4100MPAES：整体拥有成本最低安全低碳

　　【导语】2011年9月，安捷伦在全球各地（包括中国）几乎同时发布了4100 MP-AES微波等离子体原子发射光谱仪（安捷伦推动原子光谱革命：使用空气进行元素分析），并把它赋予了“一个全新的原子光谱品类、原子光谱的革命性创新”的意义，其宣传语是“空气运行”，在全球原子光谱普遍缺乏创新的今天，MP-AES的推出着实引起了业界的震动。几个月后，在2011年北京光谱年会上，分析测试百科网小编有幸采访了安捷伦科技有限公司陈登云博士和几位行业老前辈，并将内容汇总，希望对所有从事原子光谱研究和应用工作的老师们有帮助；在几乎无路可走的原子光谱世界里又走出一条不寻常路的MP-AES的出现，无疑也会对我国的仪器研发制造界有所触动……

安捷伦科技有限公司 陈登云博士

4100 MP-AES是一台什么样的仪器？

　　4100 MP-AES是一个全新的原子光谱品类，属于基于等离子体源的原子发射光谱，它本质的创新是采用了一个不同的源——微波等离子体源。与传统的ICP-AES相比，其光学结构同扫描模型ICP-AES类似；检测器也不同于传统的光电倍增管，而是采用了CCD检测器。

　　“这款仪器本身是比较成熟的一款仪器；微波技术本身也是比较成熟的技术，很可靠。创新点在于：在很可靠的源技术上，加上了微波等离子体发生的创新技术，而且是高温等离子体和高功率等离子体。”

MP-AES光学结构

为什么仅有一个源的改变，MP-AES就被称为“原子光谱领域革命性的创新”？

　　因为它满足了客户的需求，如果要把这个“需求”说得更明白一点，那就是，4100 MP-AES能够帮助客户应对当前元素分析领域的挑战（即未被满足的需求）：

　　1、F-AAS使用乙炔、笑气等有爆炸性、危险性高！受火焰温度限制，很难达到更低的检测限；

　　2、GF-AAS的速度太慢、进口高性能石墨管等耗材很贵！高能耗低效率，结果准确度影响因素多且复杂；

　　3、ICP-OES/ICP-MS具有良好的仪器性能和工作效率，但是不仅仪器价格高，而且使用Ar气的消耗量很大。性价比如何平衡？

　　4、偏远地区气体购买和运输的成本是多数实验室不得不面临的难题；

　　5、各种行业和热点问题中对多元素宽动态范围分析要求的与日俱增；

　　6、......

　　几次MP-AES的演讲中，安捷伦的技术专家都提到了一张片子：

原子光谱测量范围-价格图，注：价格指初始购置整机价格；Flame AA：火焰原子吸收；AFS：原子荧光

　　从这张“测量范围-价格”图中，我们可以看到，MP-AES价格微微高于石墨炉原子吸收，动态范围较宽（达10⁵数量级），测量范围从百分含量到亚ppb级（灵敏度略逊于石墨炉原子吸收），在配备了MSIS多功能样品引入系统，还可以覆盖原子荧光的测量范围，并可使用氢化物与常规气溶胶同时分析的模式，同时测定常规元素和氢化物元素。

　　真正的创新来自于：4100 MP-AES成功地采用了微波等离子体源，可用氮气或直接用空气运行，能够很好地应对上文提到的当前元素分析领域的挑战。

　　陈登云博士总结了4100 MP-AES的特性：

　　1、与扫描型ICP-AES相近甚至更优异的分析性能（个别元素分析性能更加优异）

　　2、直接使用氮气（纯度要求不高，可使用钢瓶气、液氮罐、氮气发生器）或空气作为工作气体，极大节省分析成本

　　3、除电源外，无需昂贵和危险气源、循环水等外设，绿色环保

　　4、不用爆炸性气体，安全可靠；

　　5、可无人照看全自动操作，适合偏远地区

　　由于上述特性，尽管4100 MP-AES整机购买的价位不是很低，但考虑到气体、耗材、对操作人员水平的要求等成本后，4100 MP-AES是一台整体拥有成本最低、安全低碳的原子光谱仪！

