一种分光光度计以及用于测定汞蒸汽浓度的方法技术

一种分光光度计包括有第一、第二端部和在两者之间延伸的通道的细长样品池，优选其长度与通道的横向尺寸之比至少１００∶１。第一（二）石英窗口部件位于样品池的第一（二）端部并具有与邻近第一（二）端部的通道相通的第一（二）孔。配置紫外灯发射穿过第一石英窗口、通道和第二石英窗口的紫外光，紫外检测器接收从第二石英窗口发出的紫外光。样品池优选在近室温下工作，其体积不大于约０．２ｃｃ，提高快速瞬态响应和高灵敏度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及气体浓度的定量检测，更具体地说是涉及基于气体与氧化汞反应来检测气体浓度的方法和装置。还原气体检测器是基于待分析的气流流过氧化汞(HgO)加热床的原理来工作的。气流中能够被氧化的气体(称作“还原气体”)与氧化汞反应，产生以下总的反应式中所示的游离汞蒸汽在该反应式中，X代表还原气体，Hg代表游离汞蒸汽。该反应中所产生的汞蒸汽通过在构成紫外分光光度计一部分的样品池内对紫外光的吸收而被检测到。还原气体检测器的一个例子记载在Ostrander的专利号为4,411,867的美国专利中，在此作为参考文献。与氧化汞的反应并不对任何特定的气体种类具有特异性，而是大多数还原气体都能与氧化汞反应产生汞蒸汽。因此想要定量测定特定气体种类的气体测定装置必须结合有一些用于分离待测定的气体种类的方法。这样一种装置即是气相色谱仪，该仪器可随着时间的推移将气体样品分离成单一的种类。更具体地说，这种分离是利用一个气流可贯穿流过的长管或“柱子”而得到的。从柱中排出的气流与还原气体检测器相通，而用于将精确体积的样品气体注射到气流中的装置位于柱的上部。柱子本身填充有粒状物质，该物质具有根据气体的分子大小或其他化学性质将包括样品的不同气体分离的特性。在含有分子筛材料的柱中，小分子(例如H2)比大分子(例如CO)能够更快地穿过柱子。因此将意识到，这些性质上的差异使得样品的每个种类或成分在不同的时间穿过柱子进入检测器，并且气体种类以一系列的高斯形浓度“峰”的形式被检测到。从单个样品注射到柱中开始，每个峰在一个特征时间到达检测器并且峰本身基本上是由单一种气体组成的。每个峰的高度或每个峰下面的积分面积就代表该种气体的浓度。在现有技术中，还原气体检测器典型地是在150-300℃的温度下操作的，以便加速与氧化汞的所需反应。在这个温度范围内加热样品池和氧化汞床，从而防止汞冷凝到样品池的内表面上。正如本领域的普通技术人员所公知的，汞蒸汽可快速冷凝和粘附到相对冷的表面上。汞在样品池内的冷凝可导致样品池的平衡减慢，从而改变了汞的浓度并因此推迟还原气体检测器的时间响应。另外，紫外样品池包括允许紫外光照射穿过样品池透射的石英(即纯SiO2)窗口。汞在石英窗口上的冷凝降低了样品池的光传输，这是由于冷凝在窗口上的汞吸收了紫外线辐射的结果。这会导致分光光度计中的紫外线传感器的信号减弱，并由此产生较高的噪声级。通常，与气相色谱仪一起使用的气体检测器必须具有相对快的响应时间，以便准确地追随由色谱柱产生的浓度峰。另外，典型的气相色谱仪流速是在20-60cc/min的范围内，这个速度比与其他气体测定技术(例如连续分析仪)相关的流速(即500-2000cc/min)慢得多。因此气相色谱检测器优选的是具有较小的内部体积，以便使浓度平衡时间最少，从而可快速改变气体浓度并减小以上所述的流动气体的冷凝。现有技术的样品池，当作为连续取样分析仪的样品池的例子时，其需要相当大以便容纳大量的穿过检测器的气流。现有技术中的连续取样分析仪样品池的大直径还可透射相对大量的紫外光辐射，这对于减小检测器输出信号中的噪声级是需要的。用于色谱检测器的现有技术中的样品池比那些用于连续取样检测器的样品池小，但是其尺寸还限制在最小直径为0.15cm，最大长度为10cm，这个尺寸还能够透射适量的穿过样品池通道的紫外光。即，样品池通道的直径保持相当大而样品池的长度保持相当短，从而使足够量的来自紫外光源的光线穿过样品池并且还能够被紫外(UV)传感器检测到。这是因为紫外光源是非相干的并且因此使撞击紫外检测器的光线的量直接与样品池通道的直径成正比，而与样品池长度的平方成反比。因此，在现有技术中短而直径大的样品池是正常的。现有技术中色谱检测器样品池的温度与氧化汞床的温度保持一样，即实际上是在265-285℃的范围内。由于这个温度相当高，因此样品池的光学窗口是由相对长的石英棒(大约5cm长)构成的以便使较热的样品池与对温度敏感的紫外灯和光传感器分离开。