火花源光電直讀原子發(fā)射光譜儀，通常簡(jiǎn)稱為光電直讀光譜儀，主要由激發(fā)光源、分光系統(tǒng)、信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等三大部分組成。一臺(tái)商品化光電直讀光譜儀于1946年問(wèn)世，我國(guó)于1965年引進(jìn)臺(tái)光電直讀光譜儀用于鋼鐵分析。如今，光電直讀光譜分析已成為一項(xiàng)成熟的分析技術(shù)，具有樣品處理簡(jiǎn)單、分析速度快、分析精度高、多元素同時(shí)分析等特點(diǎn)，幾乎所有的鋼鐵企業(yè)、有色金屬企業(yè)、鑄造及機(jī)械加工企業(yè)，以及其他采用金屬及其合金進(jìn)行加工的行業(yè)都利用光電直讀光譜儀進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量控制。據(jù)介紹，當(dāng)前中國(guó)有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的光電直讀光譜儀應(yīng)用于金屬行業(yè)及上下游產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)從事光電直讀光譜分析的人員達(dá)數(shù)萬(wàn)人之多。
為了讓廣大儀器用戶深入了解光電直讀光譜儀的技術(shù)現(xiàn)狀及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，2011年4-7月間，儀器信息網(wǎng)編輯對(duì)納克、斯派克、島津、賽默飛世爾科技、煙臺(tái)東方、超譜(代理德國(guó)oblf產(chǎn)品)、布魯克、牛津儀器、北分瑞利、無(wú)錫金義博、盈安科技等國(guó)內(nèi)外光電直讀光譜儀主流廠商的產(chǎn)品負(fù)責(zé)人或技術(shù)專家進(jìn)行了聯(lián)合采訪。
光電直讀光譜儀技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
經(jīng)過(guò)六十多年的發(fā)展，光電直讀光譜分析在新儀器開(kāi)發(fā)、分析方法研究及標(biāo)準(zhǔn)樣品研制等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。將來(lái)，會(huì)有哪些新的技術(shù)應(yīng)用于光電直讀光譜儀，從而進(jìn)一步發(fā)揮其在金屬材料質(zhì)量控制中的優(yōu)勢(shì)作用。采訪中，各位產(chǎn)品負(fù)責(zé)人及專家分別就光電直讀光譜儀的檢測(cè)器、光源、光學(xué)系統(tǒng)以及自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展等談了自己的看法。
(1)檢測(cè)器：pmt是一種經(jīng)典成熟的技術(shù)，而ccd正處于飛速的發(fā)展變化之中
檢測(cè)器作為光譜儀的核心部件，其技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步往往著光譜儀的發(fā)展。采訪中多家廠商認(rèn)為電荷耦合元件(ccd)技術(shù)的應(yīng)用是光電直讀光譜儀的一個(gè)技術(shù)發(fā)展方向，采用ccd將會(huì)降低光電直讀光譜儀的生產(chǎn)成本及減小儀器體積。其次ccd的優(yōu)點(diǎn)是全譜，可以很方便地增加檢測(cè)元素的種類。此外，斯派克王彥彪先生認(rèn)為ccd具有良好穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的使用壽命。牛津儀器的諸煒先生表示ccd型光電直讀光譜儀可以實(shí)現(xiàn)激發(fā)樣品時(shí)自動(dòng)完成波長(zhǎng)校準(zhǔn)，不再需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。金義博葉反修先生認(rèn)為采用ccd技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模塊化、易于校準(zhǔn)、抗振動(dòng)。
和傳統(tǒng)的光電倍增管(pmt)技術(shù)相比，ccd發(fā)展較晚，作為新型檢測(cè)器件，還存在一定的局限性。“首先ccd沒(méi)法如pmt那樣每個(gè)通道都做優(yōu)化。其次，ccd在應(yīng)用中為了降低暗電流需要降溫，這與光學(xué)系統(tǒng)需要恒溫相矛盾”，島津公司于曉林先生指出。斯派克王彥彪先生和布魯克andreas kunz先生表示：“ccd目前還無(wú)法應(yīng)用一些高速采樣技術(shù)，因而在痕量元素分析方面性能不及pmt。”超譜公司李丹戈先生表示：“ccd的信噪比不如pmt，其次如何保證多塊ccd的一致性，以及處理多塊ccd之間的接收空白區(qū)，也是一個(gè)問(wèn)題。”此外，“當(dāng)前ccd技術(shù)已經(jīng)可以滿足中端分析應(yīng)用水平，但在短波元素分析、低含量元素分析、短期分析精度和長(zhǎng)期精度方面和pmt還是有差距”，納克高宏斌先生介紹道。
