CN112563113A - 一种提升icp-ms仪器灵敏度的加热冷凝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提升ICP‑MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，加热部分选用与双通道雾化室等长的红外灯管作为加热源，利用“直”型石英管将加热雾化室与冷凝雾室相连接，组成加热冷凝装置。采用红外辐射加热，可进一步减小雾化产生的雾滴尺寸，使部分溶剂(水)成为水蒸气，再通过冷凝雾室将其冷凝下来，避免大部分水蒸气进入等离子体(ICP)中，引起等离子体能量消耗，甚至导致ICP熄火的问题。通过加热与冷凝联用，ICP‑MS仪器的灵敏度获得大幅提高，对47个常见测定元素，大部分元素的信号增强因子提升为5‑6倍，某些高电离能元素提升幅度更可达7‑8倍。

Description

一种提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置

技术领域

本发明涉及仪器分析领域，特别是涉及一种提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置。

背景技术

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)作为一种高灵敏度、低检出限、检测元素范围广、谱线简单、高效率的分析仪器,在地球科学领域发挥着极其重要的作用。随着对于痕量元素含量的地质样品的检测需求越来越高，人们追求更高性能的检测仪器的愿望也越来越强烈。为此，进一步提升ICP-MS的检测性能，满足对于痕量含量元素的检测需求显得尤为重要。

在ICP-MS仪器构成中，进样系统属于影响ICP-MS分析性能的重要组成部分之一，对其研究一直以来是分析化学领域高度重视的研究方向。进样系统根据不同的样品形态大体可以分为溶液进样系统(如气动雾化进样、超声雾化进样)，固体进样系统(如激光剥蚀进样、固体直接插入进样等)和气体进样系统(如氢化物发生进样、电热蒸发进样)等。

溶液进样的方式虽然很多，但最常用的仍以雾化进样为主，因为雾化进样系统结构简单，仅由雾化器及雾室组成。通过雾化器使样品形成细小的气溶胶颗粒，大小不一的气溶胶颗粒在雾室中被筛选，只有细小的气溶胶颗粒(直径<10μm)才能被载气运输至ICP，使得气动雾化进样系统的传输效率低，仅有2-5％，高达95％的样品颗粒经由废液被排除。此外，由于气溶胶的非均匀性，不同大小的气溶胶进入等离子体后，样品在进行蒸发、解离、原子化、离子化过程中可能会受到处于同一等离子体区域较大液滴蒸发的影响。更小的更均匀的液滴能使等离子体更加稳定，也能在一定程度上降低信号噪声。同时，气动雾化系统由于大量溶剂(水)会随样品一同进入等离子体，从而使样品气溶胶在ICP中的去溶剂化过程占用大部分等离子体的能量，进而使得等离子体的激发性能受到影响。目标分析物的原子化，离子化效率降低，严重影响了分析信号强度值。

发明内容

本发明的目的是提供一种提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，以解决上述现有技术存在的问题，使本装置不仅能够大幅提高测定元素的灵敏度，而且还能避免ICP-MS仪器的等离子体的熄火现象，确保仪器稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，包括加热装置，所述加热装置连通有石英管，所述石英管连通有冷凝装置；

所述加热装置包括密封盒，所述密封盒内设置有双通道雾化室，所述双通道雾化室顶部设置有红外灯管，所述石英管贯穿所述密封盒与双通道雾化室连通，所述双通道雾化室底部设置有温控传感器，所述红外灯管与温控传感器电性连接有温控器；

