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金钦汉:未来MPT有望接替ICP——访浙江大学金钦汉教授

日期:2015年9月24日 16:32

  金钦汉:未来MPT有望接替ICP——访浙江大学金钦汉教授

  [导读] 对很多人来讲,也许MPT还不是一个很熟悉的名词,但它却是中国具有完全自主知识产权的技术,是我国金钦汉教授课题组于1985年首创的一种新型原子光谱用光源,并于1999年实现了百瓦级MPT光谱仪的商业化。

  MPT,微波等离子体炬(microwave plasma torch)。也许对很多人来讲,MPT还不是一个很熟悉的名词,但它却是中国具有完全自主知识产权的技术,是我国金钦汉教授课题组于1985年首创的一种新型原子光谱用光源,并于1999年实现了百瓦级MPT光谱仪的商业化。

  2013年9月4日,科技部公示 “国家重大科学仪器设备开发专项2013年度拟立项项目”,其中由浙江中控为承担单位的“千瓦级MPT光谱仪的开发”入选。此次千瓦级产品与之前的百瓦级产品相比难点在哪里?MPT与ICP(电感耦合等离子体光谱仪)等其它仪器相比具有什么样的优势?为此,仪器信息网编辑采访了浙江大学教授金钦汉,请他为大家介绍MPT的优势及未来的发展前景。

  浙江大学教授 金钦汉

  由百瓦级到千瓦级:“我们的千瓦级MPT和安捷伦的MP完全不一样”

  1985年,吉林大学金钦汉课题组首创了一种全新的微波等离子体激发光源—MPT;

  1996年,金钦汉课题组与北京海光仪器公司合作研制成功了世界上首台单通道顺序扫描MPT原子发射光谱仪;

  1999年,长春吉大-小天鹅仪器公司实现了MPT光谱仪的商品化;

  2000年,金钦汉课题组承担国家支撑计划项目“MPT全谱仪的研制”,并于2003年研制成功;

  2011年,MPT全谱仪作为教学仪器在浙江中控实现了商品化;

  2013年,由浙江中控为牵头单位承担的“千瓦级MPT光谱仪的开发”入选“国家重大科学仪器设备开发专项2013年度拟立项项目”。

  金钦汉课题组之前已经将百瓦级的MPT光谱仪成功产业化,是什么原因让其决定开发千瓦级的仪器呢?对此金钦汉介绍到,“之前产业化的百瓦级MPT光谱仪一直是在小功率下工作,在这种情况下样品溶液雾化后直接进样时等离子体的稳定性难以保证,由此就存在去溶的问题,而去溶需要加热、蒸发等步骤,做起来比较麻烦,所以目前只能用作教学仪器。不过,一旦将功率提高到千瓦级就不会存在这个问题了。至于一直以来为什么没有开发千瓦级的仪器,最大原因就是没有找到合适的大功率微波源。”安捷伦公司于2011年推出千瓦级MP-AES对金钦汉的激励很大,他说,“当时我就想,我们中国人有自己的MPT技术,我们为什么不做千瓦级的仪器呢?”

  同时,金钦汉特别强调,“我们要做的千瓦级MPT和安捷伦的仪器完全不一样,我们不是跟踪,而是创新。安捷伦采用的是石英管、磁耦合、矩形波导,用的是氮气;我们用的炬管是铜管、电耦合,氮气、氩气、氦气都可以用。”接着其介绍到,“氮和氩的等离子体可以在石英管里形成,但是氦难以获得有光谱分析应用价值的高密度等离子体,因为氦的分子量很小,一旦形成等离子体,扩散速度太快,瞬间就会充满整个石英管,等离子体的数目密度不高,粒子间碰撞的机率就会大大减小,此种稀薄等离子体并不是理想的激发光源,就像氦ICP始终未能取得成功应用是一个道理。”

  “还有一点不同,安捷伦MP-AES固定1200W,不可调。而我们从应用的角度考虑,认为某一固定功率并不会是适于所有元素的最佳条件,因此将设置更多可调节参数,功率将从100W到1500W连续可调。”

  千瓦级MPT开发难点:微波源、炬管

  让MPT由百瓦级升至千瓦级,这其中的困难有多少?金钦汉介绍到,“首先要解决的就是以上提到的微波源问题。光谱分析仪器所用的微波源对稳定性要求很高,而现在市面上一千多瓦的微波源大都是工业用的,稳定性都不高。在此次重大专项中,专门有对微波源稳定性的指标要求,我们的目标是稳定度达到千分之一。在之前与美国Hieftje教授的合作研究中,磁控管微波源的稳定度已经达到了千分之六。前段时间四川有家公司说可以做到千分之五,我们将在他们的基础上进一步提升至千分之一。”