 

MP-AES为什么能够成就这种革命：关于微波等离子体源技术

　　在谈微波等离子技术之前，陈博士在演讲中先介绍了等离子体技术为什么比较受客户青睐。这主要是由于不同原子化器的原子化温度造成的，温度越高，原子化效率越高，测定的灵敏度越高、抗干扰能力越强。

表1 不同原子化器的原子化温度对比

火焰AAS：空气/乙炔	2100－2400℃
火焰AAS：氧化亚氮/乙炔（很少用）	2600－2800℃
石墨炉	2500－3000℃
等离子体（等离子体维持气体包含：Ar，N2，He，空气等）	5000－10000℃

等离子发射光谱法的基本原理：温度－发射谱线

　　在分析化学上用的等离子体温度是5000－10000℃，温度的差异，对于发射线的丰富程度就有比较大的差异，达到5000℃以上，所有的原子线就都可以发射了。4100 MP-AES的等离子温度可达5000℃（氮气），主要是原子线；相比而言，ICP-AES的等离子温度为7000－8000℃，有原子谱线和离子谱线。（这大概意味着，有些元素可能MP-AES灵敏度更高，而有些元素ICP-AES灵敏度更高）。

　　问到微波等离子体源的研发历史，陈登云博士只说它是来源于瓦里安的技术，小编google了一下，可查到2006年瓦里安申请的ZL：Microwave plasma source http://www.google.com/patents/US7030979，回过头来再看，2009年安捷伦对瓦里安的收购确实是两家都“心甘情愿”甚至“欢呼雀跃”的，因为安捷伦有本事让更多的创新变成“有用的创新”。

　　微波发生等离子体技术的提出其实很早，我国金钦汉教授也早在1985年就提出了微波等离子体炬的概念（并于90年代开发了相关仪器），它是一种开放式的等离子体光源。当时学术界所研发的MP-AES，功率不够，仅为100－300W，等离子体光源的温度低、电磁辐射高、金属元素分析灵敏度弱、基体干扰大、容易灭火，所以无法推广使用。后来，成功商用的等离子体发射光谱主要就是电感耦合等离子体（ICP）技术。

　　高功率微波听起来似乎也不难，现在的微波消解装置很多都达2000多瓦的功率，但要让发散的高功率（如MP-AES上的1000瓦微波功率）集中起来、形成稳定的等离子体炬很难，4100 MP-AES采用ZL微波导波技术，解决的正是这个问题。新型4100 MP-AES为1000瓦固定功率（当然也可以做到2000W，不过成本就高了），是典型的ICP工作功率，在气体温度上跟ICP是比较相近的。

微波导波技术（蓝色为磁力线，红色为电场线）

微波等离子体（右）和ICP等离子体（左）非常相似，同样采用磁场耦合的三圆同心玻璃管，但微波等离子体频率更高，产生更明显的中心通道，可形成更稳定的等离子体

　　从等离子的结构上看，4100 MP-AES采用的垂直等离子体结构和垂直ICP等离子体相像（但无需水冷），也是三圆同心石英玻璃管，4100 MP-AES采用微波导波技术将微波能量通过特殊的技术耦合到等离子体激发腔中，从而形成稳定的微波等离子体光源。微波等离子体比ICP有更高的激发频率，可达2450 MHz，并可产生更明显的中心通道。与传统的氩等离子相比，不仅激发频率高而且等离子体更容易形成，更加稳定，耐受力也更强。比如ICP怕有机溶剂，进去就很容易淬灭掉；而微波等离子体的一个显著优势就是可耐有机溶剂。

