ICP光谱仪炬管改造及验证分析

韦景文

(广西田东锦盛化工有限公司，广西 百色 531500)

近年来，仪器制造厂家不断更新升级产品，推向市场，以满足客户需求及抢占市场份额。市面上出现ICP光谱仪炬管为可拆卸炬管，由炬管底座、炬管外管、炬管中心管组成，外管和中心管安装在底座上后，直接套在点火室固定架上，解决了使用操作人员业务不精，设置调制位置高度不合理，造成仪器难以点火、检测精度差等问题。但随之也存在一些弊端，出现不适用于某个领域情况，比如氯碱行业中检测盐水样品时，就遇到各种瓶颈问题。

1 ICP光谱仪可拆卸炬管存在问题

可拆卸炬管示意图如图1所示，可拆卸炬管装置如图2所示。其底座易粘盐高温熔解损坏示意图如图3所示。

ICP光谱仪可拆卸炬管存在如下问题。

(1)中心管与外管间距过窄。测定盐水样品时，清洗进样系统和炬管时间过长，每进一次样品所清洗时间为5～10 min，检测工作效率较低。

(2)冷却气流量较小，导致冷却效果不佳，使炬管外管容易烧熔。

(3)检测耗时长，高纯氩气用量大，费用高。按每天5个盐水样品计，每天约耗1.5瓶高纯氩气，每月使用量约为45瓶，1年约为540瓶，按1瓶300元计，1年高纯氩气费用16.2万元。

(4)炬管为可拆卸炬管，拆装存在磨损隐患，拆卸次数多后位置移位，气路孔偏移，影响正常使用，导致炬管和底座损坏等问题。

(5)中心管孔径较小，易堵盐份等杂质，影响正常使用。同时，外管损耗较大，增加耗材成本。

(6)可拆卸炬管底座易烧熔，需更换，增加成本，每两年约消耗2套配件。

图1 可拆卸炬管示意图Fig.1 Detachable torch tube

图2 可拆卸炬管装置Fig.2 Detachable torch tube

图3 可拆卸炬管底座易粘盐高温熔解损坏示意图Fig.3 Diagram of damaged detachable torch tube base easy to be caked with salt which is molten at high temperature

2 改造为一体式炬管的方案、优点及预算

可拆卸炬管改造成为一体式炬管(固定连体式)(详见图4)，直接套在点火室固定架上即可使用。

图4 改造后一体式炬管Fig.4 Transformed integrated torch tube

一体式炬管优点如下。

(1)增宽中心管与外管间距。测定盐水样品时，清洗进样系统和炬管时间较短，每进一次样品所清洗时间1～3 min，检测工作效率较高，按每天5个盐水样品计，每天分析时间可节省约105 min。

(2)设计及加大冷却气流量，冷却效果较好，延长炬管寿命。

(3)检测耗时短，高纯氩气用量小。按每天5个盐水样品计，每天约耗0.5瓶高纯氩气，每月使用量约为15瓶，每年约为180瓶。每年可节省360瓶，根据高纯氩气单价300元/瓶测算，每年节省费用约为10.8万元。

(4)改造为熔融一体式炬管，不用拆装，减少磨损隐患，位置不会移位，气路孔不会偏移；避免了人为拆装过程造成的炬管损坏问题。

(5)扩宽中心管孔径，不易堵，提高使用效率。

(6)较可拆卸炬管使用比对，损耗预计每年节约6根，每年节约费用约为4.2万元。

(7)取消一体式炬管底座，每年直接可节约0.5万元。

综上所述：计划将ICP光谱仪的可拆卸炬管改造为一体式炬管套装，改造费用约为3万元，改造后每年可节省费用约15.5万元，约节省1个人的工作量。

3 ICP光谱仪可拆卸炬管改造为一体式炬管后实际效果

经过咨询仪器厂家并前期论证，厂家判定此改造方案为可行。邀请厂家工程师，并协同进行改造：拆掉原可拆卸炬管固定架及防护架，安装一体式炬管固定调节架和防护扣件。安装固定改造优化后的一体式炬管，并进行调节，直接用固定夹连接雾室；一体式炬管尾端和雾室顶端采用磨砂接头方式，经夹紧可保证气路密闭性。主要改造情况如表1所示。

表1 一体式炬管改造主要参数比对表Table 1 Comparison of main parameters in integrated torch tube transformation mm

改造调试完成后，经过1年多对检测精盐水进行跟踪试验比对，炬管年损坏率极低，可达0%，每天不必再拆卸炬管进行泡洗，减少了炬管底座消耗成本。改造后的效果比较显著，完全超出预期测算(注：按每天5个精盐水样品计，使用标准加入法，加入2个标样点，检测每个样品至少需进样3次，即原样、加标1、加标2)，如表2所示。