透射穿过这些棒的紫外光的量也取决于棒的温度，因此，石英棒温度的微小变化会影响撞击紫外传感器的光线的量。现有技术中被加热的检测器样品池的棒的对流冷却的微小偏差就会因此导致透过样品池的光的偏差，而该偏差并不是由于汞蒸汽的浓度产生的。这些偏差的总的作用是增大了光传感器的输出信号的漂移和噪声。将因此而意识到，现有技术中的色谱样品池的性能受限于a)为了透射适量的紫外光所需的相对大的样品池直径和较短的长度；b)由于其直径和长度而导致样品池的相对大的冷凝表面积；c)包含石英棒的光学窗口所需的相对高的样品池温度，该温度增大了检测器输出信号的由热引发的漂移和噪声。由于汞检测的灵敏度直接与样品池的长度成正比，因此当可以忽略其他因素(例如在理想的样品池通道上传输的气体中的光线的量)时，理想的样品池应该是无限长并具有零直径、零内部体积和零内表面积。另外，光学样品池窗口如果被加热，那么理想的是其应该无限薄并因此而没有产生热对流误差的倾向。本专利技术的一个优选实施方案是针对一种改进的用于检测低流速载气中的汞蒸汽的分光光度计。因而，它非常适合于能够在加热的氧化汞床上被还原的气体种类的气相色谱议。与现有技术中的样品池相比，本专利技术的改进的分光光度计的样品池长而薄。由于其内表面积较小，因此无需加热样品池，从而可使用非常薄的光学样品池窗口，并且基本上没有产生热对流误差的倾向。本专利技术使得强紫外光源的温度稳定，从而可提供足够的低噪声的紫外光穿过长而薄的样品池。因而，本专利技术的方法和装置提供了一种快速、高灵敏和可靠的分光光度计。因此本专利技术的一个优选实施方案是关于通过测定由气体在与加热的氧化汞床发生的还原反应过程中产生的汞蒸汽的光谱吸收来检测这些气体的较小浓度。该装置包括一个加长的圆柱形样品池，此样品池优选地可在室温下操作，并且最好具有一个长的通道以便增加分光光度计的灵敏度。在样品池的每个端部设置有一个石英窗口部件，从而使紫外光直射入第一窗口部件，穿过样品池通道并从第二窗口部件出来撞击紫外检测器。由于样品池非常长并且其长度与通道直径成比例，因此已经无需加热样品池。优选的是，样品池可由不锈钢、铝或硼硅酸盐玻璃制成。还优选的是，样品池的长度与贯穿样品池的通道直径的比例至少为100∶1，因此可减小汞在其上冷凝的内表面积并增加样品池的灵敏度。石英窗口部件优选地配有单独的加热器以便有助于窗口上冷凝物的蒸发。紫外灯也优选地配有加热器、散热器和闭环控制系统以便将灯的温度保持在精确的限制范围内。该加长的样品池最好以V形断面槽的排列方式安置，以便提供一条贯穿样品池通道的直的光路。因此将意示到，本专利技术的分光光度计包括一个细长的、具有第一端部、第二端部和一个在第一端部和第二端部之间延伸的细长通道的样品池。优选的是，样品池的长度与通道的横向尺寸的比例至少为100∶1。而且，样品池最好保持在大约室温下。第一石英窗口部件位于样品池的第一端部并且具有与邻近第一端部的通道相通的第一孔，而第二石英窗口部件位于样品池的第二端部并且具有与邻近第二端部的通道相通的第二孔。设置一个电磁辐射源(最好是紫外辐射)，以便穿过第一石英窗口、通道和第二石英窗口发射电磁辐射，并且设置一个电磁辐射检测器(最好是紫外检测器)，以便接收穿过第二石英窗口发出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分光光度计，包括： 一个在大约１５０℃以下的温度下操作的细长样品池，该样品池具有第一端部、第二端部以及在所述第一端部和所述第二端部之间延伸的细长通道，所述细长通道具有一个横向尺寸，其中所述样品池的长度与所述横向尺寸的比例至少为１００∶１； 一个位于所述样品池的所述第一端部的第一石英窗口部件，该窗口部件具有与邻近所述第一端部的所述通道相通的第一孔； 一个位于所述样品池的所述第二端部的第二石英窗口部件，该窗口部件具有与邻近所述第二端部的所述通道相通的第二孔； 一个用于发射穿过所述第一石英窗口、所述通道和所述第二石英窗口的电磁辐射的电磁辐射源；以及 一个用于接收由所述的电磁辐射源发射的穿过所述第二石英窗口的电磁辐射的电磁辐射检测器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：克林顿R奥斯特兰德，戴尔G奥哈拉二世，查克麦克道尔，史蒂文J哈特曼，
申请(专利权)人：痕量分析公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]