ICP光譜儀炬管改造及驗證分析

韋景文

(廣西田東錦盛化工有限公司，廣西 百色 531500)

近年來，儀器制造廠家不斷更新升級產品，推向市場，以滿足客戶需求及搶占市場份額。市面上出現ICP光譜儀炬管為可拆卸炬管，由炬管底座、炬管外管、炬管中心管組成，外管和中心管安裝在底座上后，直接套在點火室固定架上，解決了使用操作人員業務不精，設置調制位置高度不合理，造成儀器難以點火、檢測精度差等問題。但隨之也存在一些弊端，出現不適用于某個領域情況，比如氯堿行業中檢測鹽水樣品時，就遇到各種瓶頸問題。

1 ICP光譜儀可拆卸炬管存在問題

可拆卸炬管示意圖如圖1所示，可拆卸炬管裝置如圖2所示。其底座易粘鹽高溫熔解損壞示意圖如圖3所示。

ICP光譜儀可拆卸炬管存在如下問題。

(1)中心管與外管間距過窄。測定鹽水樣品時，清洗進樣系統和炬管時間過長，每進一次樣品所清洗時間為5～10 min，檢測工作效率較低。

(2)冷卻氣流量較小，導致冷卻效果不佳，使炬管外管容易燒熔。

(3)檢測耗時長，高純氬氣用量大，費用高。按每天5個鹽水樣品計，每天約耗1.5瓶高純氬氣，每月使用量約為45瓶，1年約為540瓶，按1瓶300元計，1年高純氬氣費用16.2萬元。

(4)炬管為可拆卸炬管，拆裝存在磨損隱患，拆卸次數多后位置移位，氣路孔偏移，影響正常使用，導致炬管和底座損壞等問題。

(5)中心管孔徑較小，易堵鹽份等雜質，影響正常使用。同時，外管損耗較大，增加耗材成本。

(6)可拆卸炬管底座易燒熔，需更換，增加成本，每兩年約消耗2套配件。

圖1 可拆卸炬管示意圖Fig.1 Detachable torch tube

圖2 可拆卸炬管裝置Fig.2 Detachable torch tube

圖3 可拆卸炬管底座易粘鹽高溫熔解損壞示意圖Fig.3 Diagram of damaged detachable torch tube base easy to be caked with salt which is molten at high temperature

2 改造為一體式炬管的方案、優點及預算

可拆卸炬管改造成為一體式炬管(固定連體式)(詳見圖4)，直接套在點火室固定架上即可使用。

圖4 改造后一體式炬管Fig.4 Transformed integrated torch tube

一體式炬管優點如下。

(1)增寬中心管與外管間距。測定鹽水樣品時，清洗進樣系統和炬管時間較短，每進一次樣品所清洗時間1～3 min，檢測工作效率較高，按每天5個鹽水樣品計，每天分析時間可節省約105 min。

(2)設計及加大冷卻氣流量，冷卻效果較好，延長炬管壽命。

(3)檢測耗時短，高純氬氣用量小。按每天5個鹽水樣品計，每天約耗0.5瓶高純氬氣，每月使用量約為15瓶，每年約為180瓶。每年可節省360瓶，根據高純氬氣單價300元/瓶測算，每年節省費用約為10.8萬元。

(4)改造為熔融一體式炬管，不用拆裝，減少磨損隱患，位置不會移位，氣路孔不會偏移；避免了人為拆裝過程造成的炬管損壞問題。

(5)擴寬中心管孔徑，不易堵，提高使用效率。

(6)較可拆卸炬管使用比對，損耗預計每年節約6根，每年節約費用約為4.2萬元。

(7)取消一體式炬管底座，每年直接可節約0.5萬元。

綜上所述：計劃將ICP光譜儀的可拆卸炬管改造為一體式炬管套裝，改造費用約為3萬元，改造后每年可節省費用約15.5萬元，約節省1個人的工作量。

3 ICP光譜儀可拆卸炬管改造為一體式炬管后實際效果

經過咨詢儀器廠家并前期論證，廠家判定此改造方案為可行。邀請廠家工程師，并協同進行改造：拆掉原可拆卸炬管固定架及防護架，安裝一體式炬管固定調節架和防護扣件。安裝固定改造優化后的一體式炬管，并進行調節，直接用固定夾連接霧室；一體式炬管尾端和霧室頂端采用磨砂接頭方式，經夾緊可保證氣路密閉性。主要改造情況如表1所示。

表1 一體式炬管改造主要參數比對表Table 1 Comparison of main parameters in integrated torch tube transformation mm

改造調試完成后，經過1年多對檢測精鹽水進行跟蹤試驗比對，炬管年損壞率極低，可達0%，每天不必再拆卸炬管進行泡洗，減少了炬管底座消耗成本。改造后的效果比較顯著，完全超出預期測算(注：按每天5個精鹽水樣品計，使用標準加入法，加入2個標樣點，檢測每個樣品至少需進樣3次，即原樣、加標1、加標2)，如表2所示。