表2 检测耗时比对表Table 2 Comparison of determination time

从表2计算可得出：改造后每天可以节约3 h多的检测时间，很大程度提高了工作效率(样品量越大，越可体现减少工作量)。

按每月30天、每瓶高纯氩气300元计，高纯氩气消耗比对如表3所示。

表3 高纯氩气消耗比对表Table 3 Comparison of high pure argon consumption

从表3可分析出：改造后每天很大程度降低了高纯氩气的消耗量，全年可以节约360瓶，可节省费用10.80万元。

改造后1年使用1根一体式炬管仍未损坏，改造前1年平均耗6根炬管，每年节省费用约4.2万元。一体式炬管无需底座，改造前每年消耗1个底座，每年直接可节约底座费用约为0.5万元。改造后节省约1个人工作量，按每人1年约8万元计，每年节省总费用为23.5万元，改造至今共降低成本51万余元。

4 改造后检测准确性验证

4.1 仪器

电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)。

4.2 试剂器皿

(1)超纯水:电阻率≥18.25 MΩ·cm。

(2)Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Al3+质量浓度分别为1 000 μg/mL(国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院)。

(3)容量瓶: 250、100 mL (材质：聚乙烯)。

(4)移液管: 1、2 mL。

4.3 操作步骤

4.3.1 仪器条件的确定

ICP工作参数包括高频发生器的功率、等离子气体流量、辅助气流量、蠕动泵转速等。参数的确定只能通过试验进行，不同样品背景、元素种类及含量范围等都会对待测元素的谱峰产生影响。通过反复试验和数据综合，确定仪器的工作条件为:光室温度34 ℃,观测方式为垂直，驱气设置为低驱气，高频发生器的功率为1.1 kW，载气(雾化气)流量为345 kPa,辅助气流量0.2 L/min,冷却气流量为20 L/min，蠕动泵进样量1.5 mL/min，检测器测定温度为-30 ℃，光室驱气为0.8 L/min。

4.3.2 标准溶液的配制

将Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Al3+分别配制为4、2、30、2、2、40 μg/mL混标。

4.3.3 样品预处理

将样品冰水浴冷却至室温再进行制样。

4.3.4 标准溶液的配制

将Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Al3+分别配制为2、1、15、1、1、15 μg/mL混标。

4.3.5 测定步骤

清洗移液管及容量瓶并使其干燥干净，准确移取0、1.0、2.0 mL混标至1#、2#、3#100 mL聚乙烯容量瓶中,再用氯碱精盐水样品定容至刻度线，充分摇匀，使用ICP进样测定，读取仪器检测结果，记录。

4.4 准确度试验

为评价改造后的准确度，进行了氯碱精盐水试样加标回收试验。在各待测元素线性范围内，对样品进行回收率测试，在待测样品加入已知量的标准物质，用精盐水样品定容。进行加标回收试验，线性相关系数R为0.999 2～0.999 9，结果见表4。

表4 加标回收试验检测结果Table 4 Determination results of recovery test

不同金属元素的谱图如图5～图10所示。

图5 Ca元素谱图Fig.5 Spectrum of element Ca

图6 Mg元素谱图Fig.6 Spectrum of element Mg

图7 Fe元素谱图Fig.7 Spectrum of element Fe

图8 Ba元素谱图Fig.8 Spectrum of element Ba

图9 Sr元素谱图Fig.9 Spectrum of element Sr

图10 Al元素谱图Fig.10 Spectrum of element Al

从以上的测试数据中可看出，改造后测定精盐水样品中Ca、Mg、Fe、Ba、Sr、Al元素，其回收率为96.2%～106.3%，相对标准偏差(RSD)为0.92%～1.77%。同时从元素谱图分析，所有元素的峰型较正，不偏移，灵敏度和信噪比很高；Ca、Mg、Fe、Ba、Sr的基线低，不漂移，Al的基线稍有漂移，但符合标准并做背景校准。测试结果证明改造后仍可以消除样品中基体体系效应、共存元素干扰、光谱干扰等对测定结果的影响，由此可以认为改造后检测精盐水各元素是准确可行的。

5 结语

经过改造ICP光谱仪为一体式炬管，并进行了优化，解决了氯碱行业中使用可拆卸炬管检测盐水样品遇到各种瓶颈问题，仪器精度也未发生下降情况，改造后，在操作技术方面对人员技能水平要求相对高，需经过正对性的专业培训。此外，还提高了检验工作效率，解放人工劳动力，同时给企业降低很大生产成本，故此改造是相对成功的。氯碱行业检测盐水中微量金属元素时，样品体系中有氯化钠和各种其他干扰因素对测定影响是很大的，检测灵敏度相对其他样品均降低很多，要提高精度和解决相应问题，从炬管方面研究是不可缺少的重要环节。