CN112262616A - 带有可移动式单件喷射器的icp光谱炬 - Google Patents

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CN112262616A CN201980038706.8A CN201980038706A CN112262616A CN 112262616 A CN112262616 A CN 112262616A CN 201980038706 A CN201980038706 A CN 201980038706A CN 112262616 A CN112262616 A CN 112262616A
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Abstract

一种用于分析仪器的炬包括管子组件，所述管子组件具有基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，内管具有末端。所述炬还包括：可移动的喷射器，所述喷射器至少部分在内管中延伸并具有对准特征、入口、出口以及与内管和外管的中心轴线重合的中心轴线；密封件，所述密封件具有用于容纳喷射器的一部分的通道；以及基座，所述基座用于支撑管子组件、喷射器和密封件。密封件具有互补的特征以接合喷射器的对准特征，以防止喷射器的轴向未对准并在内管的末端与喷射器的出口之间保持固定的间隙。

Description

带有可移动式单件喷射器的ICP光谱炬
技术领域
本公开文本总体上涉及用于分析仪器的炬。
背景技术
诸如电感耦合等离子体(ICP)光学发射光谱(OES)类型的分析仪器使用炬将感兴趣的化学元素引入受控的等离子体中，以分析其光谱和其他特性。这种ICP炬的示意图在图1中示出。其由三个同心管10、11和13组成，通常由熔融石英制成。管13是三个管中最外面的。管11是中间管，并且可以设置有更大直径的部分12，所述部分在某些设计中可以在管11的整个长度上延伸。部分12的目的是在管11与13之间提供狭窄的环形间隙，以使通过气体入口15供应的等离子体形成气体(通常是氩气)通过。狭窄的间隙向气体施加所期望的高速度。从电源(未示出)向射频感应线圈16供应射频电流。通过向通过气体入口15进入的气体瞬时施加高压火花(通过本领域中已知的方式并且未示出)来发起等离子体17。通过线圈16生成的射频电磁场与等离子体的感应耦合来维持等离子体17。小气流通过进气口14被供应至管11-12。这用于使等离子体17与管11-12和10的附近端部19保持适当的距离，使得管11-12和10的端部19不会过热。
对于微波感应的等离子体而不是感应耦合的等离子体，将不存在线圈16，并且炬9将适当地与用于向炬施加微波电磁场的装置相关联。例如，炬9可以适当地设置在微波能量被供应于其中的共振腔中。
图1示出了炬9，在所述炬中三个管永久地融合在一起，但是在本领域中已知的是提供机械布置，由此将三个管10、11和13保持在其所要求的位置，并且其中，管10、11和13中的一个或多个可以被卸下和更换。
载用于分析的样品气溶胶(未示出)的气流通过已知装置(未示出)被引入远离等离子体的管10的端部(即管的入口33)。管10有时被称为喷射器。载有气溶胶的气体从邻近等离子体17的管10的另一端(即出口35)以足够的速度穿过等离子体17出来。从管10出来的气体和气溶胶穿过等离子体17的通道在等离子体17中形成中央通道18。通过管10的出口35进入中心通道18的气溶胶液滴被等离子体17的热量逐渐干燥、熔化和汽化。汽化后的样品随后通过等离子体17的热量转化为原子和离子，并且这些原子和离子通过等离子体17的热量被激发发射辐射。如本领域中已知的，由激发的原子和离子发射的辐射可以用于通过光发射光谱法进行光谱化学分析。此外，如本领域中已知的，中央通道18中的离子可用于通过质谱分析。
