2011年光谱分析新技术及应用交流会成功召开

　　2011年5月19日，北京理化分析测试技术学会与德国斯派克(SPECTRO)分析仪器公司在北京湖北大厦联合举办了“2011年光谱分析新技术及应用交流会”，介绍了SPECTRO公司最新分析技术与应用。来自科研院所、高等院校的近百名专家学者参加了本次交流会。

2011年光谱分析新技术及应用交流会现场

　　首先，北京理化分析测试技术学会桂三刚秘书长致辞，欢迎各位老师和朋友的到来，并简要介绍了北京理化分析测试技术学会和光谱技术的发展情况。

北京理化分析测试技术学会 桂三刚 秘书长

　　北京理化分析测试技术学会是北京地区分析测试行业专家自愿组成的学术团体，由色谱、质谱、波谱、光谱、电镜五个专业委员会和仪器商会组成。我们积极举办一系列学术交流活动，这次主要介绍SPECTRO公司的最新光谱分析技术与应用。最近几年，光谱技术应用越来越广泛，在材料、形态分析等方面有很大的进步。过去，光谱仪器在企业应用比较多，而在大学实验室和地方分析中心应用比较少，现在第三方实验室也有了崛起之势。目前，光谱技术正处在迅猛发展之中，许多大学也都在积极探索、拓展光谱的应用领域。希望今天借助这个机会，大家一起交流光谱技术及其应用，进一步促进光谱技术的发展。

　　随后，德国斯派克分析仪器公司曹海波总监简要介绍了SPECTRO公司发展历史、主要产品和应用。

德国斯派克分析仪器公司 曹海波 总监

　　SPECTRO公司1979年成立，总部位于德国一个小镇上。SPECTRO公司是世界最大的光谱仪器制造商之一，是世界发射光谱技术的缔造者和领导者。SPECTRO公司主要产品有四类：火花直读光谱仪系列——SPECTROLAB/MAXx，便携式光谱仪系列——SPECTRO iSORT /xSORT/TEST CCD、等离子体发射光谱仪系列——SPECTRO ARCOS/GENESIS和X荧光光谱仪系列——SPECTRO/XEPOS/MIDEX/xSORT/iQ II 。火花直读光谱仪是公司的起家产品，在中国的市场占有率是79%。SPECTRO公司的产品广泛应用于钢铁冶金、有色金属、石油化工、机械制造、能源电力、铁路运输、航空航天、食品卫生、环境保护以及教学科研等各个领域。

　　SPECTRO公司在全球有30000多个用户，其中，在中国有4000多用户，5000多套设备在使用。SPECTRO公司在中国大约有50名雇员，有4个办公室和4个维修中心，分布在北京、上海、广州和成都;有1个应用中心在上海，所有的产品在应用中心均有展示。

　　下面，SPECTRO公司ICP技术专家符廷发教授做了最新等离子质谱仪和等离子光谱仪的技术特点及应用专场报告，详细介绍了最新一代全谱直读ICP光谱仪——SPECTRO ARCOS和新一代全质谱同时检测ICP-MS仪器——SPECTRO MS。

SPECTRO公司ICP技术专家 符廷发 教授

SPECTRO ARCOS——最新一代全谱直读ICP光谱仪

　　SPECTRO ARCOS为何是最新一代全谱直读ICP光谱仪?符教授从时序发展和性能特点两方面加以说明。七十年代是多道光量剂，八十年代为单道扫描，九十年代是二维色散全谱直读，本世纪始发展成一维色散全谱直读。 它的优点是：全部为一级线光谱，全谱分辨率一致，全谱同时检测 ，实现实时内标，开机起动快，不吹氩气保护，光谱范围更宽。

　　接下来，符教授详细阐述了SPECTRO ARCOS仪器各组成部分的卓越性能。

SPECTRO ARCOS

　　光学系统

　　优化的帕邢-龙格光学系统，再加上由铝合金所铸造的基座，为ICP技术创造了一个里程碑，它拥有史无前例的性能，在130nm到340nm光谱范围里像素分辨率是3pm，340nm或以上的光谱范围里像素分辨率是6pm。这种固定的分辨率值只能在帕邢-龙格光学系统上实现，它的优势在于能够以高分辨率的模式分析复杂基体(富谱线光谱)，从而改善测量的精度。

　　值得一提的是，帕邢-龙格光学系统能在130nm到770nm光谱范围里，进行一级光谱的全图谱数据采集，就是在远紫外区也能得到良好的灵敏度，这对于卤素测试，痕量元素分析，或是一些在远紫外区谱线灵敏度比较好的元素，都帮助很到。对于复杂基体的分析，通过选择在远紫外区不受干扰的谱线进行分析，可简化方法建立的流程和提高分析的准确度。

