4100 MP-AES：整體擁有成本最低 安全 低碳
【導語】2011年9月，安捷倫在全球各地（包括中國）幾乎同時發布了4100 MP-AES微波等離子體原子發射光譜儀（安捷倫推動原子光譜革命：使用空氣進行元素分析），并把它賦予了“一個全新的原子光譜品類、原子光譜的革命性創新”的意義，其宣傳語是“空氣運行”，在全球原子光譜普遍缺乏創新的今天，MP-AES的推出著實引起了業界的震動。幾個月后，在2011年北京光譜年會上，分析測試百科網小編有幸采訪了安捷倫科技有限公司陳登云博士和幾位行業老前輩，并將內容匯總，希望對所有從事原子光譜研究和應用工作的老師們有幫助；在幾乎無路可走的原子光譜世界里又走出一條不尋常路的MP-AES的出現，無疑也會對我國的儀器研發制造界有所觸動……
安捷倫科技有限公司 陳登云博士
4100 MP-AES是一臺什么樣的儀器？
4100 MP-AES是一個全新的原子光譜品類，屬于基于等離子體源的原子發射光譜，它本質的創新是采用了一個不同的源——微波等離子體源。與傳統的ICP-AES相比，其光學結構同掃描模型ICP-AES類似；檢測器也不同于傳統的光電倍增管，而是采用了CCD檢測器。
“這款儀器本身是比較成熟的一款儀器；微波技術本身也是比較成熟的技術，很可靠。創新點在于：在很可靠的源技術上，加上了微波等離子體發生的創新技術，而且是高溫等離子體和高功率等離子體。”
MP-AES光學結構
為什么僅有一個源的改變，MP-AES就被稱為“原子光譜領域革命性的創新”？
因為它滿足了客戶的需求，如果要把這個“需求”說得更明白一點，那就是，4100 MP-AES能夠幫助客戶應對當前元素分析領域的挑戰（即未被滿足的需求）：
1、F-AAS使用乙炔、笑氣等有爆炸性、危險性高！受火焰溫度限制，很難達到更低的檢測限；
2、GF-AAS的速度太慢、進口高性能石墨管等耗材很貴！高能耗低效率，結果準確度影響因素多且復雜；
3、ICP-OES/ICP-MS具有良好的儀器性能和工作效率，但是不僅儀器價格高，而且使用Ar氣的消耗量很大。性價比如何平衡？
4、偏遠地區氣體購買和運輸的成本是多數實驗室不得不面臨的難題；
5、各種行業和熱點問題中對多元素寬動態范圍分析要求的與日俱增；
6、......
幾次MP-AES的演講中，安捷倫的技術專家都提到了一張片子：
原子光譜測量范圍-價格圖，注：價格指初始購置整機價格；Flame AA：火焰原子吸收；AFS：原子熒光
從這張“測量范圍-價格”圖中，我們可以看到，MP-AES價格微微高于石墨爐原子吸收，動態范圍較寬（達105數量級），測量范圍從百分含量到亞ppb級（靈敏度略遜于石墨爐原子吸收），在配備了MSIS多功能樣品引入系統，還可以覆蓋原子熒光的測量范圍，并可使用氫化物與常規氣溶膠同時分析的模式，同時測定常規元素和氫化物元素。
真正的創新來自于：4100 MP-AES成功地采用了微波等離子體源，可用氮氣或直接用空氣運行，能夠很好地應對上文提到的當前元素分析領域的挑戰。
陳登云博士總結了4100 MP-AES的特性：
1、與掃描型ICP-AES相近甚至更優異的分析性能（個別元素分析性能更加優異）
2、直接使用氮氣（純度要求不高，可使用鋼瓶氣、液氮罐、氮氣發生器）或空氣作為工作氣體，極大節省分析成本
3、除電源外，無需昂貴和危險氣源、循環水等外設，綠色環保
4、不用爆炸性氣體，安全可靠；
5、可無人照看全自動操作，適合偏遠地區
由于上述特性，盡管4100 MP-AES整機購買的價位不是很低，但考慮到氣體、耗材、對操作人員水平的要求等成本后，4100 MP-AES是一臺整體擁有成本最低、安全低碳的原子光譜儀！
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MP-AES為什么能夠成就這種革命：關于微波等離子體源技術
在談微波等離子技術之前，陳博士在演講中先介紹了等離子體技術為什么比較受客戶青睞。這主要是由于不同原子化器的原子化溫度造成的，溫度越高，原子化效率越高，測定的靈敏度越高、抗干擾能力越強。
表1 不同原子化器的原子化溫度對比
| 火焰AAS：空氣/乙炔 | 2100－2400℃ |
| 火焰AAS：氧化亞氮/乙炔（很少用） | 2600－2800℃ |
| 石墨爐 | 2500－3000℃ |