为了使从管10的出口35流出的气溶胶可以有效地穿透等离子体17并形成中央通道18，已知的是提供狭窄的穿过与其出口35相邻的管10的至少一部分的平行壁路径，使得从中穿过的流体基本上是层流的。在图1中，这样的狭窄的平行壁路径被示出为在管10的整个长度上延伸。然而，还已知的是，当将由含有高水平溶解固体的样品生成的气溶胶引入到管10中时，这样长而狭窄的通道或毛细管很容易被气溶胶沉积的盐所阻塞。此外，在实践中，为了将喷射器耦合至气体供应并定位并使其在炬组件中对准，一些现有技术的炬使用被插入到基座中的喷射器，所述基座然后被安装到炬主体中。这种炬布置在图2中示出，在所述图中，炬基座20用于将喷射器10保持在由两个同心石英管11、13组成的炬主体24中，所述石英管的近端部分25围绕炬基座20的一部分。O形圈26容纳在基座20中并且围绕喷射器10。O形圈26是可移除的，但是在某些应用中用于对准并用于提供气体密封。现有技术布置的一些缺点是它们会产生负空间，并且可能导致材料积聚并导致污染物滞留效应。除了分析效果外，还要求将喷射器机械地插入到炬基座20中，并由用户手动设置所要求的喷射器10位置。由于这些和其他原因，期望定期拆卸炬以清洁和维修其部件，并且尤其是喷射器。进行此类维护后，在重新组装炬时必须格外小心，并且必须实现喷射器和其他组件的精确重新对准。不合适和不精确的重新组装和重新对准会导致炬和其组件及其安装于其中的仪器迅速退化和熔化，并且导致读数和分析结果不正确。
发明内容
本文中描述的是一种炬，所述炬包括：管子组件，所述管子组件具有基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，所述内管具有末端；可移动的喷射器，所述喷射器至少部分在内管中延伸并具有隆起部、入口、出口以及与内管和外管的中心轴线重合的中心轴线；密封件，所述密封件具有用于容纳喷射器的一部分的通道；以及基座，所述基座用于支撑管子组件、喷射器和密封件。所述密封件具有用于捕获所述喷射器的所述隆起部的内部凹槽，以防止所述喷射器的轴向未对准并在所述内管的所述末端与所述喷射器的所述出口之间保持固定的间隙。
本文还描述了一种炬，所述炬具有：管子组件，所述管子组件包括基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，所述内管具有末端；可移动的喷射器，所述喷射器至少部分在内管中延伸并具有隆起部、入口、出口以及与内管和外管的中心轴线重合的中心轴线；适配器，所述适配器具有隆起部、用于接纳所述喷射器的第一通道、用于将所述喷射器的轴向位置固定在所述第一通道中的端部止挡件；密封件，所述密封件具有用于容纳喷射器的一部分的通道；以及基座，所述基座用于支撑管子组件、适配器和密封件。所述密封件具有用于捕获所述适配器的所述隆起部的内部凹槽，以防止所述喷射器的轴向未对准并在所述内管的所述末端与所述喷射器的所述出口之间保持固定的间隙。
本文还描述了一种炬，所述炬包括：管子组件，所述管子组件包括基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，所述内管具有末端；可移动的喷射器，所述喷射器至少部分在内管中延伸并具有对准特征、入口、出口以及与内管和外管的中心轴线重合的中心轴线；密封件，所述密封件具有用于容纳喷射器的一部分的通道；以及基座，所述基座用于支撑管子组件、喷射器和密封件。密封件具有互补的特征以接合喷射器的对准特征，以防止喷射器的轴向未对准并在内管的末端与喷射器的出口之间保持固定的间隙。
所描述的布置的一些优点来自于将炬的喷射器保持为单件，从而消除了样品积累和导致污染的可能性，减少了组装和拆卸所要求的步骤数量，并提高了定位和对准喷射器尖端的能力。一个优点是提供可以整体拆除和清洁的单件式喷射器。这减少了所要求的配合零件，并且从而减少了泄漏和污染物残留的可能性。由于ICP光谱中使用的某些化学物质，特别是泄漏可能非常危险。所描述的布置在尖端高度和左右移动方面提供了固定的喷射器位置。高度控制和安全保持功能直接合并在喷射器上。相比而言，传统的解决方案依赖于用户将喷射器一直推入喷射器基座。如果操作不正确，由于用户错误或妨碍完全插入的异物，喷射器在等离子体中将会更高，并且将很快会发生故障。相比之下，本文所描述的布置消除了将喷射器位置设置得过高并破坏喷射器/炬的风险。