　　除此之外，MP-AES和ICP-AES还有以下不同：

　　（1）MP-AES整个机器是全封闭的，所以不会有任何泄漏。

　　（2）MP-AES的维护项目较少，与ICP-AES相比，其软件的操作和硬件的维护都更简单。

　　（3）进样上看，4100 MP-AES具有可采用标准进样、惰性进行、有机进样、MSIS多功能样品引入系统等方式。几个月前的发布会上，MSIS多功能进样能够一次分析完成氢化法元素（即原子荧光分析的元素）和常规元素的同时测量，给专家们留下深刻印象。这次陈博士还专门介绍了有机进样，这种可耐有机溶剂、不灭火的特性给大家留下了另一种深刻印象。

三个简单步骤安装炬管

 

MP-AES三大技术优势 为客户创造价值

　　谈及MP-AES技术优势，陈博士娓娓道来：“我们可以归纳为三点：成本优势、应用优势、安全优势。”

　　1、成本优势

　　石墨炉原子吸收的速度太慢，进口高性能石墨管等耗材很贵、火焰原子吸收使用乙炔、ICP-OES/ICP-MS不仅仪器价格高，而且使用氩气的消耗量很大，而4100 MP-AES使用基于氮气的等离子体，仅靠空气运行，使用和整体运营成本大大降低。

极低的总体拥有成本：MP-AES比火焰原子吸收光谱更加节省成本。参考举例，用安捷伦4100 MP-AES取代火焰原子吸收光谱仪（使用乙炔和笑气）能够显著节约分析费用。如在100个样品中分析9种元素，每周测量3天，从第五个月开始省钱，18个月后，可节约运营成本40,000多美元！

　　MP-AES相对于ICP-AES的运营成本，陈博士表示：“两者在其它耗材方面的消费差不多，运营成本的主要差异就是氩气消耗。在北京一瓶氩气约合160元人民币（包送）；而在内蒙古地区，一瓶氩气则需要600元人民币左右；如果在更偏远的地区，由于运输成本的增加，可能还要花费更多。ICP-AES正常消耗2瓶氩气/天，MP-AES不需氩气，运营成本高低立见。中心城市的客户可以直接购买液氮；偏远地区的客户可购置一台空气压缩机和一台氮气发生器（普氮级别即可），连接上MP-AES即可直接使用。”

　　“由于无需昂贵气体的引入，4100 M0-AES 更是矿山、环境监测站等地处偏远气体运输困难地区的理想选择。

 

　　2、应用优势

　　1）有机样品直接分析、氢化物发生元素分析、贵金属分析

　　运用原子光谱进行常规样品分析很容易实现，但是针对汽油、柴油、石油类有机样品，需要经过复杂消解，将样品无机化后进行测定，步骤繁琐。有些原子吸收号称对有机样品可直接进样分析，但由于样品含碳量高，基体效应大，常无法达到检出限要求。若采用ICP-AES，它的最高激发频率是40.68 MHz，容易灭火，故传统的原子光谱方法差强人意。但使用MP-AES就很容易，不需要消解，直接上样就能分析，减少了用户自己消解的过程，也不容易污染，且具备更低的检测限。陈博士也展示了MP-AES进行有机多元素分析（Zn/Si/Fe/Ni/Ag/Pb/Cu/Mg/Ti/Al）的长期稳定性：8小时RSD < 2%。

　　对于As/Se/Hg等中国常用原子荧光分析的元素，MP-AES了采用氢化物发生法，并可使用氢化物与常规气溶胶同时分析的模式，同时测定常规元素和氢化物元素。 陈博士举例中，展示了针对GB5749-2006新版中国生活饮用水法规，用MP-AES氢化物及常规同时分析模式可获得很好的效果。其余的元素除了TI一定要用ICP-MS，用MP-AES都能远远满足法规要求。

