環(huán)境分析 | 等離子體（ICP）| 流量控制器

2024年4月11日 Bronkhorst

了解環(huán)境中有害化學(xué)元素的性質(zhì)和含量有助于我們過上健康的生活。政府清理一塊土地開發(fā)新片區(qū)前，需清楚土地在以前的使用中土壤是否殘留重金屬或砷等有毒物質(zhì)。同樣，飲用水源、地表水體和捕漁區(qū)的管理者需了解水質(zhì)，以確定其是否含有過量的不良物質(zhì)，這些物質(zhì)必須清除。為使空氣質(zhì)量良好，懸浮在空氣中的固體顆粒物中的微量元素含量不得過高。

在環(huán)境領(lǐng)域以外的其他地方，識別和量化存在的元素也是有幫助的，例如確定潤滑油中的金屬濃度以推測發(fā)動機磨損的速度，或者確定農(nóng)業(yè)土壤中的肥料濃度以決定是否需要額外的肥料。流量計和控制器在這方面也發(fā)揮重要作用。

等離子體-原子發(fā)射光譜法，ICP-AES

如您所知，在許多應(yīng)用中，了解哪些化學(xué)元素存在及含量是有用的。ICP-AES是用于分析測量固體、液體和氣體中元素的性質(zhì)和濃度的好方法。由于其精度高達ppb范圍，ICP-AES適合分析微量元素，即非常低的濃度。該技術(shù)適合檢測金屬（如貢）和準金屬（如砷），可同時分析十種元素。該技術(shù)的背后是什么支撐？氣體的細致傳輸是如何發(fā)揮作用的?

通過質(zhì)量流量控制器控制氬氣供應(yīng)

簡單來說，元素分析的ICP-AES方法使用等離子體產(chǎn)生待測樣品中元素的激發(fā)原子和離子，當其返回基態(tài)時，使用原子發(fā)射光譜法（AES）測量其特征光譜。光譜中線條的強度與樣品中元素的濃度成正比。

ICP-AES設(shè)備只能分析液態(tài)樣品。對土壤樣品和其他固體物質(zhì)來說有點棘手。為解鎖化學(xué)元素，需將樣品溶解在強酸中：王水，一種鹽酸和硝酸的混合物。泵將樣品從儲存容器中吸出，并將其輸送到噴霧器，噴霧器將液體變成氣溶膠形式或薄霧。為了準確調(diào)節(jié)霧的濃度，并在必要時進行稀釋，在流量控制器的幫助下，向噴霧器提供氬氣流。薄霧進入反應(yīng)室，與已經(jīng)在反應(yīng)室中的等離子體碰撞。

如果將高壓線圈通過氣體，為氣體提供足夠的能量，一些氣體就會釋放電子。除了最初的氣體粒子，現(xiàn)在還有負電子和帶正電的離子的混合物。這種帶電粒子的“電離氣體混合物”被稱為等離子體；等離子體被稱為物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，除了固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。通過ICP，氬氣形成等離子體的基礎(chǔ)，必須使用流量控制器準確供應(yīng)該氣體。等離子體的溫度非常高，約為700℃。由于等離子體必須始終保持正確的成分，所以氬氣的準確和連續(xù)供應(yīng)是重要的。為了保護外界免受高溫影響，冷卻氣體（通常但不總是氬氣）被引導(dǎo)到反應(yīng)室外部。

調(diào)節(jié)薄霧

當含有待測化學(xué)元素的霧與等離子體碰撞時，這些元素也被轉(zhuǎn)化成等離子體。吸收足夠多的能量后，這些元素進入激發(fā)態(tài)。元素不喜歡處于激發(fā)態(tài)，所以它們試圖以較低的能級回到基態(tài)。在這個轉(zhuǎn)變過程中，每個元素發(fā)射出其特有的輻射。通過光譜儀測量輻射，輻射的強度與樣品中所述元素的量成正比。

光譜儀，ICP-AES 或者 ICP-OES

AES中的光譜儀是反射鏡、棱鏡、棒、單色儀/多色儀等探測器的組合，用于引導(dǎo)和測量發(fā)射的輻射。為了防止過程受到干擾，例如含氧氣體對輻射的吸收，光學(xué)物體所在的區(qū)域不斷用氮氣吹掃。氣流不一定要非常準確，但須有高度的重復(fù)性。流量控制器的使用對于確保重復(fù)性很重要。有些地方使用ICP-OES替代ICP-AES。

ICP-MS

ICP-MS是類似的元素分析技術(shù)；最大的區(qū)別在于檢測方法不是光學(xué)。來自等離子體的帶電粒子進入質(zhì)譜儀（MS），通過質(zhì)荷比來分離，并記錄帶電粒子中每一個的相對比率。ICP-AES在大氣壓下進行，但ICP-MS需要真空。ICP-MS的檢測限值低于ICP-AES。

在環(huán)境分析中，不僅可以查看樣品中元素的總量，還可以查看該元素是以自由形式存在還是作為化合物的成分存在。舉例來說：無機砷化合物通常比有機化合物中的同類化合物毒性更大?？墒褂肐CP-AES 和 ICP-MS來區(qū)分不同形式的元素，該過程被稱為“形式差分”。需在ICP過程之前，例如通過離子交換色譜法（IC）將不同的形式彼此分離。因此，IC/ICP組合很常見。

質(zhì)量流量計和控制器用于ICP-AES

當ICP首次發(fā)明時，氣體是手動添加的。隨著ICP逐步自動化，氣體調(diào)節(jié)也實現(xiàn)自動化，并引入了質(zhì)量流量計。ICP-AES使用的質(zhì)量流量計和控制器用于供應(yīng)惰性氣體。良好的氣體調(diào)節(jié)，有助于整個系統(tǒng)更加準確和穩(wěn)定，實現(xiàn)更低的檢測限值。面對日益嚴格的質(zhì)量和環(huán)境標準，這很有幫助。

Bronkhorst為分析市場提供流量計，有很多客戶是分析設(shè)備供應(yīng)商。客戶較多采用定制的集多功能于一體的“manifold”解決方案。實驗室空間有限，體積小巧的緊湊型儀表變得越來越重要。

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