Varian 725型电感耦合等离子体原子发射光谱仪的使用和维护保养

Varian 725型电感耦合等离子体原子发射光谱仪的使用和维
护保养
李丹;刘楠才;常文林
【摘要】介绍了Varian 725型电感耦合等离子体原子发射光谱仪的进样系统中的样管、雾化器、雾化室以及光路中的矩管、高频电路中的电感耦合线圈、循环水路以及工作气路的使用操作和维护,通过有效的维护操作,解决光谱仪使用过程中点燃不了等离子体,以及形成的等离子体火焰不稳定导致熄灭的问题;阐述了仪器技术参数中工作气流量、观察高度、光室温度及测样前的最佳稳定时间、干扰消除、波长校正,谱线读数积分时间的优化设置;总结了仪器的高频电磁安全防护、使用过程中开停机和使用的温度、湿度环境及除尘维护方面的实践经验.通过建立健全Varian 725型ICP-AES的使用和维护保养,降低仪器设备的故障率,确保它能稳定有效的发挥工作性能,为日常测试提供准确的分析数据.
【期刊名称】《有色设备》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】7页(P92-98)
【关键词】Varian 725型电感耦合等离子体原子发射光谱仪;技术参数;操作使用;维护;性能
【作者】李丹;刘楠才;常文林
【作者单位】瑞木镍钴管理(中冶)有限公司,北京100028;瑞木镍钴管理(中冶)有限公司,北京100028;瑞木镍钴管理(中冶)有限公司,北京100028
【正文语种】中文
【中图分类】O657.31
电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP- AES)分析技术，具有原子发射光谱法能测定多元素的特点，还具有线性范围宽，进样溶液稳定性强，能对主、次、痕量成分进行多元素、多谱线同时测定的新性能，已成为当前最具优越分析性能和实用价值的实验室必备检测手段[1]。

Varian 725型电感耦合等离子体原子发射光谱仪是集电、气、液、自动控制于一身的大型精密分析设备，它是由前澳大利亚的Varian公司采用先进的光谱技术并结合计算机软件模拟技术而开发出来的一款光谱仪器，具有精密而稳定的光学系统，可以提供连续而稳定的工作性能，有效的适应各种分析条件的变化，提供令人满意的分析数据。

位于南北回归线范围内，太平洋西南的巴布亚新几内亚马当省的瑞木镍钴项目，是集采选冶为一体的世界级矿业冶金项目。

Varian 725型ICP- AES以良好的性能表现应用到项目中矿石资源品位、生产过程中的矿浆成分含量、中间产品质量的测定分析，以及其他辅助环节的各项分析工作，满足不同类型的矿石、产品、及其它物料中对有价值的无机金属元素镍、钴、钪及其它杂质元素镁、铝、铜、锌、铁、锰、硅、磷等进行多元素的成分测定[2-4]。

其良好的性能发挥，还需要日常分析测定
工作中良好的操作和细心周到的专业维护保养，如果操作不当，维护保养不到位，就有可能造成仪器部件及元器件的性能参数下降，甚至失灵，导致仪器工作效率降低，甚至根本不能工作的后果[5-8]。

因此，在化验室日常工作中，对725型ICP- AES的使用和维护保养要像分析过程一样，要有条不紊的做到位，通过建立健全Varian 725型ICP- AES的使用和维护保养，降低仪器设备的故障率，确保能稳定有效的发挥其工作性能，为日常测试提供准确的分析数据。

1 仪器进样系统的操作和维护
进样系统是仪器的重要组成部分，在光谱仪器进入优化工作状态的分析测定过程中，分析数据发生漂移以及质量控制样品的分析精密度出现较大偏差，大部分都和进样系统的操作维护状况有关，因而，做好仪器进样系统的操作和维护，对稳定仪器的工作性能，保障分析测定的精密度和准确性，有着十分重要的意义。