附图说明
合并到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图展示了实施方案的一个或多个例子，并且与示例性实施方案的描述一起用于解释实施方案的原理和实现方式。
在附图中：
图1是根据现有技术的炬的侧视截面图；
图2是根据现有技术的炬的侧视截面图；
图3是根据实施方案的炬的透视图；
图4是图3的炬的侧视截面图；
图5和图5a示出了根据实施方案的管子组件的侧视截面图；
图6a和图6b是根据实施方案的喷射器的视图；
图7示出了根据实施方案的密封件的不同视图；
图7a是示出了根据实施方案的在防止喷射器的轴向平移时密封指状件和隆起部的操作的示意图；
图8示出了根据实施方案的插入件和螺杆的不同视图；
图9是根据实施方案的炬的侧视截面图；并且
图10是根据实施方案的适配器和喷射器的侧视截面图；
图10A是在其中喷射器过盈配合在适配器中，并且移除了O形圈的实施方案。
具体实施方式
本文在示例实施方案中以分析仪器(诸如感应耦合等离子体(ICP)发射光谱仪(OES)类型的分析仪器)中使用的炬为背景进行了描述，尽管其他类型的分析仪器中的炬也可以从该设计中受益。
以下描述仅是说明性的并且不旨在以任何方式进行限制。受益于本公开文本，其他实施方案将容易被本领域普通技术人员所联想。将详细参考如在附图中所展示的示例实施方案的实现方式。贯穿附图和以下描述，将尽可能地使用相同的附图标记来指代相同或相似的条款。
在随后的示例性实施方案的描述中，对″一个实施方案(one embodiment)″、″一种实施方案(an embodiment)″、″示例实施方案(an example embodiment)″、″某些实施方案(certain embodiments)″等的引用表明所描述的实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但每个实施方案可不必包括所述特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不必指代相同的实施方案。进一步地，当结合实施方案描述特定的特征、结构或特性时，可以认为，无论是否进行了明确描述，结合其他实施方案来实施这种特征、结构或特性都在本领域技术人员的知识范围内。
当在本文中使用时，术语″示例性(exemplary)″是指″用作例子、实例或说明″。本文中描述为″示例性″的任何实施方案不必被解释为比其他实施方案优选或有利。
为了清楚起见，并未示出和描述本文描述的实施方式的所有常规特征。将理解的是，在任何这样的实际实现方案的开发中，为了实现开发人员的特定目标，必须做出许多特定于实施方式的决策，诸如符合应用相关约束和业务相关约束，并且这些特定目标将因实现方案和因开发人员而不同。此外，将理解的是，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开文本的本领域普通技术人员而言，将不过是工程的常规工作。
图3是在一个实施方案中适合在分析仪器(诸如电感耦合等离子体(ICP)光发射光谱法(OES)类型的分析仪器)中使用的炬30的透视图。炬30通常包括可移除的单件喷射器32、管子组件34和基座36。这些组件围绕中心轴线A同心布置。
图4是炬30的侧视截面图。取决于特定的应用可以是石英、氧化铝或陶瓷或其他材料的喷射器32示出为具有空心的、大体上细长的锥形，带有进气口21和出气口35。其落座于基座36内的密封件40中。密封件40部分地被插入件42围绕，所述插入件在其近端与螺杆44螺纹配合。在一个实施方案中，可以由橡胶制成的包覆模制件51被设置为部分地围绕基座36。在一个实施方案中，基座36可以是注模塑料。
