4100MPAES：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！

 

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

 

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。

 

　　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。

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。

 

　　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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MP-AES的市場定位、和其它原子光譜的關系

　　“如果將原子光譜儀器作一個形象的類比，我傾向于將它們比作成運載工具。”陳博士打了一個有趣的比方：

　　（1）石墨爐原子吸收、火焰原子吸收就好比拖拉機，比較低端，但一線的都需要；

　　（2）ICP-AES好比火車，經濟實惠且可進行多元素分析，但綜合考慮“運載”成本高；

　　（3）ICP-MS是飛機，比較高端，“商務人士”比較鐘愛；

　　（4）MP-AES好比高鐵，綜合考慮“運載”成本低。

　　（針對該比喻，小編也和陳博士稍微探討了一下，似乎ICP-AES更像高鐵，MP-AES更像動車組。理解的不同是在出現時間的順序上，中國是先有動車組再有高鐵，而原子光譜界是ICP-AES先商用現在才是MP-AES）。

　　陳博士緊接著說：“每一款產品都有自己的應用優勢，不同的人群也有不同的選擇。MP-AES不會取代之前原子光譜產品線中的任何產品，它只是更符合了某一類人群的需要。就像有了高鐵，那其他的運載工具就能被取代嗎？其道理是一樣的。”

　　MP-AES是介于火焰原子吸收和單道掃描ICP-AES之間的一款儀器。在技術上更接近ICP-OES，比ICP-OES便宜（算上運營成本就更便宜）。

　　針對小編“MP-AES是否會沖擊火焰原子吸收市場”的問題，陳博士表示：“不會。每天只做一種元素分析的用戶，適合用原子吸收；等到需要做十種元素了，就可考慮購買‘升級版’的MP-AES。首先，MP-AES在安全性和運營成本上要優于火焰原子吸收；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種元素，速度很慢，如要求一次做十種元素，那則需要十臺機器，十個人工，而MP-AES可以一次分析十幾種元素，在時間和人工上的成本又節省了很多。”陳博士緊接著說：“作為安捷倫主力的火焰原子吸收和石墨爐原子吸收是不會停產的，這兩款產品擁有自己的應用優勢；原子吸收技術不僅成熟，而且是目前的法規儀器，市場同樣很大。”

 

MP-AES的應用領域及用戶群

　　MP-AES的應用領域非常廣泛，至少包括：

　　1）環保：飲用水、地表水、廢水、灌溉水、土壤、肥料、動植物等；

　　2）食品：糧食、蔬菜、飲料、酒類、食品加工；

　　3）RoHs & WEEE：皮革、電子材料；

　　4）地礦冶金：金銀鉑等貴金屬及Cu、Zn、Ge等有色黑色金屬礦石檢測；鋼鐵及合金等常規檢測（非痕量雜質）；

　　5）石油化工：各種油品，潤滑油中磨損金屬；由于MPAES使用空氣避免了積碳等問題，具有特別優勢！

　　從用戶單位性質上劃分，陳博士談到以下幾點：

　　（1）企業用戶最關心，因為可以大大降低成本：在全球，MP-AES對礦山/采礦業最有吸引力，礦山都地處偏遠，使用MP-AES，可大大降低運營成本，在全球已經采購的100余臺4100 MP-AES中，礦山就有20多個。在中國對MP-AES最感興趣的也是企業，尤其建在邊遠地區的工廠，如各種試劑廠、材料廠等。

　　（2）科研單位拿新型儀器當作“玩具”，也關心成本和易用性：針對科研用戶，新儀器發布，研究者就像有了“新玩具”，可以在其上開發新方法、擴展新應用。4100 MP-AES在中國的第一批用戶就是高校，除了當“新玩具”，還因為易維護且節省成本，可以放心讓學生使用。

　　（3）安捷倫會配合法規型用戶，開發新的法規標準。陳博士表示：“早先ICP-MS剛進入市場時也沒有對應的法規標準，但在客戶認識到其好處后，逐漸將其變成了法規。將分析方法變成法規并不是儀器公司要做的事情，而是客戶要做的事。客戶需要技術支持的時候，安捷倫公司會積極配合客戶一起來做，開發法規標準。”

 

MP-AES的未來

　　自9月份4100 MP-AES推出后，已在全球銷售100余套，陳博士預估MP-AES未來將和原子吸收的銷量旗鼓相當，中國每年會有約100臺的需求量，在今后1~2年會有百分之幾十的增長。

　　針對小編提到的“MP-AES會有競爭產品么？安捷倫是否擔心新的競爭者？”的問題，陳博士表示：“應該會有競爭，因為有市場的產品就會有競爭，這一點安捷倫并不擔心。我們每天面對的就是競爭，安捷倫繼續保持自己的技術領先就可以了。技術是不斷發展的，就看誰的快了。去年的4100 MP-AES和今年剛推出的8800 ICP-QQQ-MS，都是市場上第一個推出的創新產品。”

 

