致敬:ICP光譜發展道路上的創新者

2020年3月26日 16:01:55 來源: 分析測試百科
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  ICP-OES(或稱ICP-AES),全稱是電感耦合等離子體發射光譜儀,迄今為止,在溶液態的元素分析領域,ICP-OES是被廣大用戶稱贊最多的儀器。為什么這么說?因為它具有幾大優點:(1)可以定量分析元素周期表中>73種元素,適用于廣泛的標準;(2)通量很高,一分鐘內可同時分析樣品中的多元素(全譜直讀型);(3)動態范圍很寬,樣品含量從亞ppb至%;(4)可耐受基體能力強,固體溶解量(最大可容忍量)達2-25%。可以說,如果不考慮超高痕量元素分析和同位素分析的話,對于絕大多數溶液態元素分析來說,ICP-OES一臺儀器全搞定。不管是測試中心還是第三方實驗室,ICP-OES都是一臺“相當賺錢”的儀器,對于有一定樣品量的實驗室購買一臺ICP-OES,一年內就能收回成本。

  但就是這么一臺ICP-OES,全球一年的銷量不到3000套。人們常會說喬布斯如何偉大,但喬布斯面對的是一個如此巨量的市場,他的一個創新足以改變世界。在如此“小眾”的一個領域,也有一些具有喬布斯般創新精神的人,不斷推出創新產品,推動ICP-OES的不斷進步。在一個“小眾”市場堅持創新,更難能可貴,更值得尊敬!

  大家可能知道,賽默飛將要在3月31日推出ICP-OES新品,在對新品的想象和期待中,小編接下來將帶大家簡要回顧一下,ICP-OES發展的歷史,并著重介紹賽默飛在其中的貢獻。

ICP光譜發展的三個階段

  ICP光譜法出現于20世紀60年代,其技術的發展大致可分三個階段。

  第一階段:0到1的突破 第一臺商品化ICP光譜

   1961年Reed設計了一種從石英管的切向通入冷卻氣的較為合理的高頻放電裝置,它采用Ar或含Ar的混合氣體為冷卻氣,并用碳棒或鎢棒來引燃。Reed把這種在大氣壓下所得到的外觀類似火焰的穩定的高頻無極放電稱為電感耦合等離子炬(ICP)。Reed的工作引起了 Greenfield、 Went和 Fassel的極大興趣,他們首先把Reed的ICP裝置用于AES,并分別于1964年和1965年發表了他們的研究成果,開創了ICP在原子光譜分析上的應用歷史。

  從1962年美國阿華州立大學 Fassel實驗室研究ICP光源解決物質離子化開始,到1974年ARL(已并入賽默飛)推出第一臺商用ICP光譜儀器,是ICP光譜技術第一階段,這一時期人們完成了ICP焰炬的發現、進樣系統設計、分析條件的優化以及各類型試樣的應用可行性,具備了推廣應用的初步條件,同時開始商品化生產。

  第二階段:4大發展歷程,ICP-OES日趨成熟

  隨后,ICP發射光譜經歷了4個發展歷程,產品走向成熟:

  1、以棱鏡為分光元件、以感光板為測量器的攝譜儀;

  2、以固定棱鏡或光柵為分光元件,以多個光電倍增管(PMT)為檢測器的多道直讀ICP-OES;

  3、以轉動平面光柵為分光元件,以單個光電倍增管(PMT)為檢測器的單道掃描ICP-OES;

  4、以中階梯光柵和棱鏡構成的二維色散系統為分光系統,以平面固體檢測器為檢測器的全譜直讀ICP-OES(或稱分段掃描ICP光譜儀、順序同時型ICP光譜儀)。

  在分光(色散)系統方面,光柵技術的使用是ICP光譜性能提升的重要里程碑之一。最早的商用ICP光譜色散系統采用棱鏡作為分光手段,雖然可以實現從紫外到中紅外波段的色散,但色散波長呈非線性分布,對檢測準確性有很大影響。隨著光柵技術的發展和應用,解決了棱鏡分光造成的波長非線性分布問題。早期人們常用固定或轉動平面光柵作為色散系統,由于這種光柵需克服運轉周期和非周期性誤差,并且光柵刻畫不能完全等距,造成光柵中的“鬼線”,嚴重干擾光譜分析,因此很快被全息光柵和中階梯光柵所代替。全息光柵由于可以得到面積足夠大的等距、等寬的清晰干涉條紋,從而解決了平面反射光柵的不足,無“鬼線”,雜散光極少,衍射效率較低,分辨率高。中階梯光柵是一類特殊的衍射光柵,它以較高的衍射級次(幾十級至幾百級)和較大的閃耀角工作,具有高色散、高分辨率和全波段閃耀特性,經光柵或棱鏡對級次重疊的中階梯光柵光譜進行二次色散后可形成二維面陣光譜,在焦平面上形成點狀光譜,特別適合面陣探測器(CID、CCD)接收,因此也是目前ICP光譜在分光(色散)系統中使用最多的技術。