元素	MPAES典型检测限（mg/L）	限值（mg/L）
As砷	0.0010	0.01
Se硒	0.0020	0.01
Hg汞	0.0005	0.001

　　对于铂族贵金属元素，MP-AES展示了比ICP-AES还优越的分析性能。

MPAES与FAAS，ICPAES检测限比较，MPAES与传统垂直ICPAES检测下限相近，铂族元素甚至优于ICPAES！

　　2）形态分析？当然可以！

　　形态分析的核心是在原子光谱前端使用液相色谱分离，4100 MP-AES的分析形态主要是液态样品，自动化功能强，一次可进行多元素分析，基本上ICP-AES做的元素形态分析，在MP-AES上都可实现。

　　3）炬管安装3步法更简便

　　一体化炬管结构，材质独特，可以放于酸溶液中清洗；炬管上设计了几个气孔，安装时不需要接气体管路。自动炬管装载定位系统可实现快速的炬管定位和气体连接。确保炬管的定位精度和快速启动。只需拉开炬管架装载手柄 －插入炬管－锁紧炬管装载手柄简单3步，即可完成炬管的安装。

　　4）简单易用专业软件系统

　　此外简便易用、专业的软件系统，可自动加载预设方法，无需繁琐的方法开发、调整或培训，即可快速掌握操作分析。软件操作语言完全本地化（比如中文），用户也可根据自己的使用习惯安装英文或者支持本地语言的软件版本。

 

　　3、安全优势

　　火焰原子吸收使用的乙炔、笑气等气体具有爆炸性，危险性高，而MP-AES仅靠空气运行，杜绝了安全隐患，且可实现无人值守操作，大大提高了实验室分析效率。

　　ICP泄露的防护技术并不成熟，相比之下微波发生器作为等离子体的激发核心，采用了强力可靠的工业级磁控管——微波炉磁控管技术在世界范围内已有极为广泛的应用，保证了安全无泄漏。“微波的防泄露技术是非常成熟的，就像家用微波炉很安全。”陈博士补充说。

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MP-AES的市场定位、和其它原子光谱的关系

　　“如果将原子光谱仪器作一个形象的类比，我倾向于将它们比作成运载工具。”陈博士打了一个有趣的比方：

　　（1）石墨炉原子吸收、火焰原子吸收就好比拖拉机，比较低端，但一线的都需要；

　　（2）ICP-AES好比火车，经济实惠且可进行多元素分析，但综合考虑“运载”成本高；

　　（3）ICP-MS是飞机，比较高端，“商务人士”比较钟爱；

　　（4）MP-AES好比高铁，综合考虑“运载”成本低。

　　（针对该比喻，小编也和陈博士稍微探讨了一下，似乎ICP-AES更像高铁，MP-AES更像动车组。理解的不同是在出现时间的顺序上，中国是先有动车组再有高铁，而原子光谱界是ICP-AES先商用现在才是MP-AES）。

　　陈博士紧接着说：“每一款产品都有自己的应用优势，不同的人群也有不同的选择。MP-AES不会取代之前原子光谱产品线中的任何产品，它只是更符合了某一类人群的需要。就像有了高铁，那其他的运载工具就能被取代吗？其道理是一样的。”

　　MP-AES是介于火焰原子吸收和单道扫描ICP-AES之间的一款仪器。在技术上更接近ICP-OES，比ICP-OES便宜（算上运营成本就更便宜）。

　　针对小编“MP-AES是否会冲击火焰原子吸收市场”的问题，陈博士表示：“不会。每天只做一种元素分析的用户，适合用原子吸收；等到需要做十种元素了，就可考虑购买‘升级版’的MP-AES。首先，MP-AES在安全性和运营成本上要优于火焰原子吸收；另外目前原子吸收的人工成本也很高，火焰原子吸收一次只能做一种元素，速度很慢，如要求一次做十种元素，那则需要十台机器，十个人工，而MP-AES可以一次分析十几种元素，在时间和人工上的成本又节省了很多。”陈博士紧接着说：“作为安捷伦主力的火焰原子吸收和石墨炉原子吸收是不会停产的，这两款产品拥有自己的应用优势；原子吸收技术不仅成熟，而且是目前的法规仪器，市场同样很大。”