　　远紫外区光学系统光室采用氩气循环的方式，并准备有净化装置的隔膜泵，保证了远紫外区域分析的灵敏度和仪器的长期稳定性，避免了使用吹扫—光室气氛不稳，或真空装置—光学元件易被污染的问题。除了能在130nm到190nm这个远紫外区光谱范围里高灵敏度分析，它还可大幅降低运行成本，在整个仪器使用周期里，与吹扫装置的ICP相比，远紫外区光学系统(UV-PLUS)可节省相当于三分之一的仪器采购成本。

　　激发光源

　　激发光源采用风冷式陶瓷震荡管和高精度固态电源，频率为27.12MHz，输出功率为0.7至1.7KW，保证了SPECTRO ARCOS的等离子体有异乎寻常的稳定性。免维护的激发光源无需任何电子或移动元件协助运行，可独立调整共振频率以适应各种样品，在测量各种变化很大的基体时，等离子体也可保持稳定。

　　相对于40.68MHz，27.12MHz拥有更大的频宽，以适应各种基体复杂的样品。在进行大负荷(如有机样品等)样品分析时，一般需要消耗很大的功率，但是SPECTRO ARCOS的高频陶瓷震荡管以及完全由计算机控制的高精度固态电源，可有效降低功率消耗，减少能量损失，提高耦合效率和延长系统寿命。在等候情况下，操作者可选择“待机模式”，以减少功率和氩气的消耗。

　　等离子体接口

　　水平观测模式最适合进行痕量元素分析，ZL的Optical Plasma Interface(OPI)接口，能有效提高灵敏度，可获得比垂直观测模式好十倍的检出限。传统的ICP在水平观测模式时会采用“尾焰切割”或“延长矩管”来消除基体干扰的问题，而OPI则是直接穿透等离子体，把尾焰吹开，彻底消除基体干扰。如果没有OPI，在同时处理各种变化很大的基体时，尤其是环保方面的样品，会使得等离子体处于不稳定状态，并造成不良影响，例如回收率变差。借助十多年的实际应用经验，OPI在经过进一步的改进后，简化了维护，并可确保精确定位。

　　在进行高精度和高准确度分析时，垂直观测模式SPI(Side-On Plasma Interface)是最佳的选择，它的优点是能够在分析高盐、有机、悬浮状样品时提供更好的精度和准度。全计算机控制的矩管定位系统，能自动优化OPI接口与等离子体的距离以及SPI接口的观测高度，这些设定可以与其它参数一起随方法保存，并可自动随方法调出使用。

　　检测器

　　SPECTRO ARCOS最多可使用32个线性检测器对130nm到770nm光谱范围进行一级光谱的全谱数据采集，与其它采用CCD检测器的ICP相比，SPECTRO ARCOS的检测器在实现极低的暗电流噪声基础上，将工作温度设定为15℃，这样既保证了仪器的灵敏度，又无需使用大流量、高纯度的保护性气流吹扫检测器表面，大大降低了日常运行费用，而且还可避免因环境温度波动带来的干扰。

　　每一个CCD均有独立的数字信号处理器。双CPU、32通道的高速数据读出系统对信号进行再处理。所有的32个CCD，可在2秒内完成全谱信号的采集和运算;每一个像素的积分时间可根据信号强度而自动调整，数据读出系统能以10Hz频率处理瞬间信号，可与LC、HPLC等联机使用。快速的数据读出和高达8个数量级的动态范围，能有效消除溢出效应，并可在无须稀释样品的情况下直接进行痕量元素分析。

　　进样系统

　　样品是通过一个位于仪器右边的四通道蠕动泵进入仪器，这种设计能大幅缩短样品流通和冲洗时间，从而极大缩短了宗分析时间。利用全计算机控制的冲洗程序和自动进样器的协助，可进一步优化分析时间，对于一些工作量相对很大的分析，例如地质、土壤和油品测试，SPECTRO ARCOS可轻易完成每天1000个样品的测试。

　　宽敞和隔热的样品进样室，可以配合不同种类的进样系统，智能化的定位装置设计，使得雾化器和矩管的安装轻而易举，无需费时费力再校准。冷却氩气、辅助氩气、雾化器氩气和附加氩气完全由软件控制，在方法中这些参数都能单独更改和独立储存，在需要时，自动优化程序会调整各项参数，该功能可让初学者更快掌握仪器的使用。