仪器的进样系统包括样品管路中的进样管和排液管、雾化器、雾化室。

1.1 样管的使用操作和维护
725型 ICP- AES的样管是卡在蠕动泵的泵槽里，并由管泵夹压住，通过蠕动泵的转动带动进样和排液。

蠕动泵管在长时间的工作后，如果因为工作用的高盐物料发生堵塞，或者因为工作挤压磨损严重，弹性变差，甚至固定到泵夹上处于很松弛的状态，都会影响其正常工作。

对于进样泵管来说，会造成雾化器对样品溶液的提吸量较正常情况下降很多，引起分析测定结果偏小；在进样泵管破损严重，甚至发生局部裂痕的情况下，会导致空气泄露进入管路，吸入的空气会污染矩管中的氩气圈，稀释电离的离子浓度，并有可能破坏氩气电离形成的等离子气氛，导致矩管火焰熄灭。

对于排液泵管来说，破损的管路会使正常排液受到影响，甚至根本排不出废液，此时，整个管路只能进样而不排液，将很快导致雾化室，矩管积水，仪器会识别到危险，触发保护性灭火而关闭等离子体。

因而，对有问题的管路要及时更换。

通过十字接头连接的管路，把更换后的泵管连接到相应的十字接头上；采用插入式连接的毛细管管路，手指要隔着柔软的脱脂棉捏着进样毛细管，并小心插入到进样泵管中，以防止进样毛细管出现皱褶，避免由于产生皱褶而妨碍正常进样。

管路更换后，接下来要正确的安装到蠕动泵上，要确保进样管和废液管的安装方向和蠕动泵的转动方向一致，此时，废液管和进样管刚好是相反的安装方向，若它们是同方向安装，就存在装反的情况，会导致排液管无法排水，而导致积水而熄火的后果。

管路安装到蠕动泵上后，要用泵夹压住，如果压住不合适，也会影响正常工作。

对于进样泵
管来说，如果泵夹松动，可能造成仪器在采集信号的时候，采集到空气，造成进样不均匀不稳定，降低信号的发射强度，影响分析测定结果的准确性。

对于排液泵管来说，如果没有压紧或者忘记用泵夹压住，也可能造成排液管无法排水，产生积水而熄火的后果。

在实践中，通过调节泵夹螺丝来控制泵管的松紧度，当泵管刚出现进样或排液时，再旋紧泵夹螺丝半圈就是合适的泵管压力，此时，进样和排液能连贯进行，且泵管的松紧度正好合适，这样的安排能达到提升蠕动泵管使用寿命的目的。

综合以上，725型ICP- AES仪器进样前，要进行例行检查，检查管路是否被脏物堵塞，是否发生破损以及多个接头处是否有漏气的情况，安装到蠕动泵上的进液管和废液管的安装方向有没有存在装反的情况，泵夹有没有加上，夹紧度是否合适。

确认无误后，再打开蠕动泵运行一会，观察进样管是否连续的进样，排液管是否连续的排出水泡。

如果都正常，说明进样系统的管路运行正常，否则，要按照前述进行故障排查，排除隐患。

1.2 雾化器、雾化室、炬管的使用操作和维护
725型ICP- AES采用铁氟龙抗氢氟酸雾化室和与其配套的V槽式雾化器、标准垂直石英矩管、石英帽。

使用过程中，在每次ICP- AES仪器分析工作完成后，要用5%的稀硝酸和去离子水分别对进样系统喷2～3 min，避免由于样品溶液干燥时，在雾化器、雾化室、炬管的喷射口内形成样品沉积或结晶，以保持雾化室、雾化器、炬管的畅通和洁净。

特别是在使用725型ICP- AES测定铬铁矿的过氧化钠熔融液的高盐溶液中镁、铝含量时，需要选择采用高盐矩管。

分析结束时，需要进行约1 min的时间冲洗，以免影响其它微量元素的测定。

对于高盐溶液中的其它微量元
素的分析，要考虑到样品中的主体元素的干扰而影响分析结果的精密度和准确性，通过选择对主体元素灵敏度差的发射谱线，采用背景校正模式来减少对被测微量元素的干扰。

此外，雾化室、雾化器、炬管要进行定期的维护清洗，保持良好的工作
状态。

特别是对于进样系统中最精密的的雾化器来说，经过一段时间的使用后，雾化器的嘴部会积有盐份，使得气溶胶雾化效率降低；此外，铁氟龙抗氢氟酸雾化室的内表面，炬管喷嘴这些地方也可能会积有盐份，特别是在测定高盐溶液之后，会更加明显。