管子组件34同心地围绕喷射器32的远端部分，所述管子组件包括在一个实施方案中以固定的轴向对准方式焊接在一起的内管46和外管48。在一实施方案中，管46和48的材料是石英。模制件23和25提供气体密封，并帮助定位和保持通过摩擦干涉而保持就位的外管子组件34。内管46具有扩大的远端部分47，所述远端部分终止于气体出口35以外的一小段距离，所述距离定义为间隙41。外管48终止于比内管46的终点43更远的距离。如在图5中进一步详细的，第一气体通过基座36中的通孔46A(图4)和管开口46B(图5)进入内管46。第二气体通过基座36中的通孔48A(图4)和侧槽开口48B(图5)进入外管48。外管48具有穿过外管壁的孔48C，以在操作过程中促进点火火花通过管壁的传输。孔48C的尺寸小到足以限制气体通过管48壁的明显泄漏，而允许点火火花通过。孔48C可采取穿过管壁的一个或多个微小孔的形式。在某些实施方案中，这些微小孔的直径可以分别为约0.1mm。在图5a中示出了多个这样的微小孔54的模式的形式的孔48C。
图6a和图6b是喷射器32的详细视图，所述喷射器包括第一部分32a和第二部分32b，每个部分具有大体上恒定的外径，并由锥形部分32c相连。部分32a的外径小于部分32b的外径。喷射器32的内部限定了气体流动路径，所述气体流动路径的形状基本与外部一致，即，部分32a处的基本恒定的内径小于部分32b处的基本恒定的内径，在部分32c处具有接合锥度。然而，在一个实施方案中，部分32b中的内径可以假定为扩大的形状，直到延伸到入口21的更大的恒定内径区域32d。在该示例布置中，部分32c处的锥度用于减小冷凝和样品沉积的影响。在一个实施方案中，入口21可以设置有球形接头32e，以便于装配到样品入口连接件或管(未示出)上。在一实施方案中，喷射器材料是石英。
喷射器32具有对准特征，在该例子中为与喷射器材料一体形成并且例如在部分32b处向外延伸的环形隆起部50。当部分32b落座于密封件的通道39中时，隆起部50被捕获在密封件40的指状件52中，这在图7中更详细地示出。在图7a中进一步详细的这种捕获能够实现单件喷射器32在密封件40中的精确对准，所述密封件与石英管46和48一样被安装并对准在基座36中的位置。指状件52是柔性的，并且限定了接纳隆起部50的内部凹槽53，并且由于当螺杆被拧入插入件42中的适当位置时由螺杆44的内孔施加的指状件52的限制将隆起部保持就位。指状件52部分地围绕隆起部50并在其周围弯曲，并防止沿图7a中的双向箭头R所示出的任一方向的轴向平移。因此实现的精确对准轴向固定喷射器32的出口35相对于内管46的末端43的位置，并确保间隙41可以在拆卸然后再组装炬30(例如用于清洁、或维护)之后恢复到其标称尺寸，无需进一步调整间隙。在某些实施方案中，拆卸仅需要拧下螺杆44并将喷射器32从炬30中拉出。管子组件34也可独立于喷射器32移除。此外，在操作中，炬30垂直安装并保持在仪器中，而球形接头32e暴露在外部。样品引入喷雾室(未示出)可以经由球形接头32e连接至炬组件30。如上所描述的，将喷射器32牢固地捕获在密封件40中，使得炬30能够支撑喷雾室的重量。
虽然对准特征被描绘为在截面中是半圆形的整体形成的隆起部50，但是可以设想其他形状，例如包括其他更小的圆形或椭圆形部分，或笔直或弯曲的斜坡形状。此外，隆起部可以不与喷射器整体地形成，而是可以是相同或不同材料的单独的部件。在某些实施方案中，可以在喷射器的轴中设置凹部而不是隆起部，以接合互补特征，诸如设置在密封件的指状件中的隆起部，从而类似地实现保持和轴向对准喷射器。
