实验室分析仪器--ICP雾化器种类
ICP光谱仪器的液体进样装置主要有气动雾化器、超声雾化器、高压雾化器等等，最常用的雾化器主要是气动雾化器以及超声雾化器，其中最常见的气动雾化器又分为同心雾化器、交叉（直角）雾化器以及高盐雾化器，下面为大家重点介绍。
一、玻璃同心雾化器
1、结构和性能
玻璃同心雾化器在ICP光谱仪器应用较多。最初曾将原子吸收光度计上的同心雾化器用在icp光谱装置上。实验表明，这类雾化器载气流量，试液提升量也较高，灵敏度低且试液消耗较多，不适于ICP光谱分析。于是专门研制用于ICP光源的低载气流量雾化器，其产品目标准化和系列化，这一工作最初由Meinhard等完成的，通称为Meinhard雾化器，其结构如图1所示。
图1 Meinhard玻璃同心雾化器
Meinhard玻璃同心雾化器可分为A型、C型及K型三种，它们的主要区别在于喷口形状及加工方法。如图2所示，A型为标准型，已商品化多年，应用最多，如TR-230-A1型雾化器，它的喷口处毛细管和外管处于同一平面，端面用金刚砂磨平。C型雾化器端口与A型不同，其中心管缩进约0.5mm，目的在于防止高盐分溶液雾化时在端口沉积，并能提高雾化效率。这种内混式雾化器加工难度较大。K型玻璃同心雾化器也是内混式，但中心毛细管未经加工磨光。
图2 三种Meinhard雾化器端口结构
在分析高盐溶液时，为抑制盐类在雾化器喷口的沉积，将玻璃同心雾化器外管出口制成喇叭形（见图3），可以雾化含氯化钠很高的试液。
图3 LB雾化器原理
2、作用原理
玻璃同心雾化器的作用是把试液雾化成气溶胶并通过雾室导入到炬管及等离子体。分析溶液甪泵或由Venturi效应所造成的负压而吸入雾化器。在雾化器毛细中心管出口处，因载气流速很快（约150～200m/s），而试液流速较慢，两者之间产生摩擦力，液流被拉细并被气流冲击破碎成雾滴。形成最初的气溶胶流，称为一次气溶胶。气溶胶流在前进过程中，大气溶胶受到气流沿径向和切向动压力的作用进一步细，较细的气溶胶被载气送入等离子体。未细化的大气溶胶凝结后排入废液容器，图4为雾化过程示意图。
图4 雾化过程示意图
1-同心雾化器，2-一次气溶胶；3-去ICP来源；4-二次气溶胶
3、玻璃同心雾化器的雾化特性
在无蠕动泵进样条件下，载气压力（或流量）是影响雾化特性的重要参数。主要雾化特性包括试液提升量、进样效率及进样速率。进样效率是进入等离子体的试液量与提升量的比值，以百分数表示。进样速率是单位时间进入等离子体的物质绝对量。图5是玻璃同心雾化器的典型雾化特性曲线。
图5 同心雾化器雾化特性
1-进样速率；2-提升量；3-进样效率
由图5可以看出，随着雾化压力的增加，试液提升量逐渐增加，而进样效率却逐渐降低，这是因气溶胶中大颗粒雾滴所占比重增加，废液量增多。对每个雾化器而言，进样速率在某一载气压力下有一最大值。实验表明，增加提升量并不总能获得更高的谱线强度。
玻璃同心雾化器对试液的含盐量是很敏感的，因为试液中盐量的增加，显著地改变试液物理性质，将导致提升量的降低。此外，试液含盐量的增加不仅会影响提升量，而且将导致光谱背景的增加。图6显示含5%NaCl的硝酸溶液在喷雾数分钟后光谱背景急剧增加。造成这种现象的原因是雾化时盐类在喷口处沉积，部分阻塞喷口环形载气通路，降低载气流量，从而提高光谱背景值。图6中背景波长为324.7nm。
图6 试液含盐量对Cu（I）324.7nm光谱背景的影响
△-5%NaCl2%硝酸溶液；○-1%NaCl2%硝酸溶液；◇-1000mg/LCa+Mg的2%硝酸溶液；×-2%硝酸溶液（去离子水）