这些积块，会造成待测溶液转化为气溶胶的通道不畅，引起光谱发射强度下降，影响分析结果的精密度和准确性。

特别是炬管上的积尘或积炭，以及炬管在长时间的高温和酸性工作环境中，炬管材料发生熔融反应产生盐类，能对点燃的等离子体炬焰产生直接影响。

在实践中，每隔一个月要把雾化器、雾化室、矩管卸下来，进行清洗，以保持进样系统的雾化器、雾化室、炬管的清洁。

1.2.1 雾化器的清洗维护
对于雾化器喷嘴由于高盐积累引起的堵塞可以通过用5%的稀硝酸和去离子水喷射清洗，以及采用注射器注水，反向冲洗的方法解决。

但是如果属于溶液中悬浮颗粒物堵塞，则需要进行疏通，采用一根较硬的发丝从雾化器的出口处小心伸进去，将颗粒物反捅出去，但注意不得使用金属丝或硬质的塑料丝，以免损坏精密的雾化器喷嘴。

同时，在工作中，为了避免雾化器堵塞，对悬浮物颗粒较多的样品溶液，可以采用过滤的方式，滤掉不溶颗粒物；对于使用的氩气，在氩气管路中安装过滤装置，在线过滤氩气瓶或气路中可能存在的颗粒物，以维护雾化器的高效运行。

1.2.2 炬管的安装和维护
石英炬管采用高级石英制成，使用过程中，要注意尽量不要用裸手接触石英炬管，而是要佩戴柔软的橡胶手套，以免表面沾染油脂，而在后续使用形成的等离子体高温条件下，导致的石英析晶而减少使用寿命。

由于它是易碎材料，在连接气体导管以及固定安装到炬管夹内的时候，用力要轻；存放石英炬管时，要放置在有泡沫海绵保护的专用盒子内。

不要使用金属或刮擦工具清洁石英矩管，也不要使用超声波清洗器清洗石英炬管。

使用过程中，由于石英炬管不能耐氢氟酸的腐蚀。

因此，进样的溶液如果使用了氢氟酸，要进行排出氢氟酸的后续操作。

725型ICP- AES采用的是可拆卸矩管，拆卸后，每次重装炬管，都要确保位置正确，以保证矩管和耦合线圈同心，如果线圈内的炬管位置安装不正确，可能导致炬管被等离子体啃食退化而减少使用寿命，严重时，甚至会导致矩管被高温的等离子体熔融的事故。

因此在把矩管安放到耦合线圈时，一定要确保正确的安装位置，如图1所示，要确保矩管的中心管和耦合线圈底部的距离不少于2 mm。

图1 矩管的安装位置
1.2.3 炬管的准直
重新安装矩管，矩管的位置会发生变化，都必须进行炬管准直。

炬管准直的目的是调节等离子体观测位置，并找到最佳的观测位置。

725型ICP- AES采用5 mg/L
的Mn标准溶液来准直矩管，找到光强度最大的观测位置。

日常使用过程中，进
样管和雾化器使用的时间长了，发生堵塞，也会影响炬管准直后的强度，因此，通过定期做炬管准直，通过矩管准直前后的波峰强度对比，如果发现发射强度下降很多，很有可能是雾化器发生堵塞或者矩管的灵敏度下降等原因造成的，此时，矩管准直的结果能起到是否需要对进样系统进行检查清洗的提醒作用，可以作为诊断仪器系统是否正常工作的指标之一。

图2 矩管准直
1.2.4 电感耦合线圈的维护保养
电感耦合线圈的作用是把接入的电源频率为0.7～1.5 kW的RF高频发生器的高频电流，转化为高频电磁场，使得工作氩气能电离形成火焰状的稳定放电的高温等离子体光源，如果工作线圈上有水雾，线圈存在腐蚀，可能会影响等离子体的点火。

在实践中，发现正常点火是一下就点着了，但在有些情况下，点火特别费劲，有时能看到线圈里有和闪电一样的火丝，持续时间能在6～8 s后，才能点着火。

经过
反复排查，发现是线圈使用时间较长，表面较脏，导致线圈工作时耦合不足造成的。

通过对线圈的维护保养，点火时恢复正常，问题得以解决。

在对工作线圈进行维护
保养时，要关闭仪器的RF高频发生器电源，以脱脂棉沾稀释后的1：1氨水，来
回擦拭线圈表面几次，至表面污物去除，恢复正常的光泽为宜，再用去离子水洗净表面的擦拭液残留，并用吸水纸擦干线圈。