  CID:電荷注入器件Charge-Injection Detector

  CCD:電荷耦合器件Charge-Coupled Detector

中階梯光柵-CID光譜儀光路示意圖

  在檢測器方面,早期為了克服ICP光譜技術廣泛應用時顯現的靈活性與效率之間的矛盾,人們利用電視攝像機的光電轉換攝取整段光譜,同時記錄多條分析線和光譜背景。此外,人們也試驗過其他類型的檢測器:增強型硅靶管、析像光敏二極管陣列、光電倍增管(PMT)、光電二極管陣列(PDA)等。經過多年探索實驗研究,人們發現兩種固態檢測器CID和CCD最適合ICP光譜儀檢測器要求。

  1993年,賽默飛將亞利桑那大學研究的CID檢測器商品化,推出了第一臺采用固態陣列檢測器的ICP光譜儀——IRIS,檢出限與PMT相似但是檢測能力相當于25萬個PMT,能將樣品中所有元素的所有譜線記錄、儲存并測定出來。將ICP分析帶入一個嶄新的世界。

  CID檢測器通過電極電壓的改變使在檢測單元兩個電極勢阱中電荷發生轉移,從而進行讀出、注入檢測過程,當電荷的轉移、注入N型硅的襯底便在外電路中引起信號電流。相比于CCD檢測器,由于它不需要將陣列檢測器的電荷全部順序輸出而是直接注入單元體內襯底形成電流來讀出的,因此是一種非破壞性讀出(NDRO)過程。與CCD檢測器相比,CID最為顯著的特點就是NDRO功能,可真正實現二維連續檢測。不過由于CID的專利保護,市場上的ICP光譜只有賽默飛等少數幾家使用CID檢測器,其余大多用CCD檢測器。

第一臺采用固態陣列檢測器(CID)的ICAP光譜儀 IRIS

  第三階段:產品小型化,設計人性化

  在經歷了4個技術階段性發展后,ICP光譜逐漸進入“穩定期”。同時,“綠色分析化學”概念也逐漸進入了人們視線。常規的分析儀器在運行時需要使用大量試劑和氣體,容易產生大量有害物廢物,對環境造成危害。綠色分析化學是把綠色化學的原理應用在新技術的分析與研究中,利用一些先進的技術,把污染的源頭扼殺在搖籃中,使化學對環境的污染降到可以承受的范圍。對于分析儀器來說,主要關注點是減少分析時間、儀器小型化等

  在這方面,賽默飛再次引領了發展潮流。2006年,發布了當時世界上體積最小的iCAP 6000系列ICP光譜,相比于傳統產品,在保證分析性能的基礎上,大幅改善了實驗室用地緊張問題。

  縱觀整個儀器發展史不難發現,所有儀器都經歷了技術不斷提升,然后走向成熟,最后都會走向小型化。iCAP 6000后來在2013年更新為iCAP 7000,迄今經典的兩個iCAP系列已經在全球售出上萬臺。同時我們也不難發現,在近幾年市場上幾乎所有的ICP-OES也都開始走向小型化。

iCAP 6000系列

  全新的卡式設計可拆卸式進樣系統讓人耳目一新。卡式設計不僅提高了使用者維護的簡便性,同時也避免了因錯誤安裝造成的不必要的損壞,保證進樣系統正常工作。另外可拆卸設計可對易損件進行部分更換而無需整體更換,間接的實現了降低環境污染。

  2013年發布的iCAP 7000系列ICP光譜在繼承6000系列的基礎上,進一步加強“綠色分析”的概念。首先是人性化設計,最大程度降低操作難度,同時減少更換零部件,降低對環境的污染。采用更加智能的操作軟件不僅保證了測量的準確性,同時也大幅減少校正溶液的使用,減小化學溶劑帶來的污染。

結語和期待

  回顧歷史,ICP光譜技術首先誕生于上世紀60年代的實驗室,1974年推出第一臺商品化ICP-OES,隨后為適應高通量分析這個ICP-OES最重要的特點,1993年出現了CID固態檢測器。在ICP-OES日趨成熟后,小型化和人性化設計、簡單化操作等,讓更多的用戶可以輕松地使用,進一步推廣了ICP-OES的應用。

  那么接下來,用戶還會繼續鞭策廠家努力創新,比如:更高的靈敏度,更強的抗干擾能力,更高的通量,自動化智能化,穩定性……

  在新一代的ICP-OES上,賽默飛還會給大家帶來哪些驚喜?讓我們不妨記住兩個重要的日子:

  1、2020年3月31日,賽默飛全球發布新一代ICP-OES

  2、2020年4月9日,賽默飛將在中國網絡上發布新品,詳解新品特性。在網絡發布會上,還有兩位重量級嘉賓,將會大家帶來ICP-OES發展和應用動態的全新報告。

  同時,還有一些送給大家的“用戶之聲”福利:

  即日至4月9日,掃描以下二維碼,說出您對新品的期待:可以是一個詞,也可以是一篇美文。

  賽默飛將從參與者中隨機抽取10名幸運觀眾,送出價值百元的單耳藍牙耳機。

  獲獎名單將于4月9日直播開始前揭曉,敬請關注 !

  更多請見:

  突破效率邊界 探索性能未來,全新ICP-OES即將來襲!

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