所述冷凝装置包括冷凝雾室，所述冷凝雾室外部包覆有冷凝部，所述冷凝雾室与所述石英管连通。

优选的，所述密封盒为铝制密封盒，所述密封盒内侧为光滑表面。

优选的，所述红外灯管与所述双通道雾化室平行设置，所述红外灯管的功率为200W。

优选的，所述温控传感器由K型热电偶等组成。

优选的，所述温控器为普通型或数码型，所述温控器控温精度不小于±5℃。

优选的，所述红外灯管的加热温度为180-230℃。

优选的，所述石英管接头部分采用聚四氟乙烯材料连接。

优选的，所述石英管外部包裹多层隔热层。

优选的，所述冷凝部的冷凝温度控制范围为3-6℃。

优选的，所述冷凝部外套设有保温夹层。

本发明公开了以下技术效果：本发明选择“预蒸发法”时，给双通道雾化室加一密封盒，利用与双通道雾化室等长度的红外灯管作为加热源，外套采用铝材，将内壁抛光，增加表面反射率，追求更加均匀、稳定的加热效果，选用双通道雾化室，可以更好地延长样品的预蒸发时间，借助于石英管连接双通道雾化室与冷凝雾室，将加热雾化系统产生的大量水蒸汽在冷凝部中冷凝下来，减少进入ICP等离子体的水蒸汽，克服了“预蒸发法”在ICP-MS仪器应用上的严重缺陷。在实际应用加热冷凝装置中，47个常见测定的元素，多数元素的信号增强因子提高了5-6倍，部分具有高电离能的元素信号增强因子更是提高了7-8倍，而普通的“预蒸发法”，测定元素信号增强因子的提高往往只有2-3倍。可见，利用加热与冷凝相结合的方式，改进“预蒸发法”，不仅能够大幅提高测定元素的灵敏度，而且还能避免ICP-MS仪器的等离子体的熄火现象，确保仪器稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置的结构示意图；

图2为实施例1中La元素在加热冷凝装置不同加热温度下的信号强度的示意图；

图3为实施例2中不同元素的信号增强因子的示意图；

图中：1-双通道雾化室，2-密封盒，3-红外灯管，4-温控传感器，5-温控器，6-冷凝部，7-冷凝雾室，8-石英管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3，本发明提供一种提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，包括加热装置，所述加热装置连通有石英管8，所述石英管8连通有冷凝装置；

所述加热装置包括密封盒2，所述密封盒2内设置有双通道雾化室1，所述双通道雾化室1顶部设置有红外灯管3，所述双通道雾化室1和红外灯管3与密封盒2固定连接，所述石英管8贯穿所述密封盒2与双通道雾化室1连通，所述双通道雾化室1底部固定有温控传感器4，所述红外灯管3与温控传感器4电性连接有温控器5；

所述冷凝装置包括冷凝雾室7，所述冷凝雾室7外部包覆有冷凝部6，所述冷凝雾室7与所述石英管8连通。

为了使气溶胶颗粒在加热环节得到更加充分的加热，选择使用更长路径的双通道雾化室1来延长气溶胶颗粒在雾化室中的运动时间，让气溶胶可以得到更充分的加热和蒸发，从而形成更小的颗粒，进一步提升传输效率。将双通道雾化室1置于一个全封闭的铝制密封盒2内，在双通道雾化室1的正上方平行设置一个红外灯管3，红外灯管3与密封盒2内双通道雾化室1的部分等长，红外灯管3的直径为10mm，长度为120mm，功率为200W，为加热双通道雾化室1提供红外加热源，可以保证气溶胶在双通道雾化室1中全程保持一个稳定加热状态，红外灯管3加热相对于电热丝加热拥有更高的热效率、更快的升温速度和更均匀的加热温度，选择红外灯管3加热优于红外灯泡的加热效果。由于红外灯管3发出的红外光是以直线传播，需要具有反射红外光的材料让红外光通过反射聚焦在加热目标上，因此选择内部抛光的金属铝制密封盒2可以保证最大化利用红外光的加热效率。在密封盒2内有专门设计的温控传感器4，温控传感器4由K型热电偶等组成，通过温控传感器4与温控器5相连可以实时监控和自动调整红外加热功率，所述温控器5为普通型或数码型，所述温控器5控温精度不小于±5℃，优选控制精度为±1℃。所述加热部分的加热温度控制在180-230℃之间，温度大于180℃后，信号强度提升不明显，优选加热温度为180℃，有利于延长红外灯管的使用寿命，确保加热系统的稳定性。在双通道雾化室1与ICP等离子体矩管之间增加一个冷凝雾室7，用于将过多的溶剂(水)蒸汽冷凝下来。加热雾化室与冷凝雾室之间由石英管8连接，石英管8外由多层隔热层包裹，从而避免加热后形成的溶剂蒸汽在石英管8中因为管壁内外温差凝结水珠影响样品颗粒的传输。冷凝部6为半导体冷凝装置，冷凝温度控制范围为3-6℃，优选4℃，冷凝部6外套设有保温夹层，其内含冷凝雾室7，冷凝温度由仪器电脑控制。

