Кварцевая горелка для ИСП-ОЭС и ИСП-МС: типы, принципы работы и устройство

Содержание

Кварцевая горелка — узел спектрометра ИСП-ОЭС или ИСП-МС из трёх концентрических трубок кварцевого стекла, в котором аргоновая индуктивно-связанная плазма с температурой 6000-10000 K возбуждает атомы пробы для элементного анализа. Внешняя трубка подаёт плазмообразующий аргон с расходом 12-18 л/мин, промежуточная — вспомогательный поток 0.5-1.5 л/мин, внутренний инжектор несёт аэрозоль пробы с потоком 0.5-1.2 л/мин. Корпус изготавливается из кварцевого стекла марок КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86 с чистотой SiO₂ ≥ 99.99%; инжектор для проб с HF-кислотой выполняется из Al₂O₃, поскольку плавиковая кислота травит кварц. ВЧ-генератор работает на частоте 27.12 МГц или 40.68 МГц с мощностью 0.7-1.5 кВт, индукционная катушка ионизирует аргон и формирует плазменный факел над срезом горелки. Ресурс узла — 200-2000 часов в зависимости от матрицы пробы: для чистых водных растворов до 2000 часов, для высоких TDS и органики 200-500 часов.

Базовая геометрия кварцевой горелки предложена Велмером Фасселем в Iowa State University в 1964-1974 годах и с тех пор остаётся стандартом для ICP-OES и ICP-MS — концентрическая схема Fassel задаёт радиально-симметричный поток аргона и устойчивое положение факела над срезом. Кварцевая горелка применяется в анализе руд, сталей, сточных вод, фармацевтических субстанций и биоматериалов по методикам ISO 11885, EPA 6010 и ПНД Ф.

Где применяется кварцевая горелка

Два метода элементного анализа держатся на ИСП-плазме, возбуждаемой в кварцевой горелке: ИСП-ОЭС (атомно-эмиссионная спектроскопия) с пределами обнаружения 0.1-10 мкг/л и ИСП-МС (масс-спектрометрия) с пределами 0.001-0.1 мкг/л. В ИСП-ОЭС регистрируется эмиссия фотонов возбуждённых атомов в диапазоне 165-852 нм, в ИСП-МС ионы из плазмы вытягиваются через сэмплер-конус в масс-анализатор. Одна и та же кварцевая горелка ICP работает в обеих схемах, меняется только тракт после плазменного факела.

Отрасли, где кварцевое стекло применяется в аналитических лабораториях и кварцевая горелка для спектрометра закрывает рутинный анализ:

• Геология и геохимия — определение Au, Ag, Pt, Pd, REE в рудах и горных породах после кислотного разложения смесями HNO₃ + HCl или сплавления.
• Металлургия — контроль легирующих и примесных элементов (Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si, P, S) в сталях и сплавах, чистота цветных металлов до 4N-5N.
• Экология — анализ сточных и природных вод по 30+ элементам, контроль тяжёлых металлов в почвах и донных отложениях.
• Фармацевтика — определение элементных примесей (Pb, Cd, As, Hg, V, Co и др.) по фармакопеям USP <232>/<233>, ICH Q3D.
• Биология и пищепром — Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Se в биоматериалах, кормах, продуктах питания.

Конструкция кварцевой горелки совместима с обеими геометриями наблюдения плазмы — радиальной и аксиальной; выбор геометрии определяется типом задачи и матрицей пробы, а детальный разбор различий дан в разделе о марках горелок.

Конструкция и принцип работы кварцевой горелки

Конструкция — три концентрические трубки

Схема конструкции кварцевой горелки — три концентрические трубки с расходами аргона

Три соосные трубки кварцевого стекла, вставленные одна в другую и зафиксированные на общем основании, формируют рабочий узел ИСП-спектрометра. Внешний диаметр сборки — 18-22 мм, общая длина 100-150 мм. Корпус выполняется из марок КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86 с химической чистоты SiO₂ не ниже 99.99%, для проб с HF внутреннюю трубку заменяют на инжектор из Al₂O₃.

Базовая геометрия восходит к работам Velmer Fassel (Iowa State University, 1964-1974) — именно он предложил концентрическую схему с радиально-симметричным потоком аргона, которая закрепилась как промышленный стандарт ИСП-ОЭС и ИСП-МС. Альтернативная схема с раздельной подачей газов, разрабатывавшаяся независимо в Великобритании в тот же период, в серийных приборах почти не встречается.

