光电发射直读光谱仪

火花源光电直读原子发射光谱仪，通常简称为光电直读光谱仪，主要由激发光源、分光系统、信号测量转换系统等三大部分组成。世界上第一台商品化光电直读光谱仪于1946年问世，我国于1965年引进第一台光电直读光谱仪用于钢铁分析。如今，光电直读光谱分析已成为一项成熟的分析技术，具有样品处理简单、分析速度快、分析精度高、多元素同时分析等特点，几乎所有的钢铁企业、有色金属企业、铸造及机械加工企业，以及其他采用金属及其合金进行加工的行业都利用光电直读光谱仪进行生产过程及产品质量控制。据介绍，当前中国有数以万计的光电直读光谱仪应用于金属行业及上下游产业，预计从事光电直读光谱分析的人员达数万人之多。　　为了让广大仪器用户深入了解光电直读光谱仪的技术现状及市场发展趋势，2011年4-7月间，仪器信息网编辑对纳克、斯派克、岛津、赛默飞世尔科技、烟台东方、超谱(代理德国OBLF产品)、布鲁克、牛津仪器、北分瑞利、无锡金义博、盈安科技等国内外光电直读光谱仪主流厂商的产品负责人或技术专家进行了联合采访。光电直读光谱仪技术发展趋势　　经过六十多年的发展，光电直读光谱分析在新仪器开发、分析方法研究及标准样品研制等方面都有了长足的进步。将来，会有哪些新的技术应用于光电直读光谱仪，从而进一步发挥其在金属材料质量控制中的优势作用。采访中，各位产品负责人及专家分别就光电直读光谱仪的检测器、光源、光学系统以及自动化系统的技术发展等谈了自己的看法。　　(1)检测器：PMT是一种经典成熟的技术，而CCD正处于飞速的发展变化之中　　检测器作为光谱仪的核心部件，其技术的发展进步往往引领着光谱仪的发展。采访中多家厂商认为电荷耦合元件(CCD)技术的应用是光电直读光谱仪的一个技术发展方向，采用CCD将会降低光电直读光谱仪的生产成本及减小仪器体积。其次CCD最大的优点是全谱，可以很方便地增加检测元素的种类。此外，斯派克王彦彪先生认为CCD具有良好稳定性和较长的使用寿命。牛津仪器的诸炜先生表示CCD型光电直读光谱仪可以实现激发样品时自动完成波长校准，不再需要定期进行校准。金义博叶反修先生认为采用CCD技术可实现模块化、易于校准、抗振动。北京纳克副总经理高宏斌、斯派克直读光谱仪产品部门经理王彦彪、岛津PDA专家于晓林　　和传统的光电倍增管(PMT)技术相比，CCD发展较晚，作为新型检测器件，还存在一定的局限性。“首先CCD没法如PMT那样每个通道都做优化。其次，CCD在应用中为了降低暗电流需要降温，这与光学系统需要恒温相矛盾”，岛津公司于晓林先生指出。斯派克王彦彪先生和布鲁克Andreas Kunz先生表示：“CCD目前还无法应用一些高速采样技术，因而在痕量元素分析方面性能不及PMT。”超谱公司李丹戈先生表示：“CCD的信噪比不如PMT，其次如何保证多块CCD的一致性，以及处理多块CCD之间的接收空白区，也是一个问题。”此外，“当前CCD技术已经可以满足中端分析应用水平，但在短波元素分析、低含量元素分析、短期分析精度和长期精度方面和PMT还是有差距”，纳克高宏斌先生介绍道。赛默飞世尔中国区销售经理裴雷、超谱公司(代理OBLF产品)副总经理李丹戈、烟台东方总经理赵珍阳　　虽然目前CCD还有一些不足之处，但是大家认为CCD在光电直读光谱仪中的应用是值得期待的。布鲁克Andreas Kunz先生表示：“PMT到现在已经发展60多年了，是一种经典成熟的技术。而CCD技术正处于飞速的发展变化之中，可以预期CMOS(互补金属氧化物半导体)技术很快会应用于CCD当中，这些技术的不断发展会促使CCD发展到更高的水平。” 盈安科技王德春先生表示：“近些年CCD器件发展已经相当成熟，能够满足一般的分析要求，针对细分市场，各种特殊用途的CCD不断产生。”烟台东方赵珍阳先生则表示：“CCD与PMT结合是目前解决全谱检测并满足微量和痕量分析的最优选择，但同时满足两种类型检测器的采样控制和系统的完美结合目前仍然是该类仪器的制造难点。”　　