　　软件

　　SPECTRO ARCOS采用的SMART ANALYZER VISION软件，各项功能一目了然，操作直观、简便，它满足了现代实验室的需求，也可以和LIMS系统结合使用。其它软件功能还包括数据重处理：也就是说更改已储存数据的参数或重选其它谱线，然后再进行分析。

　　仪器校准

　　外界环境变化(如温度、气压、振动引起光路变化)，工作条件变化(如工作气体的压力、纯度，工作电压的波动)，仪器本身的老化等，都会引起仪器漂移，所以仪器需要校正。

　　传统的校正方式是用汞灯或氖灯、零级光和参考线进行谱线定位校准，它的缺点是用有限的几条谱线(汞线、氖线、碳线或氩线)校准整个波段(165nm–800nm)，只校准波长(谱线位置)，无法校准检测器的灵敏度。SPECTRO ARCOS采用智能逻辑校正，主要有像素灵敏度校准、波长位置校准、强度校准等方式。

　　应用

　　最后，符教授介绍了SPECTRO ARCOS仪器的应用，并对它的主要特点作了总结。SPECTRO ARCOS仪器可广泛适用于科研、冶金、机械、石化、环保、食品、地质、生化等愈来愈复杂的元素分析需求，如Cl、Br、I的测定，铸铁中磷等元素的测定，硫酸溶解的铸铁样品中的P、Si、Cu等元素的分析，钢铁中低硼和低铅的测定，铸铁分析，高锰不锈钢中主量和次量元素的测定，金中的痕量元素分析，纯铝中铅(168.215nm)的测定，环境样品中的Pb(168.215nm)的测定，高纯铜中的痕量P(178.287nm)的测定，饮用水测量，高盐溶液中痕量金属的检测等，均取得了让人满意的结果。

　　SPECTRO ARCOS仪器的主要特点有：1)分析速度快：几秒内完成全谱测量(可60个样/小时);2)最宽的光谱范围：130/165—770nm;3)CCD不需冷却：不结霜，省时、省气;4)ZL的自循环光室：不用气体吹扫，随时测S、P、Cl、Br、I;5)ZL的OPI接口，灵敏度高;6)全自动精密的气流控制;7)全自动精密的ICP炬焰位置调节;8)扩展的线性工作范围—8个量级;9)适应任何样品分析：无机、有机或油品;10)快速半定量与事后解析功能;11)随时点火，不需待机时间, 全自动化运行;12)最省的运行成本：不费气体吹扫光室，不费防结霜保护气体，最省的ICP用气，最快的速度。

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SPECTRO MS——新一代的全质谱同时检测的ICP-MS 仪器

　　ICP-MS是用ICP做为离子源，把物料汽化、解离、原子化、离子化，用质谱计(如四极杆)对离子过滤分离而按质荷比分别进行测定的技术。它具有多元素测定 (>75)，宽大的线性工作范围(~9数量级)，极好的检出限(大多数元素0.01-10ppt) ，较快的分析速率，很少的样品量，少的谱线干扰，快速的定性、半定量分析能力，特有的同位素与同位素比值测定能力，可与多种进样技术相匹配等诸多优点。ICP-MS分析技术自1983年问世，深获无机分析界的重视，成为现代无机分析的强有力的手段，广泛应用于环保、临床诊断、地质、刑侦、石化、材料、药物、食品及农业等领域。

　　但是，直至现在，所有的ICP-MS仪器都是基于时序测量的技术，绝大多数仪器采用四极杆为滤质器。而时序的测定技术有严重的缺点：1)锥孔沉积效应而用内标法，但内标离子与分析离子不“同时”测定，其补偿效果有限，带来偏差;2)不是全谱同时测量，影响瞬变信号的测量，如流动注射、电热汽化、激光烧蚀、与液相分离联用进样等，脉冲信号的时序变化使结果偏离;3)各同位素离子的有效测量时间仅为样品扫描测量时间的几十至二百分之一，费样品与测量时间，使对同位素比值的测量精密度大受影响。

　　接下来，符教授针对上述问题如何解决，详细介绍了SPECTRO MS与众不同的卓越性能。

SPECTRO MS

　　进样系统

　　SPECTRO MS进样室采用滑动门设计。进样室宽敞，可方便快速更换进样系统或其它组件。SPECTRO MS进样系统的连接非常灵活，可采用各种雾化器与雾化室的组合，也可连接色谱仪、超声波雾化器或激光烧蚀装置。