Каждая трубка отвечает за свой газовый поток и свою физическую задачу. Внешняя несёт основную массу аргона и удерживает плазменный факел вдали от стенок. Промежуточная поднимает плазму над срезом инжектора на 1-3 мм, что предотвращает оплавление кварца. Внутренняя — инжектор, подаёт аэрозоль пробы из распылителя и распылительной камеры точно в центральный канал плазмы.

Кварцевая горелка с инжектором подбирается под тип пробы по диаметру центрального канала:

• 1.0 мм — летучая органика, низкие концентрации, риск засорения при высоких TDS;
• 1.5 мм — универсальный размер для большинства водных матриц по ISO 11885;
• 2.0-2.5 мм — высокосолевые растворы, биоматериалы, гидролизаты с TDS до 1.5%.

Вся сборка помещается в водоохлаждаемую медную индукционную катушку из 2-3 витков, по которой циркулирует ВЧ-ток. Зазор между внешней трубкой и катушкой минимален; концентричность инжектора относительно оси катушки задаёт стабильность плазменного факела, и при отклонении более 0.3 мм наблюдается дрейф интенсивности эмиссионных линий.

Принцип работы — ВЧ-плазма и возбуждение атомов

Стадии процесса в плазме кварцевой горелки ИСП — от десольватации до эмиссии фотонов

ВЧ-генератор подаёт переменный ток частотой 27.12 МГц или 40.68 МГц на индукционную катушку при мощности 0.7-1.5 кВт. Переменное магнитное поле наводит в потоке аргона вихревые токи. Затравочный разряд от пьезоискры даёт первые свободные электроны, после чего ионизация лавинно нарастает и стабилизируется тороидальный плазменный факел с температурой 6000-10000 K в зоне индукции. Чистота аргона по стандарту лабораторной практики — 99.998% (марка «высший сорт»); примеси N₂ и O₂ выше 20 ppm снижают температуру факела и уводят матричные эффекты.

Аэрозоль пробы из распылителя проходит по инжектору и попадает в центральный канал плазмы, где проходит пять последовательных стадий:

1. Десольватация — испарение растворителя из капель аэрозоля при 6000-8000 K, формирование сухих солевых частиц размером 1-10 мкм.
2. Атомизация — термическое разрушение солей и молекул до свободных атомов.
3. Ионизация — отрыв внешних электронов с образованием однозарядных ионов; степень ионизации для большинства металлов превышает 90%.
4. Возбуждение — переход электронов на более высокие энергетические уровни за счёт столкновений с электронами плазмы.
5. Эмиссия или масс-анализ — для ИСП-ОЭС возбуждённые атомы и ионы испускают фотоны на характеристических длинах волн в диапазоне 165-852 нм, для ИСП-МС ионы извлекаются через интерфейс с конусами-самплером и скиммером в квадрупольный или времяпролётный масс-анализатор.

Геометрия наблюдения (радиальная или аксиальная) влияет на пределы обнаружения и устойчивость к матрице, но не меняет конструкцию горелки — это параметр оптической схемы прибора. Время пребывания частиц пробы в плазме — около 2 мс, чего хватает для полной атомизации даже тугоплавких оксидов.

Ограничения и деградация — что разрушает кварцевую горелку

Таблица ресурса кварцевых горелок по типу матрицы пробы — от 200 до 2000 часов

Кварц инертен к большинству кислот, но имеет три критичные уязвимости: фтор-ион, восстановительная атмосфера от органики и кристаллизация солей в зоне испарения. Все три механизма проявляются именно на инжекторе — самой нагруженной части сборки, через которую идёт аэрозоль.

HF и фторидные растворы травят SiO₂ с образованием SiF₄ и H₂SiF₆; кварцевый инжектор в такой матрице теряет геометрию канала за десятки часов. Высокая органика (растворители, нефтепродукты, биологические гидролизаты) оседает на стенках в виде углеродного слоя, перекрывает проход и меняет температуру в зоне десольватации. Высокий TDS даёт кристаллический налёт хлоридов и сульфатов натрия, кальция, магния — канал сужается, расход газа падает, сигнал дрейфует. Отдельный механизм — тепловой удар при холодном пуске без предварительной продувки аргоном; на стекле появляются микротрещины, и через 5-20 циклов трубка лопается по основанию.