(2)激发光源：从源头上提高光电直读光谱仪的性能Bruker Elemental GmbH总经理Andreas Kunz、利曼中国(代理布鲁克产品)总经理黄林玉，牛津仪器直读光谱部中国区销售经理诸炜　　目前大多数光电直读光谱仪器都采用了“数字化光源”，超谱公司李丹戈先生介绍说：“这里的‘数字’并不是真正意义上的‘将模拟信号转换为表示同样信息的数字信号’，它只是相对于模拟电路光源激发能量不可控制而言。数字化光源，其触发电压、关断时间都是可控的，因此激发能量稳定，并且呈周期性的变化，因而从源头上提高了光电直读光谱仪的精度。”斯派克王彦彪先生表示：“数字化光源是一个发展趋势，其最大的优势是免维护，另外信号输出的稳定性和之前的模拟光源相比有了很大的提高。”　　对数字化光源的应用，赛默飞世尔裴雷先生认为：“目前光电直读光谱仪中耗时最长、最不稳定的是激发光源，虽然现在采用数字化光源，但并未实现完全可控。已有一些厂商在尝试利用激光光源做激发源，虽然稳定性可控，但要求激光的能量非常高，满足条件的激光器存在着体积大、造价高的问题，需要进一步的研发。”　　(3)光学系统：保证分辨率和灵敏度的同时，实现光学系统设计越来越小型化北分瑞利发射事业部技术经理王彦东、无锡金义博董事长叶反修、盈安科技AES产品销售经理王德春　　北分瑞利王彦东先生和应用工程师张军峰先生谈到，“传统的光谱仪光学系统采用帕型-龙格结构，体积比较大 而且光学系统对环境要求比较严格，粉尘、温度等对其都有影响”。斯派克王彦彪先生和烟台东方赵珍阳先生均表示：“光电直读光谱仪体积减小，环境适应性的增强，将会促进光电直读光谱仪在线控制生产过程，以及进行现场作业。”　　布鲁克Andreas Kunz先生认为：“随着光学技术不断发展，将会实现光学系统设计越来越小型化，但灵敏度和分辨率依然很好。”牛津仪器诸炜先生表示：“光学系统的分辨率首先取决于光栅的分辨率，而光栅的分辨率只是与光栅的刻线总数及光谱级次成正比，所以采用大刻线数的光栅，即使焦距较短，依然能很好的满足光电直读光谱仪分辨率的要求。”　　(4)自动化系统：实现全分析过程的标准化，缩短分析周期　　岛津公司于晓林先生介绍说：“随着钢铁冶金企业管理现代化、装备大型化、生产高速化的不断发展，全自动分析设备逐渐成为冶炼过程品质管理和控制的主要手段。自动化系统在国外发展比较早，一是人工成本高 二是人员管理困难。在我国随着国家钢铁行业的发展，劳动力成本的提升，自动化系统也逐渐被大家接受。这个市场很大而且发展很快，我认为‘十二五’期间将会有飞速的发展。”　　布鲁克Andreas Kunz先生指出：“自动化技术可以实现全分析过程的标准化，确保快速、可靠、稳定的分析结果。此外，光电直读光谱仪使用中面临的一个问题是操作人员流动性比较大，自动化系统化将可以很好地解决这个问题。”赛默飞世尔裴雷先生介绍说：“利用自动化技术，可进行送样、制样以及样品分析时间的优化组合，缩短分析周期。当然，采用自动化系统将会对光电直读光谱仪的可靠性提出更高的要求。”　　牛津仪器的诸炜先生谈到：“我认为真正的自动化必须要在线进行，并能彻底将人工解放出来，这就需要改变样品的激发模式，比如采用移动式探头在线激发的模式。”纳克高宏斌先生认为：“虽然自动化系统已经推出很多年，但由于其投资过大，使用复杂，故障率较高，在国内的应用还不是很多，但该技术值得关注。”　　此外，在采访中，布鲁克Andreas Kunz先生与北分瑞利王彦东先生、张军峰先生均认为利用软件提升光电直读光谱仪的性能也是一个重要的发展方向。尤其是采用CCD作为检测器的仪器和软件有着很大的关系。光电直读光谱仪应用前景　　光电直读光谱仪主要适用于金属中少量及微量金属元素分析，随着现代材料科学的发展，在提高金属材料质量的同时，对分析的要求也相应提高。光电直读光谱仪在应用方面有哪些新的突破，各位产品负责人及专家分别谈了自己的看法。　　由于用户出于对生产成本的考虑，往往希望一台仪器能解决的问题越多越好，为了迎合用户的需求，各个仪器厂商也投入了充分的研发力量，不断开发光电直读光谱仪的‘潜能’。　　