　　四通道蠕动泵，全计算机控制，准确控制样品提升量。蠕动泵与样品架置于仪器左侧且紧靠进样室，缩短样品输送路径，减少管路冲洗时间。

　　等离子体源

　　与SPECTRO ARCOS型ICP光谱仪相同，SPECTRO MS也采用了非常高效(>70%)、稳定(99.9%)、免维护的高频发生器。激发系统采用自激式27MHz，空气冷却，固态电路和全自动控制，其谐振频率随着负载变动而立刻自动调节，确保等离子体的激发稳定。即时是极难激发的样品，也能获得极好的分析结果。

　　SPECTRO生产的发生器无可移动的部件，也无繁琐的电路，坚固耐用，可靠性强。其27MHz发生器比40MHz发生器允许的带宽更宽，能补偿更大的负载波动。发生器输出功率高达1.7KW，满足ICP质谱的所有应用要求，即时是最难激发的有机样品也可获得高效激发。发生器的运行全由计算机控制和监测，对各种类型样品的运行参数也存储在相应的方法中。采用步进马达控制X-Y-Z三维调节选择矩管的最佳位置，使等离子体出射的粒子束对准接口，这些参数也和发生器的运行参数一起存储在方法中。

　　真空系统

　　高效、低维护的真空系统由2个涡轮分子泵和内置的真空机械泵组成，为接口(2～4mbar)、离子透镜(月10-3～10-5mbar)和质量分析器(10-6mbar以下)提供所需的真空度。整个真空系统完全自动监控，并可无人值守安全运行，当仪器不点火使用时，备用模式可降低泵速，以减少磨损和能量消耗。

　　接口

　　离子从等离子体射进高真空系统的接口由同轴安置的两个金属圆锥(进样锥和截取锥)组成。它们的中心各有一个小孔，通过矩管位置的调节，可使其精确对准单价离子最强的等离子体部位。

　　进样锥吸进等离子气体，引起其扩张膨胀，形成超音速束流射入接口真空区，气体的温度和压力急骤下降，使离子有效的在真空中传输而没被碰撞，而截取锥剥离外层气体，只允许分析离子进入下一级真空区。椎体由耐腐蚀的镍或铂材料制成，铂锥主要用于有机溶液或高浓度酸液及HF酸。由于接口锥紧靠极高温的等离子体，因此需要水冷却。它们需要定期清洁，出现严重磨损时需要更换，整个进程非常方便快捷。

　　离子透镜

　　SPECTRO MS全新设计的离子透镜，完全抛离电子、光子和中性粒子干扰，及其高效地把分析离子传输给质量分析器。

　　首先，提取透镜除去从截取锥射入的气流中的电子，而正电荷离子束聚焦到预过滤器。提取透镜可方便取下清洁而不用破坏高真空。预过滤器是一个127度扇形静电场，把离子规范为按圆形路径飞行，而光子和其它非带电粒子直线飞行被分离。离子束流继续穿过Einzel透镜和静电四极杆对，把圆形束流调制成矩形束流，便于通过入射狭缝，提高离子的传输效率。随后进入Mattauch-Herzog质量分析器。整个离子透镜的控制完全由仪器软件进行直观调节，所有的参数均存储在方法中，操作极为简单。

　　质量分析器

　　SPECTRO MS采用Mattauch-Herzog双聚焦扇形场质量分析器，它由入射狭缝、静电分析器(ESA)、能量狭缝和扇形磁场以及检测器组成。

　　离子束流的能量带宽，经静电分析器(ESA)减小，以提高随后由磁场进行质量分离的分辨率。由Mattauch-Herzog的特性把所有的离子按质量聚焦到一个焦平面上，因此使用平面检测器就可以同时俘获全部质谱，无需扫描或跳峰测量，即使是在进行复杂基体分析时，也可获得高灵敏度和低背景干扰，而有极好的检出限。

　　检测器

　　SPECTRO MS采用首创的DCD平面检测器，具有4800通道和高读出速率，同时覆盖全部无机质谱范围。每个通道又有二种不同增益的工作模式(双阶设计)，因此能直接处理很宽范围的信号。

　　动态测量范围可通过调节积分时间再扩展，每个通道可在测量中自动设置，从而能在很宽的动态范围下获得最佳的信背比。而极高的读出频率使能进行瞬时信号的测量。

　　最后，符教授总结了SPECTRO MS仪器出类拔萃的几点：1)双聚焦扇形场质谱仪、全新设计的离子透镜和首创的全质谱检测器;2)全质谱同时检测无机质谱仪;3)高效无油真空系统和免维护自激式发生器;4)快速指纹获取、实时内标校正、瞬时信号检测、同位素比值和同位素稀释测定;5)符合EPA、FDA、CLP和21 CFR Part 11测试规范。