雖然目前ccd還有一些不足之處，但是大家認(rèn)為ccd在光電直讀光譜儀中的應(yīng)用是值得期待的。布魯克andreas kunz先生表示：“pmt到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展60多年了，是一種經(jīng)典成熟的技術(shù)。而ccd技術(shù)正處于飛速的發(fā)展變化之中，可以預(yù)期cmos(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)很快會(huì)應(yīng)用于ccd當(dāng)中，這些技術(shù)的不斷發(fā)展會(huì)促使ccd發(fā)展到更高的水平。” 盈安科技王德春先生表示：“近些年ccd器件發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠滿足一般的分析要求，針對(duì)細(xì)分市場(chǎng)，各種特殊用途的ccd不斷產(chǎn)生。”煙臺(tái)東方趙珍陽(yáng)先生則表示：“ccd與pmt結(jié)合是目前解決全譜檢測(cè)并滿足微量和痕量分析的選擇，但同時(shí)滿足兩種類型檢測(cè)器的采樣控制和系統(tǒng)的結(jié)合目前仍然是該類儀器的制造難點(diǎn)。”
(2)激發(fā)光源：從源頭上提高光電直讀光譜儀的性能
目前大多數(shù)光電直讀光譜儀器都采用了“數(shù)字化光源”，超譜公司李丹戈先生介紹說(shuō)：“這里的‘數(shù)字’并不是真正意義上的‘將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為表示同樣信息的數(shù)字信號(hào)’，它只是相對(duì)于模擬電路光源激發(fā)能量不可控制而言。數(shù)字化光源，其觸發(fā)電壓、關(guān)斷時(shí)間都是可控的，因此激發(fā)能量穩(wěn)定，并且呈周期性的變化，因而從源頭上提高了光電直讀光譜儀的精度。”斯派克王彥彪先生表示：“數(shù)字化光源是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，其的優(yōu)勢(shì)是免維護(hù)，另外信號(hào)輸出的穩(wěn)定性和之前的模擬光源相比有了很大的提高。”
對(duì)數(shù)字化光源的應(yīng)用，賽默飛世爾裴雷先生認(rèn)為：“目前光電直讀光譜儀中耗時(shí)最長(zhǎng)、最不穩(wěn)定的是激發(fā)光源，雖然現(xiàn)在采用數(shù)字化光源，但并未實(shí)現(xiàn)*可控。已有一些廠商在嘗試?yán)眉す夤庠醋黾ぐl(fā)源，雖然穩(wěn)定性可控，但要求激光的能量非常高，滿足條件的激光器存在著體積大、造價(jià)高的問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研發(fā)。”
(3)光學(xué)系統(tǒng)：保證分辨率和靈敏度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越小型化
北分瑞利王彥東先生和應(yīng)用工程師張軍峰先生談到，“傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)采用帕型-龍格結(jié)構(gòu)，體積比較大;而且光學(xué)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求比較嚴(yán)格，粉塵、溫度等對(duì)其都有影響”。斯派克王彥彪先生和煙臺(tái)東方趙珍陽(yáng)先生均表示：“光電直讀光譜儀體積減小，環(huán)境適應(yīng)性的增強(qiáng)，將會(huì)促進(jìn)光電直讀光譜儀在線控制生產(chǎn)過(guò)程，以及進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。”
布魯克andreas kunz先生認(rèn)為：“隨著光學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，將會(huì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越小型化，但靈敏度和分辨率依然很好。”牛津儀器諸煒先生表示：“光學(xué)系統(tǒng)的分辨率首先取決于光柵的分辨率，而光柵的分辨率只是與光柵的刻線總數(shù)及光譜級(jí)次成正比，所以采用大刻線數(shù)的光柵，即使焦距較短，依然能很好的滿足光電直讀光譜儀分辨率的要求。”
(4)自動(dòng)化系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)全分析過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化，縮短分析周期
