Аналитический небулайзер
Общий термин «небулайзер» относится к аппарату, который преобразует жидкости в мелкий туман. Форсунки также преобразуют жидкости в мелкий туман, но делают это за счет давления через небольшие отверстия. Небулайзеры обычно используют потоки газа для доставки тумана. Наиболее распространенной формой небулайзеров являются медицинские приборы, такие как ингаляторы от астмы или баллончики с краской. Аналитические распылители представляют собой особую категорию, поскольку их целью является подача мелкодисперсного тумана к спектрометрическим приборам для элементного анализа. Они являются необходимыми частями атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой ( ICP-AES ), масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) и атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС).
Приложения
[ редактировать ]Аналитические распылители используются для анализа микроэлементов. Этот тип работы играет важную роль в области фармацевтических и клинических исследований, биологической, экологической и сельскохозяйственной оценки, а также испытаний нефти. У них также есть ядерное применение.
Конструкции небулайзеров
[ редактировать ]Большинство аналитических пневматических распылителей используют один и тот же основной принцип ( индукция ) для распыления жидкости: когда газ с более высоким давлением выходит из небольшого отверстия (отверстия) в газ с более низким давлением, он образует струю газа в зону более низкого давления, и отталкивает газ более низкого давления от отверстия. Это создает ток в зоне газа с более низким давлением и втягивает часть газа с более низким давлением в струю газа с более высоким давлением. В отверстии притяжение газа с более низким давлением создает значительное всасывание, степень которого зависит от перепада давлений, размера отверстия, а также формы отверстия и окружающего устройства. Во всех пневматических индукционных распылителях всасывание возле отверстия используется для втягивания жидкости в газовую струю. При этом жидкость разбивается на мелкие капли.
Существующие конструкции индукционных пневматических распылителей делятся на 5 категорий: 1. Концентрические: поток жидкости, окруженный потоком газа, или поток газа, окруженный потоком жидкости; 2. Перекрестный поток: поток газа перпендикулярен потоку жидкости; 3. Вовлеченный: газ и жидкость смешиваются в системе и выбрасываются в виде объединенного потока. 4. Бабингтон и V-образная канавка: жидкость распределяется по поверхности для уменьшения поверхностного натяжения и проходит через газовое отверстие; 5. Параллельный путь: жидкость подается рядом с газовым отверстием, и индукция втягивает жидкость в поток газа.
Новые неиндукционные распылители включают еще три категории: 6. Улучшенный параллельный путь: жидкость подается рядом с газовым отверстием и втягивается в поток газа за счет поверхностного натяжения вдоль носика; 7: Размытие потока: жидкость впрыскивается под давлением в поток газа; 8. Вибрирующая сетка: жидкость проталкивается через крошечные отверстия с помощью вибрирующей ультразвуковой пластины.
Индукционные небулайзеры
[ редактировать ]Концентрические небулайзеры
[ редактировать ]
Концентрические небулайзеры имеют центральный капилляр с жидкостью и внешний капилляр с газом. Газ втягивает жидкость в газовый поток за счет индукции, и жидкость разбивается на мелкий туман по мере продвижения в газовый поток. Теоретически газ и жидкость можно переключать между газом в центре и жидкостью во внешнем капилляре, но обычно они работают лучше, когда газ снаружи, а жидкость внутри. [1] Первым канадским концентрическим патентом был патент Канады № 2405 от 18 апреля 1873 года. Он был разработан для обеспечения лучшего распыления масла в горелку. Конструкция больше, но по сути такая же, как у современных аналитических небулайзеров. Первым устройством для спектрометров было стекло, разработанное доктором Мейнхардом из Калифорнии в 1973 году. [2] Его конструкция позволяла первым пользователям ПМС иметь распылитель для последовательного введения проб, но он легко подключался. Сегодня многие компании производят стеклянные концентрики, а с 1997 года стали доступны тефлоновые концентрики.
Небулайзеры с поперечным потоком
[ редактировать ]Небулайзеры с поперечным потоком имеют газовый капилляр, расположенный под прямым углом к жидкостному капилляру. Газ продувается через жидкостный капилляр, создавая низкое давление, которое втягивает жидкость в газовый поток. Обычно всасывание аналогично тому, которое производится в концентрическом распылителе. Преимущество поперечного потока заключается в том, что капилляр жидкости имеет больший внутренний диаметр, что позволяет проходить большему количеству частиц, не забивая распылитель. Недостаток заключается в том, что туман обычно не такой мелкий и равномерный. [3]
Уносящие небулайзеры
[ редактировать ]В настоящее время нет аналитических распылителей, использующих этот метод, но некоторые масляные горелки используют его. В основном используется в гораздо более старых конструкциях, поскольку новые концентрические и поперечные потоки намного лучше и проще в изготовлении.