1.2.5 循环水系统的维护保养
循环水系统的温度流量参数突然发生变化，可能会影响工作线圈和检测器的冷却效果，引起RF的功率及检测器的工作不稳。

据仪器资料的相关记载，如果RF功率
有0.1%的漂移，光谱发射强度会相应的有超过1%的变化，这会明显影响分析结
果的精密度，甚至造成等离子体熄灭，不能工作的情况。

这可能是由于循环水经过较长时间的使用，水质发生了变质。

原来没有杂质的洁净水滋生出了悬浮物，堵塞水循环管道，造成循环水冷却系统阻力增大，冷却效果变差。

此时，需要进行循环水泵的维护保养，放掉被污染的水，清除管道里的杂物，打入新水，打开氩气吹扫，吹扫完毕后，将水循环的进水管和出水管进行反接，运行循环水1 min后关闭，
再完全排放出水循环冷却器里的废水，置入合适量的新水，反复操作几次，彻底清洗水循环管路，最后把反接的水循环进水管和出水管调正。

为了防止循环水变质造成的影响，要定期的更换循环水。

同时，在实践中，控制循环水温度在21 ℃，通过以上对循环水系统的维护保养，保证了冷却水路系统的正常工作。

1.2.6 氩气气路系统纯度和压力的控制
高纯度且流量适中的氩气是形成稳定的等离子体的必要条件之一。

如果氩气不纯，可能会造成谱线漂移，光谱发射强度下降，影响分析结果的准确性，甚至会使点火过程发生异响。

针对这种情况，要选择采用高纯度的氩气，实践中，通过更换氩气的办法，问题得以解决。

氩气的压力过高或过低也会影响等离子体火焰气氛，压力较低时，形成的氩气圈纯度不够，当氩气压力小到一定的程度时，会触发仪器的自我保护而发生熄火；压力较大时，会浪费氩气，同时，稀释了氩气圈的离子浓度，减弱了光谱的发射强度，实践中，选择0.55 MPa的输出压力能满足工作现场矿物
冶金分析的需要。

2 对725型 ICP- AES的技术参数设置和使用
仪器使用者需要熟悉日常的分析化验工作，特别是要熟练的运用725型ICP- AES 光谱分析手段，熟悉技术参数设置和使用，进行正确操作，降低仪器的故障率。

2.1 设置合适的工作气流量
ICP- AES分析，需要确定冷却气、辅助气、载气的流量。

冷却气，又称等离子体气，用于稳定等离子体，氩气的流动将等离子体固定在正确位置，使其不与炬管接触，同时起到冷却石英管壁的作用，使用过程中，如果冷却气流量中断，或者氩气管路内出现漏气，冷却气流量设置过低，石英矩管得不到有效的冷却，导致温度超出石英的熔点，可能会引起炬管熔化。

化验室在仪器的使用初期，就发生过一起此类事故。

在实践中，通过采用保持和负载溶液相匹配的冷却气流量，以及确定正确的炬管安装位置的办法，有效避免了炬管熔化事故的再次发生。

辅助气主要用于保护中心管并点燃等离子体。

辅助气流量分为0.75 L/min、1.5 L/min、2.25 L/min 的3个档次。

若辅助气流量低于0.75 L/min，易使等离子高温体距离中心管顶端
过近，发生中心管堵塞现象；若辅助气流量高于2.25 L/min，易造成最佳观测高
度偏高而致使灵敏度降低。

载气，又称雾化气，能把待测溶液雾化，并把雾化后的气溶胶输送到等离子体中。

载气的设置能影响形成的气溶胶性质及传输速率。

通过实践，载气流量或压强大小能影响发射强度和背景强度，因而对分析测定的影响较大，载气压强一般选择位于0.18～0.24 MPa的区间。

在实际应用中，随着载气流量加大，进样量增多，进入ICP矩焰的量也会增多，谱线强度增大，信背比会提高。

但载气流量达到了一定值后，再加大，则由于其速度太快，使进入ICP的粒
子来不及激发而直接冲出，同时载气流量过大也会使ICP矩焰温度降低，而导致
发射强度降低，信背比变差。