 

MP-AES的应用领域及用户群

　　MP-AES的应用领域非常广泛，至少包括：

　　1）环保：饮用水、地表水、废水、灌溉水、土壤、肥料、动植物等；

　　2）食品：粮食、蔬菜、饮料、酒类、食品加工；

　　3）RoHs & WEEE：皮革、电子材料；

　　4）地矿冶金：金银铂等贵金属及Cu、Zn、Ge等有色黑色金属矿石检测；钢铁及合金等常规检测（非痕量杂质）；

　　5）石油化工：各种油品，润滑油中磨损金属；由于MPAES使用空气避免了积碳等问题，具有特别优势！

　　从用户单位性质上划分，陈博士谈到以下几点：

　　（1）企业用户最关心，因为可以大大降低成本：在全球，MP-AES对矿山/采矿业最有吸引力，矿山都地处偏远，使用MP-AES，可大大降低运营成本，在全球已经采购的100余台4100 MP-AES中，矿山就有20多个。在中国对MP-AES最感兴趣的也是企业，尤其建在边远地区的工厂，如各种试剂厂、材料厂等。

　　（2）科研单位拿新型仪器当作“玩具”，也关心成本和易用性：针对科研用户，新仪器发布，研究者就像有了“新玩具”，可以在其上开发新方法、扩展新应用。4100 MP-AES在中国的第一批用户就是高校，除了当“新玩具”，还因为易维护且节省成本，可以放心让学生使用。

　　（3）安捷伦会配合法规型用户，开发新的法规标准。陈博士表示：“早先ICP-MS刚进入市场时也没有对应的法规标准，但在客户认识到其好处后，逐渐将其变成了法规。将分析方法变成法规并不是仪器公司要做的事情，而是客户要做的事。客户需要技术支持的时候，安捷伦公司会积极配合客户一起来做，开发法规标准。”

 

MP-AES的未来

　　自9月份4100 MP-AES推出后，已在全球销售100余套，陈博士预估MP-AES未来将和原子吸收的销量旗鼓相当，中国每年会有约100台的需求量，在今后1~2年会有百分之几十的增长。

　　针对小编提到的“MP-AES会有竞争产品么？安捷伦是否担心新的竞争者？”的问题，陈博士表示：“应该会有竞争，因为有市场的产品就会有竞争，这一点安捷伦并不担心。我们每天面对的就是竞争，安捷伦继续保持自己的技术领先就可以了。技术是不断发展的，就看谁的快了。去年的4100 MP-AES和今年刚推出的8800 ICP-QQQ-MS，都是市场上第一个推出的创新产品。”

 

收购瓦里安后安捷伦光谱产品销量2011年翻番

　　近年来安捷伦在光谱领域蓬勃发展，在未收购瓦里安之前，安捷伦ICP-MS的全球年销量已近千台，中国达200台/年，位于市场第一位。2000年在中国大陆Agilent的ICP-MS销售量才3台。安捷伦在光谱领域的迅猛发展可见一斑。

　　2010年安捷伦完成对瓦里安并购，将瓦里安先进的光谱技术，和安捷伦卓越服务体系（应用技术服务和仪器售后服务）合二为一。安捷伦光谱产品自此所向披靡，仅去年一年，光谱产品（不包括ICP-MS）的业务量就比原瓦里安时代整个翻番。

　　安捷伦光谱迅猛发展、超越竞争对手数倍的快速增长，同安捷伦的市场思路有着必然的联系。“安捷伦非常注重应用。我们首先会先做应用，然后帮客户进行方法开发，最后将售后服务做好，之后才去发展它的业务，并不急于去卖。”陈博士紧接着说，“这样当客户购买了仪器就立马能用起来，仪器使用口碑，通过口口相传便逐渐建立起来。”