为了提高光电直读光谱仪在痕量元素分析方面的性能，斯派克王彦彪先生表示：“多家厂商都推出相应的技术实现了痕量元素的光谱检测，如痕量元素火花分析技术(SAFT)、时间分辨光谱技术(TRS)、单火花时间分解技术(GISS)、脉冲分布测定法(PDA)等。”　　利用光电直读光谱仪进行非金属元素/夹杂物的测定，目前还不是很理想，需要进一步研究。纳克高宏斌先生、斯派克王彦彪先生、烟台东方赵珍阳先生均认为目前光电直读光谱仪测定氮尤其是高含量氮已经比较常规，但测定氧、碳、氢元素还比较困难。赛默飞世尔裴雷先生认为：“要测定C,S,O,N,H等元素，不只对仪器有要求，还要求相关配套的标准样品，检测方法标准也要向前发展。”牛津仪器的诸炜先生也表示：“根据研究显示：利用光电直读光谱仪进行酸溶铝测定的结果与湿法分析结果之间时常出现偏差，所以进行夹杂物的分析还不是很成熟。”　　另外，超谱公司李丹戈先生谈到：“光电直读光谱仪的原理是相对已知的标准试样作对比，得出未知样品的成分，如果没有标准样品，就没法进行相应的样品分析。”岛津公司于晓林先生对此也表示：“目前在一些特殊有色金属行业，比如钛、金等，由于标准样品制备难或消耗成本高等原因，光电直读还未在这些行业得以很好的应用。”　　对于光电直读光谱仪应用潜能的挖掘，纳克高宏斌先生认为：“光电直读光谱仪技术要回归到解决如何测定更快速、更准确，以及操作更简便，这才是光电直读光谱仪的用户核心需求所在，不需要更多花哨的研究。因为其应用的优势在于生产过程控制，失去了准确性或稳定性将毫无价值。”光电直读光谱仪市场发展趋势　　光电直读光谱仪主要应用于金属行业的上下游产业，其市场发展变化也和这些行业的发展密切相关。采访中，各个厂商负责人谈到了国家政策调整、企业生产管理观念的变化对光电直读光谱仪的市场发展的影响，以及未来光电直读光谱仪市场需求可能的一些增长点。　　布鲁克Andreas Kunz先生表示：“全球的光电直读光谱仪市场需求目前略有下降，但一些新兴市场，如中国、巴西、印度等地的光电直读光谱仪市场在不断扩大。另外，移动式光电直读光谱仪现在越来越被市场需求。” 盈安科技王德春先生表示：“光电直读光谱仪作为传统分析仪器，分析技术及应用领域已相对成熟，市场需求量在相当长的一段时间内将维持一个相对平稳的水平。”　　超谱公司李丹戈先生表示：“国家政策形势、行业标准、及一些突发事件等都会对光电直读光谱仪的需求产生影响。”　　对于高端光电直读光谱仪的需求，岛津于晓林先生认为：“‘十二五’期间，国家提高了精制钢的产量比例，这将会对钢中各种元素含量的控制提出更高的要求，从而促进高端光电直读光谱仪的市场需求。”　　光电直读光谱仪的中端市场需求很大，纳克高宏斌先生指出：“目前，还有很大一部分中小企业认为花钱买光电直读光谱仪不划算，但这部分市场迟早是要开发的。” 赛默飞世尔裴雷先生表示：“目前民营企业逐渐认识到利用光电直读光谱仪进行质量控制的重要性。”烟台东方赵珍阳先生谈到：“中小企业对于仪器的需求弹性非常大，价格降低一点就会有很多厂商选择购买光电直读光谱仪。”　　对于光电直读光谱仪新的应用增长领域，斯派克王彦彪先生表示：“近年来发展比较快的一个行业是汽车行业。另外还有检测机构对光电直读光谱仪的需求也在提升，各地质检所、质检机构以及第三方检测机构对此也有需求。”诸炜先生谈到：“未来牛津仪器会更加关注来料检测市场及高纯金属分析等领域。”　　采访编辑：秦丽娟　　附录1：光电直读光谱仪最新产品集锦　　在采访中，我们了解到在2010-2011年多家仪器厂商推出了光电直读光谱仪新产品，或有新的仪器引入中国市场。仪器信息网编辑对这些仪器进行了搜集整理，供网友参考。　　岛津PDA-8000光电发射光谱分析装置：主要用于超低碳、氮、磷、硫、硼等元素的分析。采用焦距为1000mm的光栅，重新设计数字化的激发光源，激发光源及测光系统采用简便牢固的全密封系统。　　OBLF VeOS型光电直读光谱仪：使用自己设计、专业厂商生产的CCD，波长范围在130-800nm，焦距可达500mm。　　