因而需要通过选择合适的雾化气压力，优化载气流量。

在分析化验过程中，进行的是多元素的发射光谱分析，不可能达到每个元素都能到
最佳点，在现场的矿物冶金分析工作中，通常是考虑主要的Ni、Co、Mg、Al元素，综合考虑，确定冷却气的流量：15 L/min，辅助气的流量：1.5 L/min，雾化器压力控制约为200 kPa。

2.2 优化ICP- AES分析的观察高度
725型ICP- AES的ICP光源采用垂直放置，从侧面进行观测的径向式观察方式，观察高度的选择是比较重要的一步，不同的观测高度，会影响元素测定时的强度和信背比，而影响到检出限。

因此，确定矿物元素Ni、Co、Mg、Al分析方法的时候，要进行观测高度的最优化，在不同观察高度的情况下进行分析，选择灵敏度最高和干扰最少的观测高度。

另外，观测高度不仅受元素种类的影响，还受基体的背景因素影响。

因此，在对矿物元素Ni、Co、Mg、Al的分析过程中，宜采用含有
大致和基体相同的标准溶液来确定最佳观测高度，并在分析参数中选择采用最优化后的观察高度。

2.3 ICP- AES点火前的光室温度控制及测样前的最佳稳定时间
ICP仪器在点火操作前，要按说明书中的使用要求，确认光室达到稳定的
35±0.1 ℃，若多色器温度没有稳定在此范围内，就投入使用，光学元器件受温度变化的影响，相对位移发生变动，导致谱峰位置发生漂移，由谱线积分计算得到的分析结果也发生变化，甚至发生失真的后果。

因此，仪器主机要充分预热，确保光室温度能保持稳定，在实践中，根据光谱仪器经常使用的实际情况，采取仪器完全通电、但等离子体熄灭的待机状态，来保证光室温度的恒定。

待确定光谱仪器的光室温度、循环冷却水温度、氩气压力满足要求，进行点火操作，点燃等离子体，分析测定样品前，要有一个稳定的过程，以保持等离子体火焰的稳定。

有些仪器可能受环境影响比较大，稳定的时间要长一些。

化验室采用的Varian 725型ICP- AES点火后，在较短的时间内就可以投入分析，且稳定性较好，实际运用中，在分析工作进行1 h后，测定值产生的漂移较少。

图3示意了在其
在连续工作3小时后，各矿物元素的相对标准偏差情况，结果表明，RSD<1%，
能满足分析测定数据精密度和准确性的要求。

图3 725ICP- AES连续工作的稳定性
此外，在分析检测过程中，有时出现，连续对一份试样进行几次检测，每次检测数据都不一样且相差比较大的情况。

特别是在测定含量高低不同的各种矿物金属元素时，表现比较明显。

这是由于仪器在进行较长时间工作后，管路内累积了记忆效应造成的，特别是在测定完高含量组分，接着测定低含量组分，待测的低含量新样品由于受到残留在进样系统内分析过的之前高含量样品的影响，记忆效应会特别明显。

为了消除记忆效应累积而影响分析的精密性和准确性，在交叉测定高、低含量样品时，要注意用5%的稀硝酸冲洗进样系统，使管路处于洁净的不受污染的工作状态，图4示意了Varian 725型ICP- AES测定高含量Mg样品，为消除Mg发射强度信号累积的记忆，恢复到空白状态，所需要的冲洗时间。

从图4可以看出，经过
40 s的冲洗，高含量Mg累积的记忆就能完全消除。

图4 725ICP- AES消除记忆效应恢复稳定工作的时间
2.4 消除分析干扰的方法
725型ICP- AES在矿物冶金的分析应用中，通过选用分析谱线，大多情况下可以进行直接测定。

在实际应用中，对样品的信号干扰很严重的情况下，要选择干扰少，灵敏度高的谱线作为分析用谱线；通过采用基体匹配，对样品进行处理时，尽量让样品和标准的背景强度大体相同；以及谱线干扰校正等方式以消除干扰。