二、 交叉雾化器
交叉雾化器（cross-flow nebulizer），又称直角雾化器，因为它是由互成直角的进气管和进液毛细管构成。其毛细管可使用玻璃质或铂-铱合金，后者可以用于含氟离子试液，基座多为工程塑料。毛细管和基座的连接可以采用固定式或可调式，两者各有所长。
1、结构和工作原理
交叉雾化器是由两根互相垂直的毛细管和一个用于固定毛细管的基座组成，其剖面图如图7所示。水平放置为进气管，垂直放置的为进样管。两管的相对位置对雾化性能极为重要。
图7 TN-1型交叉雾化器
A-进气管；B-进样管；单位/mm
交叉雾化器的成雾机理和同心雾化器基本相同。见图8。它首先由高速气流在进样管口形成负压，把试液抽提出来，然后冲击成细雾滴。试液提升量仍然遵从Hagen-Doiseuillsche关系式。即试液提升量和毛细管半径的四次方成正比，与载气压力差成比例，与毛细管长度成反比。所产生雾滴大小和数量，取决于液体和雾滴表面上所受作用力的大小，亦即气体冲击力fp、液体表面张力fσ。当fp>fσ时，就使雾滴破碎及大雾滴破碎成小气溶胶。根据实验，一般fp≥3fσ。
图8 交叉雾化器工作原理
Dg-进气管直径；Df-进样管直径
2、交叉雾化器的性能
与玻璃同心雾化器类似，交叉雾化器的提升量也是随载气压力的增加而增大，但当载气压力0.25MPa后变化趋缓。通用的TN-1型交叉雾化器典型技术特性为：载气流量≤1L/min；载气压力范围0.1~0.27MPa；试液提量0.54~2.5ml/min。同时列出玻璃气动雾化器的性能以资比较。
（1）检出限
相似参数下工作的交叉雾化器与玻璃同心发化器有相近的检出限。具体数据见表1。（气动雾化器的检出限/μg•L-ı）。
（2）含盐量的影响
Gustavsson试验了不同含盐量试液，以考察交叉雾化器和同心雾化器的稳定性。图9是雾化时间与试液提升量的关系曲线。曲线表明，在雾化纯水溶液时，两种雾化器的提升量都是稳定的（曲线a）。而在雾化含1%NaCl的溶液时，同心雾化器的提升量随时间而逐渐降低（曲线b），而交叉雾化器则没有显著变化。其他研究者也指出过，交叉雾化器对高盐试液的稳定性要优于同心雾化器。同心雾化器耐盐量低的主要原
因是喷口处盐的沉积，部分阻塞雾化器通路。用载气加湿法可缓解同心雾化器喷口盐的沉积问题。
图9 试液盐量对气动雾化器的影响
——交叉雾化器化器；——同心雾化器；
a-纯水溶液；b-含1%NaCl溶液；c-含3%NaCl溶液
三、Babington雾化器
1、工作原理
1966年Babington发表了他所研制的可雾化高盐量试液的新型雾化器，当时并未引起光谱学者的重视。后来由于通用气动雾化器雾化高盐量试液遇到不克服的困难，这种新型雾化器才受到重视。目前Babington雾化器被竞相采用于雾化高盐量试液，尽管其名称不同，具体结构也不一样。有的叫沟槽雾化器，有的称其商品名如G.M.K雾化器或BW雾化器。不论名称如何，其结构原理基本相同。其原理如图10所示，试液用蠕动泵通过输液管送到雾化器基板上，让溶液沿倾斜的基板（或沟槽）自由流下，在溶液流经的通路上有一小孔，高速的载气流从小孔喷出，将溶液喷成雾滴。由于喷口处不断有溶液流过，不会形成盐的沉积，故可雾化高盐试液。
图10 Babington雾化器原理
1-试液；2 -基板；3-载气流；4-液膜
2、常用的Babington雾化器及其性能
（1）高盐量雾化器