  “此外,去年6月份,在加拿大召开的一个微波炉展览会中,我国某知名微波炉公司展出了世界上第一台全固态微波炉。据了解,他们已经做到了600W。相对于磁控管微波源来说,全固态微波源的稳定性要好很多,而且可以在低压下工作。我们现在正在和该公司商谈合作,希望能进一步提高功率,共同开发出高稳定度千瓦级别的全固态微波源。”

  除了微波源之外,炬管也是一个难点。金钦汉介绍到,“我们用的是铜质炬管,在一两百瓦时使用没有问题。但是功率增大到千瓦级之后,若炬管接头等位置处理不好容易形成微波反射,长期使用就会出现发热的问题。” 对于这个问题,金钦汉介绍到他们已经采取了一系列的改进措施,比如将电容耦合改为电导耦合等,未来还会继续改进以保证仪器可以长期稳定工作。

  虽然有以上各方面的难点,金钦汉依然充满信心,他说,“MPT是我国具有完全自主知识产权的技术,我们有一定的科研基础和技术储备。现在浙江大学全力支持,浙江中控还准备专门为这个项目成立一个项目公司。我不敢说一定能做到最好,但是我相信我们整个项目组一起努力,项目目标是完全能实现的。”

  展望:“希望未来MPT可以接替ICP”

  相对MPT来说,目前ICP更为业内人士所熟悉。据金钦汉介绍,“当前进口ICP基本上都采用全固态高频电源,稳定度为千分之一”。那么,MPT与ICP之间相比有什么优势呢?对此,金钦汉说,“可以预期,ICP目前能够做的,MPT将来都可以做到;ICP无法直接引入空气样品,而MPT却可以实现空气直接进样分析;氦ICP迄今未能够实际应用,而氦MPT却在较小功率下即可实现。相信千瓦级MPT将为实现“全元素”分析创造条件,未来MPT可望接替ICP!”

  接着金钦汉详细介绍了MPT的诸多优势,“由于获得等离子体装置的结构和耦合方式有区别,ICP是通过开放的环形耦合线圈通过电感耦合获得等离子体,电磁波能并未全部被等离子体吸收,MPT是在一个谐振腔里进行工作,只要调谐得当,微波能就可差不多全部被等离子体利用,也即MPT的能量利用率远高于ICP,1200W的MPT就有望达到1600W ICP的效果。”

  “ICP只能用氩气工作,而MPT可以用氩气、氮气、氦气三种气体工作。如果说用氩气工作的时候MPT与ICP的性能相当,那么用氦气工作时,MPT的性能显然就要超过ICP了。”

  在灵敏度方面,金钦汉介绍到,“带有去溶系统的100W的MPT对于不少元素的检测灵敏度就可以达到ppb数量级,千瓦级MPT的分析性能显然可与ICP相媲美。此外,MPT与AAS(原子吸收光谱法)相比,灵敏度也不差。而且,AAS一次只能测一种元素,MPT可以实现顺序扫描或者全谱直读,一次检测所有元素,只是在顺序扫描测量时所需要的样品量比较大一点而已。”

  在应用方面,“MPT可以实现大气的直接连续实时监测,还可以将有机组分如油样直接雾化进样进行分析检测,这些都是ICP很难实现的。另外,在高温合金材料中非金属元素的检测方面,ICP遇到了困难(ICP检测卤素要在真空紫外的条件下),而用氦MPT则可在常压下在普通可见和紫外光谱区解决问题,包括卤素的检测。”此外,金钦汉还介绍到,此次重大专项中也配备了强有力的应用开发单位,如中国钢研科技集团公司、西北核技术研究所等,他们主要承担MPT光谱仪在相关行业内的应用开发和标准建设等工作。

  对于大家普遍关心的价格问题,金钦汉肯定地说,“MPT的价格不会比ICP贵!” 此外,他还强调到,“MPT是我们中国人的创造,而且相比ICP又具有以上各种优势,我们没有理由不将它做好。

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所属类别: 行业新闻

该资讯的关键词为:微波源  等离子  MPT  光谱仪