　　总而言之，近年来安捷伦在光谱领域的发展很快并且非常健康，每年都有30~40%的业务增长，这些也源自安捷伦高度重视应用方法开发，和客户良好的使用口碑。

 

来自行业专家的评价

　　光谱年会上，郑国经教授提出“绿色低碳”的分析理念：“等离子体发射光谱仪具有灵敏度高、多元素同时测量、适用于溶液、气体样品分析的优点，但是其工作气体氩气的消耗量很大，使用钢瓶气需经常更换，使用液氩，价格比较昂贵，按目前15 L/min计算，年运行成本费用惊人，已成为该类仪器更为广泛应用的‘瓶颈’。因此，从节能环保观点看来，降低氩气的消耗量或更换普通的氮气作为工作气体，提出‘绿色低碳’的分析理念，必将成为今后等离子体光谱仪器的发展趋势。4100 MP-AES显然符合‘绿色低碳’的分析理念，这是最关键的一点，对任何做元素分析的实验室都是有吸引力的。我们期待在MP-AES上看到更多的应用。”

　　另外，郑教授还对4100 MP-AES的现有结构表示：“仪器现采用单道扫描光学设计和CCD检测器，还有进一步拓展的空间。”

　　从仪器学的角度上，郑教授表示：“做等离子体并不难，但是使之达到分析需要，必须满足一个条件：等离子体炬中间必须有一个空隙，即中间通道。最早的等离子体炬是泪滴形的，没有中间通道，这样样品不容易进去而得不到雾化，故使得分析检测效果不理想。经研究只有把等离子炬做成像面包状一样，中间有一个通道，形状类似ICP等离子体炬时，才能充分显示出其分析性能。安捷伦公司推出4100 MP-AES其等离子体结构和ICP等离子体相像，也是三圆同心玻璃管结构，从这个角度看这个仪器性能应是不错的。

　　对于更多性能，郑教授表示：“由原子化温度可知，MP-AES可达5000℃，主要发射原子线；ICP-AES可达7000－10000℃，发射的既有原子线也有离子线。所以，我看MP-AES的灵敏度超不过ICP-AES。为什么今天安捷伦说铂系元素（贵金属）MP-AES灵敏度比ICP-AES高，是因为贵金属本来就不容易氧化，很容易原子化，不用特别高的温度，贵金属就是用原子线来做。而很多其它元素用ICP-AES可能更好，因为一般离子线比原子线灵敏度都要高。但不管如何，发射光谱的动态范围会比吸收光谱宽很多，因为吸收光谱观测的范围就是0~100％，即两个数量级。而且除了石墨炉外，发射光谱的灵敏度也会普遍高于原子吸收的灵敏度。”

　　“MP-AES如果能达到ICP-AES的性能，却使用氮气，将有普及意义。但现在还只在实验室看到效果，所有做的元素都是在没有什么基体的样品，比如环境样品基体是比较干净的水体，食品是干扰基体小的有机物，矿物的基体主要是二氧化硅（不会有很多金属）。MP-AES能不能像ICP-AES那样适应复杂基体，比如钢铁、金属材料、无机材料，可获得什么数据，耐受到什么程度，还不清楚。如果真的实际什么地方都可以使用、都可以做，那就真的和ICP-AES一样了。比如ICP-AES除了环境食品，金属材料、钢铁行业用得很多，如果MP-AES性能比ICP-AES好，价格差很多，不用氩气，大家都会关注！”

 

【采编后记】

　　就MP-AES的出现和本次采访，小编悟到最重要的一点与大家分享于此：

　　技术进步是螺旋式上升的。十几年前没有得到成功应用的微波等离子技术，让位给了ICP，但并不能永远说明MP不行，它在等待成熟的时机，也在等待那些有心的人或组织。

　　希望与中国的仪器研发和制造者们共勉！