这是一种较通用的Babington型雾化器，又称高固体雾化器。其外形类似于TN-1.型交叉雾化器（见图7），可以配用Scott型雾室，该雾化器由基座、试液进样管及进气管构成。与交叉雾化器不同的是进样管输入的溶液经过V形槽流经进气孔，再被高速载气流冲击粉碎成雾滴，其结构十分简单。由于无盐类堵塞问题故可雾化饱和氯化钠溶液。
（2）GMK雾化器
GMK雾化器是Labtest Equipment Company生产的高盐量雾化器。其构造如图11能所示。它由进样管、进气管和碰撞球组成，进气管端部有V形槽，加配钟罩形雾室构成一体化进样装置。由于安置可调节的碰撞球，可使雾滴细化。进样量1.75m1/min，载气量1.65L/min，雾化效率可达2%~4%。在试液中钠浓度2.5～100g/L（以NaC1形式加入）范围内进样效率变化不大。.可用于含NaCl 250g/L的试液分析。
图11 GMK雾化器
1-进样管；2-载气进气管；3-可调碰撞球；4-排放废液
（3）双铂网雾化器
双铂网雾化器是·一种改进型的Babington雾化器，其结构原理见图12。雾化器主体是用聚四氟乙烯制成。有两层铂网，网孔为100目，两层铂网的距离可调，使样品产生的雾滴为最佳状态。试样用蠕动泵输入，流速约1~1.5ml/min，雾化载气从小孔中喷出，将试液吹散，经过两次铂网雾滴进一步细化，得到高度细化的稳定气溶胶流。双铂网雾化器可以雾化高盐溶液，雾化效率也较高。
图12 双铂网雾化器
四、超声波雾化器
前面介绍的几种雾化器共同缺点是雾化效率较低，试液的大部分成为废液流失，只有百分之几的试样进入ICP光源，因而限制了测定灵敏度的提高。超声波雾化器是利用超声波振动的空化作用把溶液雾化成高密度的气溶胶，有很高的雾化效率和良好的检出限。
1、超声波雾化原理
高频振荡在气液界面产生的表面波，把液体粉碎成细气溶胶，再由载气带入等离子体光源。为了得到较细的气溶胶，高频电源的频率一般在1MHz以上，此时气溶胶直径为微米级。
2、超声雾化装置及性能
超声雾化器在ICP光谱分析中应用一直受到重视，曾设计了多种结构的超声雾化进样装置，这里介绍两种已商品化典型装置，一种是早期的USN-1型超声波雾化器，装置的原理和雾化器的结构见图13和图14。
图13 超声波雾化装置的原理
1-试样；2-蠕动泵；3-电影；4-高频发生器；5-超声换能器；6-雾室；7-去火炬；
8-冷却水；9-流量计；10-冷却水；11-废液；12-流量计；13-载气
图15 U-5000AT型超声波雾化器
1-散热片；2-换能器；3-载气入口；4-进样管；5-废液；6-雾室；7-加热管；8-冷凝器；
9-冷却水出口；10-冷却水入口；11-废液排放；12-去ICP
超声雾化器除检出限低外，还有如下特点。
（1）产生气溶胶的速度，不像气动雾化器那样依赖于载气流量。因此，产生气溶胶的速度和载气流量可以独立地调节到最佳值；
（2）超声雾化法产生高密度的气溶胶，并比气动雾化器产生的气溶胶更细，更均匀。进样效率比气动雾化器高一个数量级；
（3）在结构上无毛细管及小孔径管道的限制，不会堵塞。试液提升量由蠕动泵控制，黏度等物理特性影响较小。
超声雾化装置的明显缺点是结构复杂，价格高，记忆效应也比气动雾化器大。如进0.5%NaCl溶液中微量元素，进样后约需80s才能将信号清洗至原始值的1%。因为超声雾化器有加热管及冷凝器，增加了气溶胶在进样系统内停留时间。此外，还应注意，当试液中含有高浓度的盐量，检出限会显著提高。当雾化含有1%NaCl试液时，检出限提高5~10倍。