725型ICP- AES具有高分辨率的光学系统，并带有很好的干扰校正软件。

通过软件的Fact校正模式拟合校正谱线，扣减干扰，可保证测定结果的准确性。

通过建
立空白溶剂的谱线、干扰元素的谱线，拟合出纯的待测元素谱图，以此来消除谱线干扰，提高725型ICP- AES的选择性和准确度。

2.5 波长校正，找回准确的波长坐标位置
波长校正的目的是：对事先存储在谱线库中的理论波长坐标位置进行修正、保证实际使用的波长坐标位置准确，如果实验室温度变化较大，波长坐标位置发生漂移，谱峰坐标偏移，就应适当进行波长校正，如图5、6所示。

图5是校正前的元素Ni的谱峰坐标，图6是波长校正后的谱峰坐标，从以上2图的对比可以看到，经过校正后，找到了准确的波长坐标位置，待测组分的积分面积更加准确，从而提高了分析结果的准确度。

图5 校正前的谱峰坐标
图6 校正后的谱峰坐标
2.6 谱线读数积分时间的选择
Varian 725型ICP- AES检测器测定谱线强度是以每秒计数来计算的，因此选择合适的读数积分时间也很重要，读数积分时间短，会影响数据的精密度；但读数积分时间太大，会延缓样品的分析速度，影响批量样品的分析测定，实践中，选择2～3 s的读数积分时间，可以达到获得稳定读数，提高分析精密度，又不太影响分析速度的目的。

3 Varian 725型ICP- AES的高频电磁安全防护、使用过程中开停机和使用环境的维护
3.1 高频电磁安全防护的维护
Varian 725型ICP- AES工作时，会产生高频电磁辐射，释放出来，会影响其它弱电仪器的正常工作，甚至还会对操作人员造成电磁辐射伤害，因此，使用过程中，要确保高频电磁辐射屏蔽在屏蔽箱内。

仪器的等离子体火焰观测窗口，采用了厚1 mm的铜质网状屏进行蔽层，效果较好，但是如果随着使用时间的延长，铜质网状屏发生腐蚀破损，则要及时进行修复或者更换，以维护好其对高频电磁的安全防护作用。

3.2 仪器使用过程中开停机的维护
使用中尽量减少开停机的次数，725型ICP- AES投入运行，就把要做的分析项目一气呵成的分析完，不要同一段时间内中途反复的关停机，更不要开开停停，仪器在每次开启的时候，瞬时电流大大高于运行正常时的电流，瞬时的脉冲冲击，容易造成RF功率管的灯丝断裂，过流短路而提前老化等一系列问题，而缩短仪器的使用寿命，甚至给仪器造成损坏。

因此在分析工作中，仪器开机测定前，就要事先把各项准备工作都做好，以减少开停机的次数，避免ICP- AE仪器频繁开启造成的
损坏。

3.3 仪器使用过程的温度、湿度环境维护
725型ICP- AES光谱分析仪器，经过光谱仪的高分辨率的中阶梯光栅交叉色散光学系统，把待测物质激发而辐射出的复合光，进行色散分光，从而得到一条按波长顺序排列的光谱，实现把复合光分解为单色光，并利用灵敏度高且防电子溢流的超过百万感光点CCD检测器里的光电转换器件，利用光电效应将不同波长的辐射单色光转化成光电流的信号。

光系统是仪器的核心部分，根据光学仪器的特性，对使用的室内环境温度和湿度有一定要求。

如果温度变化太大，受温度变化的影响，光学组件就会产生谱线漂移，造成测定数据不稳定，甚至出现错误。

而室内湿度是另一个同样重要的环境因素，湿度过大，包括光栅在内的光学组件容易发生受潮，使得仪器运行性能降低，造成分析数据的相对标准误差RSD较大，数据精确度变差。

特别是仪器所在地，在雨季的时候，室内湿度能达到90%以上，室内的高湿度，
造成仪器运行时，仪器原本高效稳定的射频发生系统中的工作线圈里有和闪电一样的火丝，持续时间也有数秒，之后才能点着火，产生的等离子体也像是在雾中一般，很模糊，室内的高湿度也使得电子原件容易受潮烧坏，在使用过程中，就发生过仪器在高湿度下工作，高频发生器的功率管组件被击毁的事故，见图7。

图7 损坏的功率管组件
为了给仪器提供良好的运行环境，通过室内配置空调，除湿机，配备温度湿度表，。