| 等離子體（等離子體維持氣體包含：Ar，N2，He，空氣等） | 5000－10000℃ |
等離子發射光譜法的基本原理：溫度－發射譜線
在分析化學上用的等離子體溫度是5000－10000℃，溫度的差異，對于發射線的豐富程度就有比較大的差異，達到5000℃以上，所有的原子線就都可以發射了。4100 MP-AES的等離子溫度可達5000℃（氮氣），主要是原子線；相比而言，ICP-AES的等離子溫度為7000－8000℃，有原子譜線和離子譜線。（這大概意味著，有些元素可能MP-AES靈敏度更高，而有些元素ICP-AES靈敏度更高）。
問到微波等離子體源的研發歷史，陳登云博士只說它是來源于瓦里安的技術，小編google了一下，可查到2006年瓦里安申請的ZL：Microwave plasma source http://www.google.com/patents/US7030979，回過頭來再看，2009年安捷倫對瓦里安的收購確實是兩家都“心甘情愿”甚至“歡呼雀躍”的，因為安捷倫有本事讓更多的創新變成“有用的創新”。
微波發生等離子體技術的提出其實很早，我國金欽漢教授也早在1985年就提出了微波等離子體炬的概念（并于90年代開發了相關儀器），它是一種開放式的等離子體光源。當時學術界所研發的MP-AES，功率不夠，僅為100－300W，等離子體光源的溫度低、電磁輻射高、金屬元素分析靈敏度弱、基體干擾大、容易滅火，所以無法推廣使用。后來，成功商用的等離子體發射光譜主要就是電感耦合等離子體（ICP）技術。
高功率微波聽起來似乎也不難，現在的微波消解裝置很多都達2000多瓦的功率，但要讓發散的高功率（如MP-AES上的1000瓦微波功率）集中起來、形成穩定的等離子體炬很難，4100 MP-AES采用ZL微波導波技術，解決的正是這個問題。新型4100 MP-AES為1000瓦固定功率（當然也可以做到2000W，不過成本就高了），是典型的ICP工作功率，在氣體溫度上跟ICP是比較相近的。
微波導波技術（藍色為磁力線，紅色為電場線）
微波等離子體（右）和ICP等離子體（左）非常相似，同樣采用磁場耦合的三圓同心玻璃管，但微波等離子體頻率更高，產生更明顯的中心通道，可形成更穩定的等離子體
從等離子的結構上看，4100 MP-AES采用的垂直等離子體結構和垂直ICP等離子體相像（但無需水冷），也是三圓同心石英玻璃管，4100 MP-AES采用微波導波技術將微波能量通過特殊的技術耦合到等離子體激發腔中，從而形成穩定的微波等離子體光源。微波等離子體比ICP有更高的激發頻率，可達2450 MHz，并可產生更明顯的中心通道。與傳統的氬等離子相比，不僅激發頻率高而且等離子體更容易形成，更加穩定，耐受力也更強。比如ICP怕有機溶劑，進去就很容易淬滅掉；而微波等離子體的一個顯著優勢就是可耐有機溶劑。
除此之外，MP-AES和ICP-AES還有以下不同：
（1）MP-AES整個機器是全封閉的，所以不會有任何泄漏。
（2）MP-AES的維護項目較少，與ICP-AES相比，其軟件的操作和硬件的維護都更簡單。
（3）進樣上看，4100 MP-AES具有可采用標準進樣、惰性進行、有機進樣、MSIS多功能樣品引入系統等方式。幾個月前的發布會上，MSIS多功能進樣能夠一次分析完成氫化法元素（即原子熒光分析的元素）和常規元素的同時測量，給專家們留下深刻印象。這次陳博士還專門介紹了有機進樣，這種可耐有機溶劑、不滅火的特性給大家留下了另一種深刻印象。
三個簡單步驟安裝炬管
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MP-AES三大技術優勢 為客戶創造價值
談及MP-AES技術優勢，陳博士娓娓道來：“我們可以歸納為三點：成本優勢、應用優勢、安全優勢。”
1、成本優勢
石墨爐原子吸收的速度太慢，進口高性能石墨管等耗材很貴、火焰原子吸收使用乙炔、ICP-OES/ICP-MS不僅儀器價格高，而且使用氬氣的消耗量很大，而4100 MP-AES使用基于氮氣的等離子體，僅靠空氣運行，使用和整體運營成本大大降低。
極低的總體擁有成本：MP-AES比火焰原子吸收光譜更加節省成本。參考舉例，用安捷倫4100 MP-AES取代火焰原子吸收光譜儀（使用乙炔和笑氣）能夠顯著節約分析費用。如在100個樣品中分析9種元素，每周測量3天，從第五個月開始省錢，18個月后，可節約運營成本40,000多美元！
