敏度、精密度、检出限,进样系统主要包括雾化器和雾化室,他们共同影响进样系统的性能,目前的商品仪器基本上都配备了好几种可选的进样系统,采购者可根据自己的需要来选择适合自己的,下面针对不同的部件进行简单的说明:

4.1 雾化器

      对于雾化器的总体要求是分析液滴直径要小、产生的气溶胶均匀、雾化效率高,看了部分厂家的仪器样,各厂家都有不同的规格满足不同的分析对象。

4.1.1 同心气动雾化器

      又称迈恩哈德雾(Meinhard)化器,一般是由硼硅酸盐玻璃吹制的(对于使用氢氟酸的有专门材料制作的,可以向厂家咨询),是ICP光谱分析中最常用的雾化器,他是利用通过小孔的高速气流形成的负压进行提升和雾化液体的,其主要指标是提升量和雾化效率,提升量就是单位时间内雾化器所提取液体的量,对于现在的商品仪器,可以通过调节蠕动泵来调节提升量,雾化效率是雾化成细雾的溶液量提升液体总量中所占的比例,普通的玻璃同心气动雾化器的雾化效率大3~5%,玻璃同心气动雾化器主要缺点是对于高盐份的分析比较敏感,由于溶液物理性的变化会喷口处沉积和降低提升量,从而影响分析性能,在此方面厂家也有不少技术改动,比方以水润湿氩气、改变喷嘴的几何形状等,以降低盐沉积效应的影响。

4.1.2 交叉雾化器

      又称直角雾化器,其设计是提取液管和雾化气管的方向成直角的,成雾机理和同心的基一样,基坐一般采用聚氟四乙烯等耐腐蚀性塑料材,两个毛细管可以采用玻璃也可以采用Pt-Ir合金,可以根据需要选择,毛细管一般可以自由调节,根据实验资料证明,交叉雾化器对于高盐分样品的敏感性要比同心的好,但在分析过程中相同条件下同心的光谱背景比交叉的要稍微低点,在分析精密度和检出限方面,具有和同心相同的水平。

4.1.3   巴冰顿雾化器

      又称沟槽雾化器,有好多的设计形式(如GMK雾化器、双铂网雾化器等),设计主要目的是针对高盐份样品的,由基坐、进液管,进气管构成,由于其特殊的设计思路不会产生盐沉积的现象,因此对于分析高盐份样品的行业,最好选择此类雾化器。

4.1.4   超声波雾化器

      超声波雾化器是利用超声波震动的空化作用把试液雾化成高密度的气溶胶,相对前面介绍的几种气动雾化器具有更低的检出限、更高的雾化效率、可雾化高盐样品、载气量和雾化气量均可分别调节,缺点是记忆效应大,设备复杂、需要去溶装置,成本高。因此,资金允许的前提下,对于追求痕量分析时更低检出限的考虑选购此雾化器。
 
4.2  雾化室:

      雾室的作用主要表现以下三点:其一缓冲因进样脉动造成气溶胶的不稳定、其二剔除大液滴使气溶胶均匀稳定进入等离子体,其三平稳出废液,其设计思想上应尽量减少记忆效应,以前最常用的雾室是Scott型(也称双管型雾室),还有锥型雾室,鼓型雾室(又称旋雾室),梨型雾室,后两个是最近几年发展起来的,现比较常用的是旋雾室。
 
5.检测系统:

     目前商品仪器使用的检测器主要有光电倍增管PMT和电荷转移器件(主要为电荷耦合器件CCD、分段耦合器件SCD、电荷注入器件CID),下面分别介绍:

5.1 光电倍增管PMT:
     主要用于顺序扫描的ICP做检测器,ICP-OES检测中,一个光电倍增管一次暴光只能检测“一条”谱线,无法“同时”测定分析线和背景的强度、
      分析线和内标线的强度,所以测定出的强度都有一定的“时间顺序”,理论上讲,等离子体内进样通道的状态每时每刻都进行微小的变化,因此对分析线和背景的强度、分析线和内标线的强度的测定都应该是同时测定才能更准确的扣除光谱背景和进行正真意义上的内标分析,但是PMT检测器无法进行这个“同时”,这是PMT检测器相对于电荷转移检测器的主要缺点,至于其他关于PMT检测器的《原子吸收光谱仪采购浅谈》已做了简单的探讨,大家可以参考一下。
 