Распылители с V-образной канавкой
[ редактировать ]Распылители с V-образными канавками аналогичны поперечному потоку в том смысле, что жидкость подается в капилляр под прямым углом к газовому капилляру, но жидкость выливается по вертикально ориентированной канавке, проходящей мимо газового отверстия. Газ втягивает жидкость в газовый поток и образует мелкий туман. Они позволяют использовать капилляры для жидкости с очень большим внутренним диаметром, но не имеют всасывания и требуют насоса для подачи жидкости в устройство. Они должны быть правильно ориентированы, иначе они не позволят жидкости проходить мимо газового потока. И их туман обычно образует более крупные капли, чем при концентрических или поперечных потоках.
Небулайзеры с параллельным путем
[ редактировать ]Эта конструкция была разработана Джоном Бургенером из Burgener Research Inc. Здесь поток газа и проба проходят через распылитель по параллельным капиллярам. На кончике распылителя жидкость втягивается в поток газа, а затем рассеивается в камере в виде тумана.
Неиндукционные небулайзеры
[ редактировать ]Усовершенствованные распылители с параллельным путем
[ редактировать ]Этот дизайн был разработан Джоном Бургенером из Burgener Research Inc. [4] Здесь поток газа и проба проходят через распылитель по параллельным капиллярам. На кончике распылителя жидкость втягивается в поток газа за счет поверхностного натяжения вдоль носика, погружающегося в поток газа. Это позволяет газу воздействовать на жидкость, и жидкость взаимодействует в центре потока газа, где скорость потока газа самая высокая, обеспечивая лучшую передачу энергии от газа к жидкости и создавая более мелкий размер капель. Небулайзеры Burgener Mira Mist являются основными продуктами, использующими метод Enhanced Parallel Path.
Небулайзеры с размытием потока
[ редактировать ]Это новый тип распылителя, в котором для смешивания пробы и газа не используется индукция. Вместо этого здесь используется пневматическое распыление, которое приводит к микроперемешиванию жидкостей с использованием рефлюксной ячейки. [5] Это означает, что происходит турбулентное смешивание жидкости и газа, что приводит к высокой чувствительности и высокой эффективности. OneNeb — единственный пример такого рода.
Пьезоэлектрическая вибрирующая сетка
[ редактировать ]Этот вариант ультразвуковых небулайзеров доступен с 2011 года. Имеется вибрирующая мембрана с микроотверстиями. Образец поступает через заднюю часть и выталкивается через отверстия при вибрации мембраны. В результате образуется мелкий туман с размером капель, пропорциональным размеру отверстия. Этот метод не требует потока газа и используется в сочетании с камерой. Если размер капель меньше 5 мкм, то они слишком малы, чтобы прилипать к стенкам камеры, и камера остается сухой, пока 90–100% образца доходит до горелки.
Хронология развития аналитического небулайзера
[ редактировать ]Раннюю историю медицинских небулайзеров можно прочитать здесь . Развитие аналитических небулайзеров с момента появления ИСП/ИСП-МС показано ниже: [6]
Регулируемый поперечный поток, 1970-е годы (патент США № 4,344,574) [7]
1974 Мейнхард Концентрик
1978 г. V-образная канавка (Суддендорф и Бойер) (патент США № 4206160) [8]
Столп и почта 1980 года (Гарбарино и Тейлор)
1983 Распылитель GMK: стеклянный V-образный паз Бабингтона
1983 г. Небулайзер Meinhard C-типа.
1983 Прецизионное выдувание стекла (аналог Minehard A-type)
1983 Джаррелл Эш (Термо) Сапфировый V-образный паз
1983 MAK компании Meddings: стекло с фиксированным поперечным потоком
1984 Meinhard K-type: утопленный внутренний капилляр.
1984 Glass Expansion начинает производство стеклянной посуды ICP.
1985 г. Бургенер-Лежер – первый коммерческий тефлоновый распылитель – V-образная канавка – без регулируемых деталей.
1986 г. Микрораспылитель с прямым впрыском от Fassel, Rice & Lawrence (патент США № 4 575 609). [9]
1986 г. Небулайзер Hildebrand Grid.