表2 檢測耗時比對表Table 2 Comparison of determination time

從表2計算可得出：改造后每天可以節約3 h多的檢測時間，很大程度提高了工作效率(樣品量越大，越可體現減少工作量)。

按每月30天、每瓶高純氬氣300元計，高純氬氣消耗比對如表3所示。

表3 高純氬氣消耗比對表Table 3 Comparison of high pure argon consumption

從表3可分析出：改造后每天很大程度降低了高純氬氣的消耗量，全年可以節約360瓶，可節省費用10.80萬元。

改造后1年使用1根一體式炬管仍未損壞，改造前1年平均耗6根炬管，每年節省費用約4.2萬元。一體式炬管無需底座，改造前每年消耗1個底座，每年直接可節約底座費用約為0.5萬元。改造后節省約1個人工作量，按每人1年約8萬元計，每年節省總費用為23.5萬元，改造至今共降低成本51萬余元。

4 改造后檢測準確性驗證

4.1 儀器

電感耦合等離子發射光譜儀(ICP)。

4.2 試劑器皿

(1)超純水:電阻率≥18.25 MΩ·cm。

(2)Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Al3+質量濃度分別為1 000 μg/mL(國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院)。

(3)容量瓶: 250、100 mL (材質：聚乙烯)。

(4)移液管: 1、2 mL。

4.3 操作步驟

4.3.1 儀器條件的確定

ICP工作參數包括高頻發生器的功率、等離子氣體流量、輔助氣流量、蠕動泵轉速等。參數的確定只能通過試驗進行，不同樣品背景、元素種類及含量范圍等都會對待測元素的譜峰產生影響。通過反復試驗和數據綜合，確定儀器的工作條件為:光室溫度34 ℃,觀測方式為垂直，驅氣設置為低驅氣，高頻發生器的功率為1.1 kW，載氣(霧化氣)流量為345 kPa,輔助氣流量0.2 L/min,冷卻氣流量為20 L/min，蠕動泵進樣量1.5 mL/min，檢測器測定溫度為-30 ℃，光室驅氣為0.8 L/min。

4.3.2 標準溶液的配制

將Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Al3+分別配制為4、2、30、2、2、40 μg/mL混標。

4.3.3 樣品預處理

將樣品冰水浴冷卻至室溫再進行制樣。

4.3.4 標準溶液的配制

將Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Al3+分別配制為2、1、15、1、1、15 μg/mL混標。

4.3.5 測定步驟

清洗移液管及容量瓶并使其干燥干凈，準確移取0、1.0、2.0 mL混標至1#、2#、3#100 mL聚乙烯容量瓶中,再用氯堿精鹽水樣品定容至刻度線，充分搖勻，使用ICP進樣測定，讀取儀器檢測結果，記錄。

4.4 準確度試驗

為評價改造后的準確度，進行了氯堿精鹽水試樣加標回收試驗。在各待測元素線性范圍內，對樣品進行回收率測試，在待測樣品加入已知量的標準物質，用精鹽水樣品定容。進行加標回收試驗，線性相關系數R為0.999 2～0.999 9，結果見表4。

表4 加標回收試驗檢測結果Table 4 Determination results of recovery test

不同金屬元素的譜圖如圖5～圖10所示。

圖5 Ca元素譜圖Fig.5 Spectrum of element Ca

圖6 Mg元素譜圖Fig.6 Spectrum of element Mg

圖7 Fe元素譜圖Fig.7 Spectrum of element Fe

圖8 Ba元素譜圖Fig.8 Spectrum of element Ba

圖9 Sr元素譜圖Fig.9 Spectrum of element Sr

圖10 Al元素譜圖Fig.10 Spectrum of element Al

從以上的測試數據中可看出，改造后測定精鹽水樣品中Ca、Mg、Fe、Ba、Sr、Al元素，其回收率為96.2%～106.3%，相對標準偏差(RSD)為0.92%～1.77%。同時從元素譜圖分析，所有元素的峰型較正，不偏移，靈敏度和信噪比很高；Ca、Mg、Fe、Ba、Sr的基線低，不漂移，Al的基線稍有漂移，但符合標準并做背景校準。測試結果證明改造后仍可以消除樣品中基體體系效應、共存元素干擾、光譜干擾等對測定結果的影響，由此可以認為改造后檢測精鹽水各元素是準確可行的。

5 結語

經過改造ICP光譜儀為一體式炬管，并進行了優化，解決了氯堿行業中使用可拆卸炬管檢測鹽水樣品遇到各種瓶頸問題，儀器精度也未發生下降情況，改造后，在操作技術方面對人員技能水平要求相對高，需經過正對性的專業培訓。此外，還提高了檢驗工作效率，解放人工勞動力，同時給企業降低很大生產成本，故此改造是相對成功的。氯堿行業檢測鹽水中微量金屬元素時，樣品體系中有氯化鈉和各種其他干擾因素對測定影響是很大的，檢測靈敏度相對其他樣品均降低很多，要提高精度和解決相應問題，從炬管方面研究是不可缺少的重要環節。