下面具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

第一步，在双通道雾化室1外部采用特制铝的密封盒2密封包覆双通道雾化室1，构成密封盒2，密封盒2采用具有高反射率的铝材，内壁为光滑的表面；

第二步，在密封盒2的顶部，即双通道雾化室1的正上方平行设置一个直径为10mm，长度为120mm的红外灯管3，在其正下方平行安装温控传感器4，将温控传感器4与温控器5相连，组成加热双通道雾化室1的加热系统；

第三步，用“直”型石英管8将双通道雾化室1与冷凝部6中的冷凝雾室7相连接，组成完整的加热冷凝装置。冷凝部6为半导体冷凝装置，冷凝温度由仪器电脑控制。

第四步，加热部分的加热温度控制在180-230℃之间，温度大于180℃后，信号强度提升不明显，优选加热温度为180℃，有利于延长红外灯管的使用寿命，确保加热系统的稳定性；

第五步，冷凝雾室7的冷凝温度控制范围为3-6℃，防止冷凝结冰，并保留部分水蒸气进入ICP等离子体中，优选冷凝温度为4℃。

实施例1

灵敏度是衡量ICP-MS检测性能的重要指标。相同元素浓度下更高的信号灵敏度意味着该仪器分析方法对于目标元素拥有更强的检测能力。在加热冷凝装置中，加热温度直接决定了样品气溶胶颗粒中水溶剂在双通道雾化室1中的蒸发程度，进而影响目标元素的信号增强变化。图2所示，以La元素为例，在不同的加热温度下，冷凝部6的冷凝温度全部选择4℃。随着温度从25℃升高至180℃，1ngml^-1La的信号强度从600000cps提升到4200000cps。这个现象证明了随着温度的升高，双通道雾化室1中的样品气溶胶颗粒的蒸发程度不断提升，形成的小颗粒数量也在增加，气溶胶颗粒传输效率进一步提高，因此有更多的样品颗粒进入ICP-MS。当加热温度高于180℃，达到200℃以及230℃后，La元素信号强度与180℃下得到的信号强度相差不明显。这个现象可能是因为在180℃加热条件下，双通道雾化室1中样品气溶胶已经加热蒸发掉大部分溶剂，继续提高加热温度对于进一步提升样品气溶胶颗粒的蒸发程度没有明显的效果，所以加热温度继续升高对于目标元素信号强度提升也就没有明显的效果。考虑到密封盒2的加热效果以及红外灯管的使用寿命，确保装置的稳定性，最优加热温度选择180℃。

实施例2

图3所示，温控器5的加热温度选择180℃，冷凝部6的冷凝温度选择4℃，对大部分元素都有明显的信号增强效果，其信号增强因子大致为5-6倍，而对高电离能元素(如Be、Zn、As、Cd、Te)的信号增强因子可达到7-8倍。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：包括加热装置，所述加热装置连通有石英管(8)，所述石英管(8)连通有冷凝装置；

所述加热装置包括密封盒(2)，所述密封盒(2)内设置有双通道雾化室(1)，所述双通道雾化室(1)顶部设置有红外灯管(3)，所述石英管(8)贯穿所述密封盒(2)与双通道雾化室(1)连通，所述双通道雾化室(1)底部设置有温控传感器(4)，所述红外灯管(3)与温控传感器(4)电性连接有温控器(5)；

所述冷凝装置包括冷凝雾室(7)，所述冷凝雾室(7)外部包覆有冷凝部(6)，所述冷凝雾室(7)与所述石英管(8)连通。

2.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述密封盒(2)为铝制密封盒，所述密封盒(2)内侧为光滑表面。

3.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述红外灯管(3)与所述双通道雾化室(1)平行设置，所述红外灯管(3)的功率为200W。

4.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述温控传感器(4)由K型热电偶等组成。

5.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述温控器(5)为普通型或数码型，所述温控器(5)控温精度不小于±5℃。

6.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述红外灯管(3)的加热温度为180-230℃。

7.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述石英管(8)接头部分采用聚四氟乙烯材料连接。

8.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述石英管(8)外部包裹多层隔热层。

9.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述冷凝部(6)的冷凝温度控制范围为3-6℃。

10.根据权利要求1所述的提升ICP-MS仪器灵敏度的加热冷凝装置，其特征在于：所述冷凝部(6)外套设有保温夹层。

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