島津公司于曉林先生介紹說(shuō)：“隨著鋼鐵冶金企業(yè)管理現(xiàn)代化、裝備大型化、生產(chǎn)高速化的不斷發(fā)展，全自動(dòng)分析設(shè)備逐漸成為冶煉過(guò)程品質(zhì)管理和控制的主要手段。自動(dòng)化系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展比較早，一是人工成本高;二是人員管理困難。在我國(guó)隨著國(guó)家鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，勞動(dòng)力成本的提升，自動(dòng)化系統(tǒng)也逐漸被大家接受。這個(gè)市場(chǎng)很大而且發(fā)展很快，我認(rèn)為‘十二五’期間將會(huì)有飛速的發(fā)展。”
布魯克andreas kunz先生指出：“自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全分析過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化，確保快速、可靠、穩(wěn)定的分析結(jié)果。此外，光電直讀光譜儀使用中面臨的一個(gè)問(wèn)題是操作人員流動(dòng)性比較大，自動(dòng)化系統(tǒng)化將可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。”賽默飛世爾裴雷先生介紹說(shuō)：“利用自動(dòng)化技術(shù)，可進(jìn)行送樣、制樣以及樣品分析時(shí)間的優(yōu)化組合，縮短分析周期。當(dāng)然，采用自動(dòng)化系統(tǒng)將會(huì)對(duì)光電直讀光譜儀的可靠性提出更高的要求。”
牛津儀器的諸煒先生談到：“我認(rèn)為真正的自動(dòng)化必須要在線進(jìn)行，并能*將人工解放出來(lái)，這就需要改變樣品的激發(fā)模式，比如采用移動(dòng)式探頭在線激發(fā)的模式。”納克高宏斌先生認(rèn)為：“雖然自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)推出很多年，但由于其投資過(guò)大，使用復(fù)雜，故障率較高，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不是很多，但該技術(shù)值得關(guān)注。”
此外，在采訪中，布魯克andreas kunz先生與北分瑞利王彥東先生、張軍峰先生均認(rèn)為利用軟件提升光電直讀光譜儀的性能也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。尤其是采用ccd作為檢測(cè)器的儀器和軟件有著很大的關(guān)系。
光電直讀光譜儀應(yīng)用前景
光電直讀光譜儀主要適用于金屬中少量及微量金屬元素分析，隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展，在提高金屬材料質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)分析的要求也相應(yīng)提高。光電直讀光譜儀在應(yīng)用方面有哪些新的突破，各位產(chǎn)品負(fù)責(zé)人及專家分別談了自己的看法。
由于用戶出于對(duì)生產(chǎn)成本的考慮，往往希望一臺(tái)儀器能解決的問(wèn)題越多越好，為了迎合用戶的需求，各個(gè)儀器廠商也投入了充分的研發(fā)力量，不斷開(kāi)發(fā)光電直讀光譜儀的‘潛能’。
為了提高光電直讀光譜儀在痕量元素分析方面的性能，斯派克王彥彪先生表示：“多家廠商都推出相應(yīng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了痕量元素的光譜檢測(cè)，如痕量元素火花分析技術(shù)(saft)、時(shí)間分辨光譜技術(shù)(trs)、單火花時(shí)間分解技術(shù)(giss)、脈沖分布測(cè)定法(pda)等。”
利用光電直讀光譜儀進(jìn)行非金屬元素/夾雜物的測(cè)定，目前還不是很理想，需要進(jìn)一步研究。納克高宏斌先生、斯派克王彥彪先生、煙臺(tái)東方趙珍陽(yáng)先生均認(rèn)為目前光電直讀光譜儀測(cè)定氮尤其是高含量氮已經(jīng)比較常規(guī)，但測(cè)定氧、碳、氫元素還比較困難。賽默飛世爾裴雷先生認(rèn)為：“要測(cè)定c,s,o,n,h等元素，不只對(duì)儀器有要求，還要求相關(guān)配套的標(biāo)準(zhǔn)樣品，檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)也要向前發(fā)展。”牛津儀器的諸煒先生也表示：“根據(jù)研究顯示：利用光電直讀光譜儀進(jìn)行酸溶鋁測(cè)定的結(jié)果與濕法分析結(jié)果之間時(shí)常出現(xiàn)偏差，所以進(jìn)行夾雜物的分析還不是很成熟。”
