主题:【第八届原创】火焰燃烧器的调整方法

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夕阳
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7月一等奖
前  言:
众所周知,自从原子吸收光谱仪问世以来,最早的原子化器就是火焰燃烧器,到目前为止,该类型原子化器仍然被广泛地应用于原子吸收光谱仪上。
由于火焰燃烧器的原子化温度低相对石墨炉而言较低,加之待测元素的基态原子在火焰的检测区域停留的时间短暂且密度较分散,所以测试灵敏度较低。为此,如何将燃烧器调整到最佳状态就显得尤为重要了。但是,根据我多年的工作经验得知,许多仪器的使用者对于燃烧器的工作原理、雾化效率和最佳位置的调整不太了解,甚至可以说是知之甚少。在实际操作中,基本就是按照届时仪器的状态来测试,从未对于燃烧器的状态给予正确的调整,为此今就该题目发表一下我多年的燃烧器的调整维护心得,以飨版友。
一、火焰燃烧器的结构:
火焰燃烧器基本是由:喷雾器、撞击球、雾化室和燃烧头组合而成的;结构示意图和几款代表机型的外观图如下所示:

图-1 燃烧器结构示意图

图-2 几款代表机型燃烧器的外观图
二、样品提升量的检查:
样品提升量的大小是直接影响火焰吸光值高低的重要因素之一。大多数操作者平时是不太注意这个量值的,只有到了明显感到灵敏度下降了时,才会想起来检测样品的提升量。样品提升量的物理意义:就是每分钟喷雾器可以吸入多少毫升的样品。这个检测步骤很简单:燃烧器点火后将进样毛细管插入一只盛满10毫升去离子水的量筒,并开始计时。一分钟到时后,马上撤出毛细管并记下剩余液面的刻度;用10毫升初始体积量减去剩余的液量体积量就是样品提升量。例如图-3的例子中10毫升的水被喷雾器吸入一分钟后还剩余4毫升的水,那么该燃烧器的提升量就是:10mL-4mL=6mL。

图-3 检查样品的提升量
值得注意的是:不同的仪器的样品提升量是不同的。这个提升量的范围一般在仪器使用手册中均会给出。如果没有给出,则要在正常的仪器上实际测试后记录备案,以作为今后检查样品提升量的参考依据。
影响样品提升量的因素主要有二个:
(1)首先是助燃气的流量是否满足仪器的设计要求,例如图-3 仪器的助燃气的流量就是6L/min;
(2)其次就是喷雾器的状态是否正常,如果喷雾器的毛细管或者出气环被异物堵塞,即便助燃气的供给正常也会降低提升量的。
三、雾化效率的确认:
燃烧器的另一个重要指标就是雾化效率。对于这个技术指标我主观估计至少有一半人不了解或者概念模糊。所谓的雾化效率简单地讲就是已经转换为气溶胶的样品量与喷雾器吸入的样品量之间的百分比值。这个比值越大,说明雾化效率越高。传统的雾化效率的检查过程如图-4所示:

图-4 传统的雾化效率检查
在上图中,燃烧器点火后吸入10毫升的去离子水(不限时,吸净为止),同时用另一个量筒置于燃烧器的废液排放口处(例如图-4 中的水封处)来承接排出的废液。最后用总的吸入量减去排出的废液量后再除以吸入量则为雾化效率;其计算公式为:
(吸入量—废液量)÷吸入量×100/100。
例如图-4中的废液量为7毫升,那么雾化效率的计算结果为:
(10-7)÷10×100/100=30/100=30%。
但是有些操作者则往往将上面所提到的样品提升量误认为就是雾化效率,这明显的是将二者概念混淆一谈了。
雾化效率的高低取决于最终进入到火焰中的样品气溶胶颗粒总数的多少,而影响气溶胶颗粒的多少的因素又有哪些呢?
(1)样品的提升量的多少?对于同一台仪器而言,在相同的单位时间内,吸入的样品越多,有可能形成气溶胶的颗粒也就会越多,这是一个不争的事实。
(2)严格地讲,在燃烧器中真正让样品由溶液转变为气溶胶的部件就是通过喷雾器(喷嘴)与撞击球(撞散球)组成的雾化器来完成的。那么喷雾器毛细管的出口与撞击球的垂直对位切点是否为撞击球直径的一端就显得尤为重要了。雾化过程见图-5所示:

图-5 液体样品转换为气溶胶的过程示意图
从上图不难看出,左侧对位正确的雾化器的雾化效率要优于右侧的对位偏离的雾化器的雾化效率。为了确保喷雾器与撞击球的正确对位,以前那种老式的可调式雾化器基本已经淡出市场了;目前绝大部分仪器的雾化器已经采用喷雾器与撞击球二者一体化的结构了。所不同的是撞击球和喷雾器的材质不同而已。严格地讲,这种玻璃材质一体化的雾化器的撞击球还可以通过转动微调来达到最佳的位置。如图-6所示:

图-6 两种材质不同的一体化雾化器
当然了,也有喷雾器与撞击球虽然是固定对位的但是二者也可随意分离的雾化器;这样设计的优点是便于清洗和单独购买二者其一被损坏的配件。这种结构的雾化器见图-7所示:

图-7 分体固定雾化器
(3)当喷雾器毛细管出口破损时,所喷出的液雾则会偏离毛细管与撞击球的垂直切点,从而减少了气溶胶颗粒的总数,自然也就影响到了雾化效率。这种喷雾器毛细管受损的情况以玻璃喷雾器的几率最大;因为玻璃喷雾器内衬毛细管壁非常薄非常脆,尤其是使用通丝清通管腔时,稍不留意就会损伤毛细管出口,这就是玻璃雾化器的一个先天的短板。
但是即便是铂金材料的毛细管,如果用通丝清通管腔时手法不正确,同样可以损坏毛细管的出口,而造成液雾偏离撞击球的垂直切点;如图-8所示:

图-8 两种喷雾器喷射状态的对比
(4)撞击球表面不光洁造成产生气溶胶颗粒总数的减少。由于这个道理很简单,就不做过多的赘述了。目前国内外原吸撞击球的制作材料而言不外乎三种:一种是最常见的玻璃材料;另一种就是特氟龙(聚四氟乙烯)材料,还有一种就是石英材料的。

图-9 玻璃材料和特氟龙材料撞击球

上述两种材料的撞击球各有优缺点。
玻璃球体的优点是:表面硬度和光洁度较高。缺点是:质地较脆易破损且不耐氢氟酸。
特氟龙球体的优点是:不易破损耐氢氟酸。缺点是:因长期受液雾喷射表面容易变毛糙。
无论是何种材料的撞击球只要是表面不光洁或者受到污染,均不会得到较高的雾化效率。
图-10便是受到样品污染的撞击球的外观图:

图-10 受到污染的撞击球
(5)由于雾化室内壁的不洁净致使已经形成的气溶胶在喷向燃烧头的过程中产生“挂壁”现象。在这种情况下,即便雾化器的状态再好,产生的气溶胶颗粒再多,由于雾化室内壁的不光洁,造成一部分气溶胶挂壁而转变为大滴的液珠成为废液。这种情况的雾化室见图-11所示:

图-11 内壁结垢的雾化室
(6)不洁的燃烧缝造成气溶胶不能完全进入火焰中变为基态原子。燃烧头是燃烧器的最后一个关口,它承担着将雾化器产生的气溶胶在火焰中转换为基态原子的任务。既然如此,燃烧头上的燃烧缝更是重中之重。大家知道,朗伯—比尔定律Abs=K C L中的L就是燃烧缝的长度。如果燃烧缝因样品堵塞而造成总长度变短或者宽度变窄的话,其雾化效率也会变差。这种燃烧缝不洁的燃烧头如下图-12所示:

图-12  燃烧缝不洁的燃烧头
四、燃烧器的前后调整:
综前所述,假设燃烧器的雾化效率已经达到最佳状态了,是不是就可以断定灵敏度也达到了最佳值了呢?答案是:不一定!那么其原因何在?其实道理很简单,那就是:即便燃烧器的雾化效率再高,产生的基态原子个数再多,如果阴极灯的光轴(光束)偏离了与燃烧缝的垂直对位关系,也就是说阴极灯的光束没有完全进入到原子蒸气中去,又怎能产生很高的吸光度呢?这个道理可以通过下面的模型图得以直观的理解:

图-13 燃烧缝与阴极灯光束(光轴)的对位关系
通过上面的模型图可以直观地看出阴极灯的光轴与燃烧缝的垂直对位是多么的重要,但是许多仪器的操作者往往忽略这一点。平时如何判断阴极灯光轴与燃烧缝是否对位呢?
有的仪器会随机附带一个光轴与燃烧缝对位检查的量具,图-14,图-15就是其中的一款量具和检查的实例:

图-14 用于检查光轴对位的量具

图-15 用量具检查光轴与燃烧缝对位的实际操作
测量时将上图量具的定位销子插入到燃烧头的燃烧缝中,通过观察阴极灯的光斑与透光孔是否能形成同心圆来判定光轴是否与燃烧缝处于相互垂直的状态。
如果仪器没有附带类似的这种量具,则可以自制一条白纸条并且在白纸条中心位置画出一条垂直线,将纸条的垂直线对位于燃烧缝上,然后观察阴极灯光斑的中心线是否与纸条的垂直线吻合。这种检查方法见图-16所示:

图-16 用自制的纸条来检查光轴与燃烧缝的对位状态
但是上述方法仅仅是一种静态的判断方法并且还有很大的不确定度;原因就是我们所观察到的橙色光斑是阴极灯内填充的氖气发出的光斑,其光斑位置并不能完全代表光轴的位置,也就是说不能代表阴极灯中待测元素的发射谱线的最佳位置。
为此,燃烧器前后最佳位置的调节还是要采用动态方法来完成。所谓的动态方法其实就是燃烧器点火后,吸喷一个待测元素的标准溶液,然后利用燃烧器前后调整旋钮调节到吸光值最大即可。图-17就是具有燃烧器前后调节旋钮的一款仪器的实例:

图-17 具有燃烧器前后高低调节旋钮的仪器
为了简化燃烧器前后调节的繁琐步骤,目前有些仪器厂家已经将前后可调式燃烧器改为前后固定型的了,仅仅保留高低调整功能。例如日立Z系列原吸的燃烧器就是采用前后固定形式的,仅仅保留高低调整旋钮。见图-18所示:

图-18 仅仅保留高低调节钮的燃烧器
五.燃烧器高度的调整:
燃烧器的高度就是燃烧缝的水平面与光轴的垂直距离。调整燃烧器的高度其实就是调整燃烧头的高度。对于燃烧头高度的调整的原理和意义,许多仪器使用者并不太了解,甚至当看到我在调整燃烧头的高低时,还露出了惊讶的表情,并且说:“我们从来是不动这个旋钮的!”
为何要调整燃烧头的高度?其中主要的原因就是:燃烧器的火焰在不同的区域的温度是不同的;而不同的元素由于解离能的不同因而在火焰里不同的区域的密度也是不同的。
要想得到最大的吸收信号,就必须让待测元素阴极灯的发射谱线通过火焰中待测元素的基态原子最密集的区域才成。
由于阴极灯的光轴是固定不变的,为此只能改变燃烧器与光轴的相对高度才能达到最佳的吸收值。
燃烧器火焰的可分为四个基本区域,见图-19所示:

图-19 火焰区域的分布图
从上图可以看出,火焰的四个区域分别是:干燥区、蒸发区、原子化区和电离化合区。
干燥区:顾名思义就是样品中的水分在这个区域被汽化。
蒸发区:样品中的低熔点的有机共存物在这个区域被燃烧殆尽。
原子化区:这个区域就是真正的检测区域;待测元素在这个区域里彻底被转换为基态原子,与阴极灯的发射光谱产生共振吸收。
电离化合区:由于这部分属于火焰的尾焰,温度较高,待测元素的原子会产生电离现象,为此这个区域在原吸的检测中往往不采用。
值得注意的是,这四个区域的范围不是一朝不变的,尤其是原子化区域,是依照待测元素的解离能而变化的,也就是说待测元素的基态原子密度的是不同的。为此要想得到最佳的吸光值就需要将燃烧器的高度调整到最佳位置。
燃烧器高度的调整方法:通常的做法是一边吸入一个待测元素的标准溶液,一边缓缓上下试着调整燃烧器的高度,通时观察信号值和背景值的变化。如图-20所示:

图-20 燃烧器高的调整方法
那么,燃烧器高度调整到何种状态为最佳呢?基本原则就是:样品信号为最大,而背景信号为最小;图-21就是用日立Z-2000型仪器测镉元素时,做火焰高度调整的模拟监测过程实例(注:红色线为样品信号;蓝色线为背景信号):

图-21 燃烧器高度调整实例
从上图不难看出,开始时燃烧头的高度是按照仪器给出的7.5mm 的条件来测试的;随后将高度逐渐缓慢地调整到8mm,却发现信号值反而下降而背景上升了;接着将高度向低方向调整;当调到6.5mm时信号值最大而背景值最小,所以说燃烧器高度调整为6.5毫米时是最佳的选择。
后 注:
燃烧器的调整看似简单,但是事无巨细,如果各个环节均给与重视,何愁火焰分析的灵敏度上不来呢?
该帖子作者被版主 henkyq5积分, 2经验,加分理由:原创精品
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2015/7/20 16:22:57 Last edit by v2648817 举报
冰山
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生于八零年代
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又见安老师大作!!!安老师不出手则已,出手必精品!!!
生于八零年代
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titi
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哈哈,叫好点赞不如把你学到的、或者还在疑惑的拿出来一起探讨下~~~
狼牛牛
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写的太详细了,很多时候自己一知半解就略过了,看了老师的文章深感惭愧啊!
名字长了容易引起注意
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zyl3367898
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燃烧器高度多长时间调一次?我们的原吸安装后很少调节燃烧器高度,是样品少还是没注意。