布鲁克：最新的Q4移动式光谱仪，以及和X射线荧光光谱仪相配合的全自动Q8 MAGELLAN高端立式真空型直读光谱仪。　　斯派克SPECTROLAB系列光电直读光谱仪新产品：双光学室，同时结合PMT及CCD检测器，两个光学系统的焦距都达到750mm。　　烟台东方DF-300光电直读光谱仪：采用等离子体光源，国内首次采用CCD和PMT放在同一光室，统一罗兰圆构架，实现了CCD和PMT对同源数据的采集。　　纳克1000型火花直读光谱仪：延长了PMT的使用寿命、减少了氩气的消耗量，可供用户选择的单火花数据采集技术以及炉料自动配比软件。　　牛津新型台式全谱直读光谱仪Foundry-Master Xpert：波长范围130-800nm，检测范围基本涵盖了所有金属元素，并包括钢中的氮。　　盈安科技M5000直读光谱仪：国内首创CCD全谱接收技术，双光室设计，波长范围140-680nm。　　附录2：光电直读光谱仪专场　　http://www.instrument.com.cn/zc/oes.asp

2015年6月2日，聚光科技正式对外发布直读光谱仪家族的最新成员：E5000A型高分辨率电弧直读光谱仪。 E5000A型高分辨直读光谱仪是原E5000型产品的衍生品，与E5000共用同一技术平台，把原有2400L/mm的光栅更换为3600L/mm，增大光谱仪色散，分辨率提高了30%，光谱半高全宽达到18pm。在样品分析过程中，能有效的避免元素间干扰，使其性能进一步提升，特别适合对Ag、B、Sn检测有较高要求的用户。以Ag作为代表元素，谱图如下所示：3600L/mm光栅 2400L/mm光栅 2400刻线光室有谱线干扰的元素主要是Ag和Sn，采用3600刻线光栅后，分辨率大约提高了30%，对于一些Fe含量较高的样品，能准确分析。比如GSS4样品中Ag元素铁峰的干扰问题。样品GSS4中3600刻线光室Ag的谱线 样品GSS4中2400刻线光室Ag的谱线 如上图GSS4样品的Ag光谱所示，E5000A型电弧直读发射光谱仪采用了3600刻线光学系统之后，Ag 328.07nm谱线明显分开，消除了铁峰的干扰，使得测量准确性大为提高，达到了1：20万化探标准的要求。测试结果如下：GSS4 Ag E5000A 测量值(μg/g)0.087真实值(μg/g)0.07 ΔLog(C) 0.094 在检出限方面，E5000A型仪器也有了进一步提升，具体数据如下表所示：元素3600光栅(μg/g)1:20万要求(μg/g)Ag 0.0044850.02B0.1812155Sn0.2248261 E5000型电弧直读发射光谱仪自从2014年10月上市以来，便在全国范围内巡展，依次到过河南、天津、山东、长春、新疆、成都、江西等地。且得到用户的高度认可，甚至有些用户在交流会现场确定采购。目前已有几十家用户在使用这台仪器，用户体验非常好。在回访活动中，安庆326地址调查院用户说：“我们分析了11种元素，效果非常好”。西藏用户说：“每天分析300多个样品，自从使用聚光科技的仪器后，极大地提升了生产效率，使工作变得轻松愉快且有品位”。看到用户脸上洋溢的笑容和发自内心对仪器的认可，我们收获了满满的幸福。有些用户反馈说：“在地矿行业，样品量大、情况复杂、干扰多、领域宽广，对分析检测的质量要求高，特别是Ag、B、Sn的检测，一直是困扰地矿行业的难题，迫切需要高分辨率的仪器面世”。为更好地满足用户需求，聚光科技正式推出高分辨率电弧直读光谱仪。在未来，我们会带着这两款仪器走访更多的用户，把最新的技术和应用带到每一个用户的身边。同时也希望用户能为仪器提出宝贵的意见，说出用后的心得体会，以便升级的仪器更贴近用户的需求。 聚光科技实验室业务发展事业部总经理马放均表示：“E5000A型 电弧直读发射光谱仪的上市，体现了我们不断改进仪器性能和功能的承诺，同时彰显了我们在现有仪器的基础上不断衍生出更适合行业应用和用户需求的仪器。同时，体现了聚光科技自主创新以及不断超越自己的能力。