收購瓦里安后安捷倫光譜產品銷量2011年翻番

　　近年來安捷倫在光譜領域蓬勃發展，在未收購瓦里安之前，安捷倫ICP-MS的全球年銷量已近千臺，中國達200臺/年，位于市場第一位。2000年在中國大陸Agilent的ICP-MS銷售量才3臺。安捷倫在光譜領域的迅猛發展可見一斑。

　　2010年安捷倫完成對瓦里安并購，將瓦里安先進的光譜技術，和安捷倫卓越服務體系（應用技術服務和儀器售后服務）合二為一。安捷倫光譜產品自此所向披靡，僅去年一年，光譜產品（不包括ICP-MS）的業務量就比原瓦里安時代整個翻番。

　　安捷倫光譜迅猛發展、超越競爭對手數倍的快速增長，同安捷倫的市場思路有著必然的聯系。“安捷倫非常注重應用。我們首先會先做應用，然后幫客戶進行方法開發，最后將售后服務做好，之后才去發展它的業務，并不急于去賣。”陳博士緊接著說，“這樣當客戶購買了儀器就立馬能用起來，儀器使用口碑，通過口口相傳便逐漸建立起來。”

　　總而言之，近年來安捷倫在光譜領域的發展很快并且非常健康，每年都有30~40%的業務增長，這些也源自安捷倫高度重視應用方法開發，和客戶良好的使用口碑。

 

來自行業專家的評價

　　光譜年會上，鄭國經教授提出“綠色低碳”的分析理念：“等離子體發射光譜儀具有靈敏度高、多元素同時測量、適用于溶液、氣體樣品分析的優點，但是其工作氣體氬氣的消耗量很大，使用鋼瓶氣需經常更換，使用液氬，價格比較昂貴，按目前15 L/min計算，年運行成本費用驚人，已成為該類儀器更為廣泛應用的‘瓶頸’。因此，從節能環保觀點看來，降低氬氣的消耗量或更換普通的氮氣作為工作氣體，提出‘綠色低碳’的分析理念，必將成為今后等離子體光譜儀器的發展趨勢。4100 MP-AES顯然符合‘綠色低碳’的分析理念，這是最關鍵的一點，對任何做元素分析的實驗室都是有吸引力的。我們期待在MP-AES上看到更多的應用。”

　　另外，鄭教授還對4100 MP-AES的現有結構表示：“儀器現采用單道掃描光學設計和CCD檢測器，還有進一步拓展的空間。”

　　從儀器學的角度上，鄭教授表示：“做等離子體并不難，但是使之達到分析需要，必須滿足一個條件：等離子體炬中間必須有一個空隙，即中間通道。最早的等離子體炬是淚滴形的，沒有中間通道，這樣樣品不容易進去而得不到霧化，故使得分析檢測效果不理想。經研究只有把等離子炬做成像面包狀一樣，中間有一個通道，形狀類似ICP等離子體炬時，才能充分顯示出其分析性能。安捷倫公司推出4100 MP-AES其等離子體結構和ICP等離子體相像，也是三圓同心玻璃管結構，從這個角度看這個儀器性能應是不錯的。

　　對于更多性能，鄭教授表示：“由原子化溫度可知，MP-AES可達5000℃，主要發射原子線；ICP-AES可達7000－10000℃，發射的既有原子線也有離子線。所以，我看MP-AES的靈敏度超不過ICP-AES。為什么今天安捷倫說鉑系元素（貴金屬）MP-AES靈敏度比ICP-AES高，是因為貴金屬本來就不容易氧化，很容易原子化，不用特別高的溫度，貴金屬就是用原子線來做。而很多其它元素用ICP-AES可能更好，因為一般離子線比原子線靈敏度都要高。但不管如何，發射光譜的動態范圍會比吸收光譜寬很多，因為吸收光譜觀測的范圍就是0~100％，即兩個數量級。而且除了石墨爐外，發射光譜的靈敏度也會普遍高于原子吸收的靈敏度。”

　　“MP-AES如果能達到ICP-AES的性能，卻使用氮氣，將有普及意義。但現在還只在實驗室看到效果，所有做的元素都是在沒有什么基體的樣品，比如環境樣品基體是比較干凈的水體，食品是干擾基體小的有機物，礦物的基體主要是二氧化硅（不會有很多金屬）。MP-AES能不能像ICP-AES那樣適應復雜基體，比如鋼鐵、金屬材料、無機材料，可獲得什么數據，耐受到什么程度，還不清楚。如果真的實際什么地方都可以使用、都可以做，那就真的和ICP-AES一樣了。比如ICP-AES除了環境食品，金屬材料、鋼鐵行業用得很多，如果MP-AES性能比ICP-AES好，價格差很多，不用氬氣，大家都會關注！”

 

【采編后記】

　　就MP-AES的出現和本次采訪，小編悟到最重要的一點與大家分享于此：

　　技術進步是螺旋式上升的。十幾年前沒有得到成功應用的微波等離子技術，讓位給了ICP，但并不能永遠說明MP不行，它在等待成熟的時機，也在等待那些有心的人或組織。

　　希望與中國的儀器研發和制造者們共勉！