5.2  电荷耦合器件CCD:
      是将电荷检测单元之间逐个转移到一个具有电荷感应放大器的检测单元上进行读出,每个检测单元之间不是相互独立的,其具有较高的量子效率和光谱响应范围。因栅极对光的有强烈的吸收,因此一般采用背照射式,当有强光照射到局部CCD时存在电荷溢出现象,一般依靠信号处理电路来解决检测器的溢出问题,属于破坏性读出。而分段耦合器件SCD也属于电荷耦合器件一种改进,主要是为减少CCD转移电荷所需要的历程,通过独立设计,解决了CCD全部读出的缺点,SCD段与段之间无溢出现象,但不能解决段内溢出现象,当然目前所有公司采用的CCD检测器都是经过自己特殊设计的,比如:VARIAN的ICP720以上系列使用的CCD,具有很高的数据读取速度和抗溢出设计,并且也能够进行摄谱、光谱指纹分析。因此CCD做为ICP检测器已经是常成熟的工艺。
 

5.3  电荷注入器件CID:
      是通过电极电压的改变使检测单元两个电极势阱中电荷的发生转移而进行读出、注入检测过程的,当电荷的转移、注入N型硅的衬底便外电路中引起信号电,由于它不需要将阵列检测器的电荷全部顺序输出而是直接注入单元体内衬底形成电来读出的,因此这种方式是一种破坏性的读出过程,具有防溢出功能。CID检测器为了保证检测器真空紫外区有较高的灵敏度需要器件表面涂以增敏剂,因此此光谱区域的量子效率对增敏剂的依赖性较强,和CCD一样,CID也存在过饱和现象,其量子效率、暗电水平、读书噪声均不如CCD,对于其详细的比较大家可以参考“Instrumentation for Optical Emission Spectroscopy, 1988 V2 N67 Analytical Chemistry,V60N4Feb.15.1988分析实验室,1995,14(5),82,”这篇文献来了解,当然CID做为一种新型的检测器,也不断的革新、变化设计,据说热电的6000系列采用了新型的CID设计,其量子效率、暗电水平、读书噪声水平如何有于验证,我们期性能更加优良的CID横空出世。
 
6.软件

     一套好的软件操作平台与仪器身的设计有很大的关系,采购者可以根据自己的需要来确定下面的内容:
      一般要求具有灵活的界面操作窗口,对仪器可以进行自动的控制,能够用软件对仪器各个部分进行自我诊断,包括等离子体焰的点燃与熄灭及激发功率、氩气压力与量、冷却力压力、电源及稳定性、高频辐射屏蔽等安全工作的警告和自动控制。
具有方便灵活的定性、半定量及定量分析功能;
分析过程中谱线的灵活的选择及对干扰元素谱线的提供;
自动的背景校正、干扰因子校正、内标校正、对标准的线性与线性拟合等功能;
自动进行数据的采集、处理、分析、能够针对不同的样品可以进行最佳实验条件的自动优化选择(很重要的)、自动显示对分析过程各参数的实时监控、自动报警出现的错误并提示原因、自动进行QA/QC控制;
可以和实验室的LIME系统有接口或输出;
另外需要注意,由于发射光谱存明显的光谱干扰和基体影响(特别是做过渡元素或稀土元素或着是以过渡元素为基体的样品),软件最好有谱线拟合技术和强大的数据处理功能,如PE的MFS,VARIAN的FACT等功能。

    总之,没有任何一家的仪器能够集所有厂家之长,我们在采购时主要是根据自己的需要和实际条件来选择,把最适合自己的仪器采购近来就是最完美的,个人认为当前的全谱领域相对于普通的分析检测要求而言,Spectro、Varian、Pe、Thermo、Leeman的高档ICP表现的都不错。