从图7和图7a可以看出，每个指状件52均具有向内(朝中心轴线A)的锥形端部部分55。当螺杆插入到插入件42中并且拧入插入件中时，该锥度有助于螺杆44的前边缘43沿着指状件52并在其上方通过。当螺杆44插入插入件42并拧紧时，螺杆的前边缘43撞击并压缩密封件40。压缩力使密封件中的凹部部分40A围绕喷射器轴部分32b塌陷，并且从而建立气体密封。应当了解，虽然在该例子中，使指状件52向内移位并压缩密封件40的作用力是由螺杆44提供的，但是也可以设想代替螺杆的其他机构，诸如卡口式安装。在一实施方案中，密封件40，如其指状件52，由PTFE(聚四氟乙烯)或类似材料制成，以提供必要的挠性。同时，密封件40具有足够的刚度以确保喷射器30与石英管46和48同心，并且这些部件的中心轴线保持基本重合。
在图8中更详细地示出的螺杆44具有与插入件42的内螺纹部分47接合的外螺纹45。在某些实施方案中，它可以具有椭圆形的轮廓和/或带纹理的或滚花的表面49，以在将其拧入插入件42中的适当位置时改善操作者的抓地力。在一个实施方案中，它是由聚丙烯制成的，并且具有足够的刚性以与插入件42合作保持施加在密封件40上的压缩力。
插入件42具有环形倒钩42A，所述倒钩在组装到基座36中时接合至环形凹部36A，抵靠肩部36B(图4)接合以将插入件锁定在基座中的适当位置。这使得能够将插入件42和密封件40固定地保持在基座36内。倒钩42A还将来自螺杆44的压缩密封件40的反作用力经由插入件42传递到基座36中。插入件42具有多个键槽42C，所述多个键槽与基座36中的凸起键特征(未示出)对接。这种相互作用防止插入件42一旦安装到基座36中就旋转，并且转换由螺杆44插入基座36中产生的任何旋转扭矩。可在插入件中设置一个或多个狭槽42B以减轻压力，所述压力例如由在初始组装期间来自倒钩42A的向内力引起。在一个实施方案中，插入件42由PEEK(聚醚醚酮)制成，并且具有足够的强度以使得在密封件40的压缩下能够永久地保持在基座36上。
图9是根据一个实施方案的炬60的侧视截面图。它包括喷射器62，取决于特定应用，所述喷射器可以是石英或陶瓷、或其他材料，并且具有空心的、大体上圆柱形的形状，带有进气口61和排气口63。喷射器62落座于适配器65中，所述适配器进而落座于基座36内的密封件40中。除了在炬60中使用要求适配器65的不同喷射器(62)之外，炬60的细节基本上与以上关于炬30所说明的相同。
在图10中更详细地示出了喷射器62和适配器65。适配器65具有与适配器材料和球形接头69一体形成的环形隆起部67的形式的对准特征。提供通道71以在其中容纳喷射器62。通道可选地具有端部止挡件72，喷射器抵靠所述端部止挡件将其位置轴向固定在适配器内。因此，端部止挡件72与隆起部67一起确保喷射器62的轴向对准并将间隙41控制到如上所描述的期望尺寸。在某些实施方案中，喷射器62以过盈配合被物理地压入适配器65中，所述过盈配合防止喷射器移动，可选地消除了对端部止挡件72的需要。这样的布置在图10A中示出。
流动路径75在入口61处与喷射器62的内部77连通。适配器周围的同心O形圈69A减小通道71的直径，从而在安装时便于径向围绕喷射器62进行气体密封。在某些实施方案中，可以消除O形圈，而密封是通过材料的过盈配合来实现的，如图10所见。在一个实施方案中，喷射器62的圆柱形、无锥度的形状和氧化铝成分使其特别适合用作含有氢氟酸的样品的惰性喷射器。在一实施方案中，适配器65的材料是PTFE，所述PTFE还对包含氢氟酸的样品提供耐化学性。
尽管已经示出和描述了实施方案和应用，但是将显而易见的是，受益于本公开文本的本领域技术人员在不背离本文公开的发明概念的情况下可以进行比上文所述更多的修改。因此，本发明不受限于以上描述。

Claims (22)

1.一种炬，其包括：
管子组件，所述管子组件包括基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，所述内管具有末端；
可移动的喷射器，所述喷射器至少部分地在内管中延伸并且具有隆起部、入口、出口以及与所述内管和所述外管的所述中心轴线重合的中心轴线；