另外，超譜公司李丹戈先生談到：“光電直讀光譜儀的原理是相對(duì)已知的標(biāo)準(zhǔn)試樣作對(duì)比，得出未知樣品的成分，如果沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)樣品，就沒(méi)法進(jìn)行相應(yīng)的樣品分析。”島津公司于曉林先生對(duì)此也表示：“目前在一些特殊有色金屬行業(yè)，比如鈦、金等，由于標(biāo)準(zhǔn)樣品制備難或消耗成本高等原因，光電直讀還未在這些行業(yè)得以很好的應(yīng)用。”
對(duì)于光電直讀光譜儀應(yīng)用潛能的挖掘，納克高宏斌先生認(rèn)為：“光電直讀光譜儀技術(shù)要回歸到解決如何測(cè)定更快速、更準(zhǔn)確，以及操作更簡(jiǎn)便，這才是光電直讀光譜儀的用戶核心需求所在，不需要更多花哨的研究。因?yàn)槠鋺?yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)過(guò)程控制，失去了準(zhǔn)確性或穩(wěn)定性將毫無(wú)價(jià)值。”
光電直讀光譜儀市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
光電直讀光譜儀主要應(yīng)用于金屬行業(yè)的上下游產(chǎn)業(yè)，其市場(chǎng)發(fā)展變化也和這些行業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。采訪中，各個(gè)廠商負(fù)責(zé)人談到了國(guó)家政策調(diào)整、企業(yè)生產(chǎn)管理觀念的變化對(duì)光電直讀光譜儀的市場(chǎng)發(fā)展的影響，以及未來(lái)光電直讀光譜儀市場(chǎng)需求可能的一些增長(zhǎng)點(diǎn)。
布魯克andreas kunz先生表示：“的光電直讀光譜儀市場(chǎng)需求目前略有下降，但一些新興市場(chǎng)，如中國(guó)、巴西、印度等地的光電直讀光譜儀市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大。另外，移動(dòng)式光電直讀光譜儀現(xiàn)在越來(lái)越被市場(chǎng)需求。” 盈安科技王德春先生表示：“光電直讀光譜儀作為傳統(tǒng)分析儀器，分析技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域已相對(duì)成熟，市場(chǎng)需求量在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將維持一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的水平。”
超譜公司李丹戈先生表示：“國(guó)家政策形勢(shì)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、及一些突發(fā)事件等都會(huì)對(duì)光電直讀光譜儀的需求產(chǎn)生影響。”
對(duì)于光電直讀光譜儀的需求，島津于曉林先生認(rèn)為：“‘十二五’期間，國(guó)家提高了精制鋼的產(chǎn)量比例，這將會(huì)對(duì)鋼中各種元素含量的控制提出更高的要求，從而促進(jìn)光電直讀光譜儀的市場(chǎng)需求。”
光電直讀光譜儀的中端市場(chǎng)需求很大，納克高宏斌先生指出：“目前，還有很大一部分中小企業(yè)認(rèn)為花錢買光電直讀光譜儀不劃算，但這部分市場(chǎng)遲早是要開(kāi)發(fā)的。” 賽默飛世爾裴雷先生表示：“目前民營(yíng)企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到利用光電直讀光譜儀進(jìn)行質(zhì)量控制的重要性。”煙臺(tái)東方趙珍陽(yáng)先生談到：“中小企業(yè)對(duì)于儀器的需求彈性非常大，價(jià)格降低一點(diǎn)就會(huì)有很多廠商選擇購(gòu)買光電直讀光譜儀。”
對(duì)于光電直讀光譜儀新的應(yīng)用增長(zhǎng)領(lǐng)域，斯派克王彥彪先生表示：“近年來(lái)發(fā)展比較快的一個(gè)行業(yè)是汽車行業(yè)。另外還有檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)光電直讀光譜儀的需求也在提升，各地質(zhì)檢所、質(zhì)檢機(jī)構(gòu)以及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)此也有需求。”諸煒先生談到：“未來(lái)牛津儀器會(huì)更加關(guān)注來(lái)料檢測(cè)市場(chǎng)及高純金屬分析等領(lǐng)域。”