目前电弧直读光谱仪在地矿行业已有非常成功的应用，聚光科技同时开展了在环保固废分析、土壤分析、冶金有色分析等行业的应用研究。在未来，我们依然坚持以用户的需求为出发点，在多个领域研制出用户需要的仪器”。 “绿色分析”和减少分析检测对环境和人类的危害是浙江地质矿产研究所郑存江教授一直倡导的理念，郑教授在接受媒体采访时说：“E5000能够对地质分析中难以分解的Ag、B、Sn三种元素进行分析。如果加入惰性气体，原来不能测定的氰带干扰元素，现在也可以通过E5000检测了。进一步实现仪器自动化，以应对庞大的样品量。同时，金属、非金属的粉末样品都能通过E5000检测。”更多关于郑教授的采访内容，请查看以下链接：http://www.instrument.com.cn/news/20140721/136984.shtml 活动现场剪影E5000A型电弧直读发射光谱仪的优点如下： 小身材大能量：体积小，波长范围宽，近万条谱线，操作简单 绿色分析：固体粉末直接进样，全面解决Ag、B、Sn检测难的问题 全谱直读：光谱范围广，谱线库丰富，先进的背景校正技术，谱线精细分析 稳定可靠：全固定精密恒温光学系统，智能漂移校正技术，安全连锁水冷系统 想你所想：旋钮式电极夹持，电极激光自动对准，一键激发直读光谱仪家族成员

2011年6月28日，在德国杜塞尔多夫国际铸造展(GIFA 2011)召开期间，德国斯派克公司推出了SPECTROLAB系列光电直读光谱仪新产品。最新的SPECTROLAB光电直读光谱仪做了一系列的改进，比之前的型号检出限更低，例如可用于纯铜、纯铝中的微量元素分析。　　斯派克固定金属分析仪产品经理Kay Tö dter表示：“自从2007年我们在SPECTROLAB中首次采用混合光学系统以来，这种技术得到了大家的广泛关注。对许多用户来说，在一台仪器中同时采用光电倍增管及电荷耦合探测器件作为检测器，为用户提高实验室分析能力提供了新的可能性。”　　“新型SPECTROLAB光谱仪具有以下技术优势：光电倍增管结合单火花预估技术、时间分辨光谱技术；采用电荷耦合器件，可同时利用分析线和参考线进行分析等；结合这些技术优势，SPECTROLAB光谱仪的检出限达到最低，并且保持了很好的稳定性和重复性。”　　“此外，优化的激发参数以及新型的读出系统，使得仪器用于贵金属分析或电池行业的金属铅分析能力得到了很大的提升。同样在汽车和航空航天材料测试领域，SPECTROLAB具有其独特的优势”，Tö dter先生说到。　　“新型SPECTROLAB可以分析铝、镁、钛合金，长期以来这被认为是不可能的，因为它们的光谱特别复杂，利用光电倍增管作为检测器时，可选的分析线非常有限，而新型SPECTROLAB可以选择120-780nm整个光谱范围的谱线进行分析”，Tö dter先生解释说。　　“新型仪器具有独特的灵活性，可以进行未知金属材料分析，除此之外，该仪器具有最佳的光谱分辨率，两个光学系统的焦距都达到了750nm，对于纯金属中的微量元素分析，以及所有的合金材料分析都具有很好的效果。”　　斯派克在重新设计SPECTROLAB光谱仪时，对于如何降低它的运行成本做了充分的考虑。在设计中，对于需要更换维修的部件都放在易于拆卸的地方。此外还有诊断系统和日志文件系统也可以帮助用户监控仪器状态，提供准确的问题解决方案，帮助用户延长维护周期，缩短维修时间。　　作为高端的光电直读光谱仪，SPECTROLAB不仅可以满足金属生产商和加工企业的需求，也可满足汽车和航空工业的需要，特别适合应用于质量控制以及材料的质量分析。　　关于斯派克　　德国斯派克分析仪器公司是目前世界上最大的原子发射光谱仪生产厂家,总部设在德国Kleve市。自1979年成立以来，在继承了德国优质光学仪器制造传统的同时，凭借独特的先进技术和稳定可靠的质量以及周到的售后服务，使其始终处于世界发射光谱技术的领先地位。目前，已经向全世界用户提供了超过30,000台的各类光谱仪，在中国也有5000多台仪器在运行使用。