Поперечный поток Perkin Elmer Gem Tip, конец 1980-х годов.
1988 Ультразвуковые импульсы CETAC
Циклонические камеры 1980-х годов
1987 год. Первый распылитель Glass Expansion — VeeSpray (керамический V-образный паз).
1989 г. – первый концентрический элемент Glass Expansion – Conikal (механическая обработка вместо выдувного стекла).
1989 г. Noordermeer Glass V Groove (патент США № 4880164) [10]
1992 Glass Expansion – морские брызги без соли
1993 Modified Lichte Glass V-Groove
1993 Burgener BTF - первый Neb с параллельным путем (патент США № 5,411,208) [11]
1994–1995 Небс параллельного пути главного бургенера - BTS 50, BTN и T2002
Середина 1990-х Perkin Elmer GemCone: миниатюрная V-образная канавка
С внедрением в лаборатории ИСП-МС создание микрораспылителей стало приоритетом для доставки меньших объемов проб при более низких скоростях потока.
1993 г. Был произведен Meinhard HEN (высокоэффективный распылитель), который работал с очень низкими скоростями потока, но в результате легко засорялся и засорялся. (в 25 раз меньше пробы, чем у стандартного Мейнхарда)
1997 Микроконцентрический распылитель Cetac – первый тефлоновый концентрический распылитель 50, 100, 200 или 400 мкл/мин.
1997 Meinhard Direct Injection HEN – (DIHEN) (патент США № 6,166,379) [12]
1999 Elemental Scientific – концентрические распылители PFA 20, 50, 100 или 400 мкл/мин.
1999 Burgener Micro 1: Параллельный путь
2000 Burgener Micro 3: параллельный путь
2001 Burgener Mira Mist: первый усовершенствованный распылитель с параллельным путем (патент США № 6,634,572). [13]
2004 Эпонд Тайфун: Стеклянная концентрическая
2005 Ingeniatrics OneNeb: Технология размытия потока
2010 Epond Lucida: микроконцентрический тефлон
2012 Burgener PFA 250: распылитель с параллельным трактом и улучшенным микропотоком PFA
2010 – 2013 Мейнхард и Glass Expansion: Значительные улучшения креплений и конструкции стеклянных концентриков.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Стеклянные концентрические распылители» . Проверено 8 марта 2013 г.
- ^ Коулман, Джефф. «Наша история» . Мейнхард . Проверено 5 марта 2013 г.
- ^ Робинсон, Джеймс; и др. (2005). Инструментальный анализ бакалавриата, шестое издание . Нью-Йорк: Марсель Деккер. п. 493. ИСБН 9780849306501 .
- ^ Бургенер, Джон. «Расширенный параллельный путь» . Проверено 5 марта 2016 г.
- ^ Технологии инженерии. «Технология размытия потока» . Проверено 5 марта 2013 г.
- ^ Бургенер, Джон. «История небулайзера 2013» (PDF) . Бургенер Рисерч Инк . Проверено 5 марта 2013 г.
- ^ «Распылитель с поперечным потоком» Бэзил Меддингс, Хайнц Кайзер, патент США № 4 344 574 , дата выдачи: 17 августа 1982 г.
- ^ Рональд Ф. Саддендорф, Кеннет В. Бойер «Механическое устройство для производства мелкодисперсного аэрозоля», патент США № 4,206,160 , дата выдачи: 3 июня 1980 г.
- ^ Велмер А. Фассель, Гэри В. Райс, Кимберли Э. Лоуренс «Концентрический микрораспылитель для прямого введения образца», патент США 4 575 609 , дата выдачи: 11 марта 1986 г.
- ^ Майкл Н. А. Ноордермеер «Цельный распылитель с высоким содержанием твердых частиц», патент США № 4,880,164 , дата выдачи: 14 ноября 1989 г.
- ^ Джон А. Бургенер «Индукционный пневматический распылитель с параллельным путем» Патент США № 5 411 208 , дата выдачи: 2 мая 1995 г.
- ^ Акбар Монтасер, Джон А. Маклин, Джерольд М. Качир «Высокоэффективный распылитель с прямым впрыском для аналитической спектрометрии», патент США № 6 166 379 , дата выдачи: 26 декабря 2000 г.
- ^ Джон А. Бургенер «Усовершенствованный распылитель с параллельным трактом и большим диапазоном скоростей потока» Патент США № 6 634 572 , дата выдачи: 21 октября 2003 г.