环境分析 | 等离子体（ICP）| 流量控制器

2024年4月11日 Bronkhorst

了解环境中有害化学元素的性质和含量有助于我们过上健康的生活。政府清理一块土地开发新片区前，需清楚土地在以前的使用中土壤是否残留重金属或砷等有毒物质。同样，饮用水源、地表水体和捕渔区的管理者需了解水质，以确定其是否含有过量的不良物质，这些物质必须清除。为使空气质量良好，悬浮在空气中的固体颗粒物中的微量元素含量不得过高。

在环境领域以外的其他地方，识别和量化存在的元素也是有帮助的，例如确定润滑油中的金属浓度以推测发动机磨损的速度，或者确定农业土壤中的肥料浓度以决定是否需要额外的肥料。流量计和控制器在这方面也发挥重要作用。

等离子体-原子发射光谱法，ICP-AES

如您所知，在许多应用中，了解哪些化学元素存在及含量是有用的。ICP-AES是用于分析测量固体、液体和气体中元素的性质和浓度的好方法。由于其精度高达ppb范围，ICP-AES适合分析微量元素，即非常低的浓度。该技术适合检测金属（如贡）和准金属（如砷），可同时分析十种元素。该技术的背后是什么支撑？气体的细致传输是如何发挥作用的?

通过质量流量控制器控制氩气供应

简单来说，元素分析的ICP-AES方法使用等离子体产生待测样品中元素的激发原子和离子，当其返回基态时，使用原子发射光谱法（AES）测量其特征光谱。光谱中线条的强度与样品中元素的浓度成正比。

ICP-AES设备只能分析液态样品。对土壤样品和其他固体物质来说有点棘手。为解锁化学元素，需将样品溶解在强酸中：王水，一种盐酸和硝酸的混合物。泵将样品从储存容器中吸出，并将其输送到喷雾器，喷雾器将液体变成气溶胶形式或薄雾。为了准确调节雾的浓度，并在必要时进行稀释，在流量控制器的帮助下，向喷雾器提供氩气流。薄雾进入反应室，与已经在反应室中的等离子体碰撞。

如果将高压线圈通过气体，为气体提供足够的能量，一些气体就会释放电子。除了最初的气体粒子，现在还有负电子和带正电的离子的混合物。这种带电粒子的“电离气体混合物”被称为等离子体；等离子体被称为物质存在的第四种状态，除了固态、液态和气态。通过ICP，氩气形成等离子体的基础，必须使用流量控制器准确供应该气体。等离子体的温度非常高，约为700℃。由于等离子体必须始终保持正确的成分，所以氩气的准确和连续供应是重要的。为了保护外界免受高温影响，冷却气体（通常但不总是氩气）被引导到反应室外部。

调节薄雾

当含有待测化学元素的雾与等离子体碰撞时，这些元素也被转化成等离子体。吸收足够多的能量后，这些元素进入激发态。元素不喜欢处于激发态，所以它们试图以较低的能级回到基态。在这个转变过程中，每个元素发射出其特有的辐射。通过光谱仪测量辐射，辐射的强度与样品中所述元素的量成正比。

光谱仪，ICP-AES 或者 ICP-OES

AES中的光谱仪是反射镜、棱镜、棒、单色仪/多色仪等探测器的组合，用于引导和测量发射的辐射。为了防止过程受到干扰，例如含氧气体对辐射的吸收，光学物体所在的区域不断用氮气吹扫。气流不一定要非常准确，但须有高度的重复性。流量控制器的使用对于确保重复性很重要。有些地方使用ICP-OES替代ICP-AES。

ICP-MS

ICP-MS是类似的元素分析技术；最大的区别在于检测方法不是光学。来自等离子体的带电粒子进入质谱仪（MS），通过质荷比来分离，并记录带电粒子中每一个的相对比率。ICP-AES在大气压下进行，但ICP-MS需要真空。ICP-MS的检测限值低于ICP-AES。

在环境分析中，不仅可以查看样品中元素的总量，还可以查看该元素是以自由形式存在还是作为化合物的成分存在。举例来说：无机砷化合物通常比有机化合物中的同类化合物毒性更大。可使用ICP-AES 和 ICP-MS来区分不同形式的元素，该过程被称为“形式差分”。需在ICP过程之前，例如通过离子交换色谱法（IC）将不同的形式彼此分离。因此，IC/ICP组合很常见。

质量流量计和控制器用于ICP-AES

当ICP首次发明时，气体是手动添加的。随着ICP逐步自动化，气体调节也实现自动化，并引入了质量流量计。ICP-AES使用的质量流量计和控制器用于供应惰性气体。良好的气体调节，有助于整个系统更加准确和稳定，实现更低的检测限值。面对日益严格的质量和环境标准，这很有帮助。

Bronkhorst为分析市场提供流量计，有很多客户是分析设备供应商。客户较多采用定制的集多功能于一体的“manifold”解决方案。实验室空间有限，体积小巧的紧凑型仪表变得越来越重要。

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