MP-AES相對于ICP-AES的運營成本，陳博士表示：“兩者在其它耗材方面的消費差不多，運營成本的主要差異就是氬氣消耗。在北京一瓶氬氣約合160元人民幣（包送）；而在內蒙古地區，一瓶氬氣則需要600元人民幣左右；如果在更偏遠的地區，由于運輸成本的增加，可能還要花費更多。ICP-AES正常消耗2瓶氬氣/天，MP-AES不需氬氣，運營成本高低立見。中心城市的客戶可以直接購買液氮；偏遠地區的客戶可購置一臺空氣壓縮機和一臺氮氣發生器（普氮級別即可），連接上MP-AES即可直接使用。”
“由于無需昂貴氣體的引入，4100 M0-AES 更是礦山、環境監測站等地處偏遠氣體運輸困難地區的理想選擇。
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2、應用優勢
1）有機樣品直接分析、氫化物發生元素分析、貴金屬分析
運用原子光譜進行常規樣品分析很容易實現，但是針對汽油、柴油、石油類有機樣品，需要經過復雜消解，將樣品無機化后進行測定，步驟繁瑣。有些原子吸收號稱對有機樣品可直接進樣分析，但由于樣品含碳量高，基體效應大，常無法達到檢出限要求。若采用ICP-AES，它的最高激發頻率是40.68 MHz，容易滅火，故傳統的原子光譜方法差強人意。但使用MP-AES就很容易，不需要消解，直接上樣就能分析，減少了用戶自己消解的過程，也不容易污染，且具備更低的檢測限。陳博士也展示了MP-AES進行有機多元素分析（Zn/Si/Fe/Ni/Ag/Pb/Cu/Mg/Ti/Al）的長期穩定性：8小時RSD < 2%。
對于As/Se/Hg等中國常用原子熒光分析的元素，MP-AES了采用氫化物發生法，并可使用氫化物與常規氣溶膠同時分析的模式，同時測定常規元素和氫化物元素。 陳博士舉例中，展示了針對GB5749-2006新版中國生活飲用水法規，用MP-AES氫化物及常規同時分析模式可獲得很好的效果。其余的元素除了TI一定要用ICP-MS，用MP-AES都能遠遠滿足法規要求。
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元素 |
MPAES典型檢測限（mg/L） |
限值（mg/L） |
| As砷 | 0.0010 | 0.01 |
| Se硒 | 0.0020 | 0.01 |
| Hg汞 | 0.0005 | 0.001 |
對于鉑族貴金屬元素，MP-AES展示了比ICP-AES還優越的分析性能。
MPAES與FAAS，ICPAES檢測限比較，MPAES與傳統垂直ICPAES檢測下限相近，鉑族元素甚至優于ICPAES！
2）形態分析？當然可以！
形態分析的核心是在原子光譜前端使用液相色譜分離，4100 MP-AES的分析形態主要是液態樣品，自動化功能強，一次可進行多元素分析，基本上ICP-AES做的元素形態分析，在MP-AES上都可實現。
3）炬管安裝3步法更簡便
一體化炬管結構，材質獨特，可以放于酸溶液中清洗；炬管上設計了幾個氣孔，安裝時不需要接氣體管路。自動炬管裝載定位系統可實現快速的炬管定位和氣體連接。確保炬管的定位精度和快速啟動。只需拉開炬管架裝載手柄 －插入炬管－鎖緊炬管裝載手柄簡單3步，即可完成炬管的安裝。
4）簡單易用專業軟件系統
此外簡便易用、專業的軟件系統，可自動加載預設方法，無需繁瑣的方法開發、調整或培訓，即可快速掌握操作分析。軟件操作語言完全本地化（比如中文），用戶也可根據自己的使用習慣安裝英文或者支持本地語言的軟件版本。
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3、安全優勢
火焰原子吸收使用的乙炔、笑氣等氣體具有爆炸性，危險性高，而MP-AES僅靠空氣運行，杜絕了安全隱患，且可實現無人值守操作，大大提高了實驗室分析效率。
ICP泄露的防護技術并不成熟，相比之下微波發生器作為等離子體的激發核心，采用了強力可靠的工業級磁控管——微波爐磁控管技術在世界范圍內已有極為廣泛的應用，保證了安全無泄漏。“微波的防泄露技術是非常成熟的，就像家用微波爐很安全。”陳博士補充說。
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