密封件，所述密封件具有用于容纳所述喷射器的一部分的通道；以及
基座，所述基座用于支撑所述管子组件、喷射器和密封件，
其中，所述密封件具有用于捕获所述喷射器的所述隆起部的内部凹槽，以防止所述喷射器的轴向未对准并在所述内管的所述末端与所述喷射器的所述出口之间保持固定的间隙。
2.根据权利要求1所述的炬，其中，所述密封件具有限定所述内部凹槽的多个柔性指状件。
3.根据权利要求2所述的炬，还包括：
螺杆，所述螺杆用于限制所述柔性指状件的移动，并且从而防止所述喷射器隆起部的运动并将所述喷射器保持在所述基座内。
4.根据权利要求3所述的炬，其中，所述指状件具有向内倾斜的端部部分，以便于所述螺杆从其上通过。
5.根据权利要求3所述的炬，还包括：
插入件，所述插入件设置在所述基座中，并且具有用于与所述螺杆和倒钩的螺纹配合以保持在所述基座中的螺纹。
6.根据权利要求1所述的炬，其中，所述喷射器在所述出口方向上呈锥形。
7.根据权利要求1所述的炬，其中，所述喷射器的材料是石英。
8.根据权利要求1所述的炬，其中，所述外管上有用于通过所述外管传输点火火花的孔。
9.根据权利要求8所述的炬，其中，所述孔是多个微小孔的模式。
10.一种炬，其包括：
管子组件，所述管子组件包括基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，所述内管具有末端；
可移动的喷射器，所述喷射器至少部分地在内管中延伸并且具有入口、出口以及与所述内管和所述外管的所述中心轴线重合的中心轴线；
适配器，所述适配器具有隆起部和用于接纳所述喷射器的第一通道；
密封件，所述密封件具有用于容纳所述喷射器的一部分的第二通道；以及
基座，所述基座用于支撑所述管子组件、适配器和密封件，
其中，所述密封件具有用于捕获所述适配器的所述隆起部的内部凹槽，以防止所述喷射器的轴向未对准并在所述内管的所述末端与所述喷射器的所述出口之间保持固定的间隙。
11.根据权利要求10所述的炬，其中，所述密封件具有限定所述内部凹槽的多个柔性指状件。
12.根据权利要求11所述的炬，还包括：
螺杆，所述螺杆用于限制所述柔性指状件的移动，防止所述喷射器隆起部的运动并将所述喷射器保持在所述基座内。
13.根据权利要求12所述的炬，其中，所述指状件具有向内倾斜的端部部分，以便于所述螺杆从其上通过。
14.根据权利要求10所述的炬，还包括：
插入件，所述插入件设置在所述基座中，并且具有用于与所述螺杆的螺纹配合的螺纹。
15.根据权利要求10所述的炬，其中，所述喷射器具有基本圆柱形的形状。
16.根据权利要求10所述的炬，其中，所述喷射器的材料是氧化铝。
17.根据权利要求10所述的炬，还包括围绕所述适配器的一个或多个O形圈以提供径向压缩。
18.根据权利要求10所述的炬，其中，所述外管上有用于通过所述外管传输点火火花的孔。
19.根据权利要求18所述的炬，其中，所述孔是多个微小孔的模式。
20.一种炬，其包括：
管子组件，所述管子组件包括基本圆柱形的、嵌套的、中心轴线重合的内管和外管，所述内管具有末端；
可移动的喷射器，所述喷射器至少部分地在内管中延伸并且具有对准特征、入口、出口以及与所述内管和所述外管的所述中心轴线重合的中心轴线；
密封件，所述密封件具有用于容纳所述喷射器的一部分的通道；以及
基座，所述基座用于支撑所述管子组件、喷射器和密封件，
其中，所述密封件具有互补的特征以接合所述喷射器的所述对准特征，以防止所述喷射器的轴向未对准并在所述内管的所述末端与所述喷射器的所述出口之间保持固定的间隙。
21.根据权利要求20所述的炬，其中，所述对准特征是凹部，并且所述互补特征是隆起部。
22.根据权利要求10所述的炬，其中，所述适配器包括用于将所述喷射器的轴向位置固定在所述第一通道中的端部止挡件。
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