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(guò)上健康的生活。政府清理一塊土地開(kāi)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(guò)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(guò)高。

在環(huán)境領(lǐng)域以外的其他地方，識(shí)別和量化存在的元素也是有幫助的，例如確定潤(rùn)滑油中的金屬濃度以推測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(cè)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(dá)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(cè)金屬（如貢）和準(zhǔn)金屬（如砷），可同時(shí)分析十種元素。該技術(shù)的背后是什么支撐？氣體的細(xì)致傳輸是如何發(fā)揮作用的?

通過(guò)質(zhì)量流量控制器控制氬氣供應(yīng)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，元素分析的ICP-AES方法使用等離子體產(chǎn)生待測(cè)樣品中元素的激發(fā)原子和離子，當(dāng)其返回基態(tài)時(shí)，使用原子發(fā)射光譜法（AES）測(cè)量其特征光譜。光譜中線(xiàn)條的強(qiáng)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(duì)土壤樣品和其他固體物質(zhì)來(lái)說(shuō)有點(diǎn)棘手。為解鎖化學(xué)元素，需將樣品溶解在強(qiáng)酸中：王水，一種鹽酸和硝酸的混合物。泵將樣品從儲(chǔ)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(zhǔn)確調(diào)節(jié)霧的濃度，并在必要時(shí)進(jìn)行稀釋?zhuān)诹髁靠刂破鞯膸椭?，向噴霧器提供氬氣流。薄霧進(jìn)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(xiàn)圈通過(guò)氣體，為氣體提供足夠的能量，一些氣體就會(huì)釋放電子。除了最初的氣體粒子，現(xiàn)在還有負(fù)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(chēng)為等離子體；等離子體被稱(chēng)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(guò)ICP，氬氣形成等離子體的基礎(chǔ)，必須使用流量控制器準(zhǔn)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(zhǔn)確和連續(xù)供應(yīng)是重要的。為了保護(hù)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(dāng)含有待測(cè)化學(xué)元素的霧與等離子體碰撞時(shí)，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(jìn)入激發(fā)態(tài)。元素不喜歡處于激發(fā)態(tài)，所以它們?cè)噲D以較低的能級(jí)回到基態(tài)。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，每個(gè)元素發(fā)射出其特有的輻射。通過(guò)光譜儀測(cè)量輻射，輻射的強(qiáng)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(cè)器的組合，用于引導(dǎo)和測(cè)量發(fā)射的輻射。為了防止過(guò)程受到干擾，例如含氧氣體對(duì)輻射的吸收，光學(xué)物體所在的區(qū)域不斷用氮?dú)獯祾?。氣流不一定要非常?zhǔn)確，但須有高度的重復(fù)性。流量控制器的使用對(duì)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(lèi)似的元素分析技術(shù)；最大的區(qū)別在于檢測(cè)方法不是光學(xué)。來(lái)自等離子體的帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀（MS），通過(guò)質(zhì)荷比來(lái)分離，并記錄帶電粒子中每一個(gè)的相對(duì)比率。ICP-AES在大氣壓下進(jìn)行，但I(xiàn)CP-MS需要真空。ICP-MS的檢測(cè)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(lái)說(shuō)：無(wú)機(jī)砷化合物通常比有機(jī)化合物中的同類(lèi)化合物毒性更大?？墒褂肐CP-AES 和 ICP-MS來(lái)區(qū)分不同形式的元素，該過(guò)程被稱(chēng)為“形式差分”。需在ICP過(guò)程之前，例如通過(guò)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(jiàn)。

質(zhì)量流量計(jì)和控制器用于ICP-AES

當(dāng)ICP首次發(fā)明時(shí)，氣體是手動(dòng)添加的。隨著ICP逐步自動(dòng)化，氣體調(diào)節(jié)也實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并引入了質(zhì)量流量計(jì)。ICP-AES使用的質(zhì)量流量計(jì)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(gè)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更低的檢測(cè)限值。面對(duì)日益嚴(yán)格的質(zhì)量和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，這很有幫助。

Bronkhorst為分析市場(chǎng)提供流量計(jì)，有很多客戶(hù)是分析設(shè)備供應(yīng)商?？蛻?hù)較多采用定制的集多功能于一體的“manifold”解決方案。實(shí)驗(yàn)室空間有限，體積小巧的緊湊型儀表變得越來(lái)越重要。

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