Полностью разборная конструкция меняет экономику: при заклинившем инжекторе из строя выходит сменный узел за 4-12 тыс. ₽, а не вся горелка за 60-180 тыс. ₽. Для лабораторий с переменными матрицами разборный вариант окупается уже на третьей-четвёртой замене.

Классификация марок кварцевых горелок по разборности и обзору

Сравнение типов кварцевых горелок — неразборная, полуразборная и разборная горелка ИСП

Разброс цен на рынке между крайними типами кварцевых горелок достигает 22 раз: от 8 000 ₽ за неразборный моноблок до 180 000 ₽ за полностью разборную конструкцию с керамическим интермедиатом. Различие определяется не «качеством стекла» (марка кварца у всех типов одна — КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86), а количеством сменных узлов и геометрией промежуточной трубки.

Неразборная горелка (one-piece) спаяна из трёх трубок в единый узел. При выходе из строя любого элемента — трещина внешней, оплавление инжектора, кристаллизация солей — горелка меняется целиком. Полуразборная (semi-demountable) допускает съём только инжектора: его меняют отдельно при засорении, что важно для лабораторий с высокой долей органических и солевых матриц. Полностью разборная кварцевая горелка (fully demountable) собирается из трёх независимых трубок и керамического интермедиата (Al₂O₃), фиксирующего соосность; меняется любой элемент, включая инжектор из Al₂O₃ под пробы с HF.

Второй параметр выбора — геометрия обзора плазмы. Радиальный обзор (плазма наблюдается сбоку) даёт меньший фон, лучше работает на сложных матрицах и используется в ИСП-ОЭС с TDS > 0.5%. Аксиальный обзор (плазма наблюдается вдоль оси) даёт чувствительность в 5-10 раз выше, но требует более частой чистки конуса. Современные приборы Agilent 5800/5900, PerkinElmer Avio, Thermo iCAP, Shimadzu ICPE-9800 и Spectro ARCOS поддерживают переключение Dual View; марка кварцевой горелки подбирается под конкретный режим и посадочный размер катушки. Альтернативная схема Meinhard с раздельной подачей газов в серийных ИСП-приборах встречается редко — большинство производителей придерживается геометрии Fassel.

Размеры и обозначения

Типовой ряд диаметров инжектора в кварцевой горелке для спектрометра — 1.0, 1.5, 2.0 и 2.5 мм. Общая длина корпуса укладывается в 100-150 мм, посадочный диаметр внешней трубки 18-20 мм под стандартное гнездо большинства ИСП-приборов.

Узкий канал 1.0 мм держит малый расход несущего газа и стабильный аэрозоль — выбор для летучей органики, растворителей и проб с низкими концентрациями. Обратная сторона: засорение при первой же солевой матрице. Стандарт 1.5 мм закрывает основной объём задач: водные растворы, разбавленные кислоты, пищевые и экологические пробы по ISO 11885. Широкий инжектор 2.0-2.5 мм работает на высоких TDS (морская вода, рассолы, технологические стоки) — канал не зарастает кристаллизованной солью, ресурс растягивается на сотни часов.

Маркировка кварцевой горелки у производителя содержит марку кварца (КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86), диаметр инжектора в миллиметрах и тип сборки. Под нестандартные приборы и лабораторные стенды диаметр инжектора задаётся в ТЗ — мы выпускаем кварцевые трубки с допуском на концентричность ±0.05 мм и собираем кварцевые горелки по чертежам заказчика.

Нормативная база, стандарт,  ГОСТы и методики ИСП

Производство и применение кварцевых горелок опираются на три уровня документов: стандарт на материал, международные методики измерений и российские аттестованные методики ПНД Ф. Без привязки к этим документам лаборатория не сможет аккредитоваться и выдавать протоколы с юридической силой.

Материал корпуса кварцевой горелки регламентирует ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое». Стандарт описывает четыре марки — КУ-1, КУ-2, КВ, КИ — и задаёт требования по содержанию примесей, оптическим характеристикам и термостойкости. Для горелок ИСП используют кварцевого стекла КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86 (КУ-1 — синтетический кварц с минимумом гидроксильных групп, КВ — плавленый из природного сырья) с чистотой SiO₂ не ниже 99.99%. Именно такая чистота исключает фоновое излучение по линиям Fe, Al, Na, которое искажает аналитический сигнал при работе на пределах обнаружения.

Методическая база разделена на международную и российскую. ISO 11885 описывает определение 33 элементов в природных, питьевых и сточных водах методом ICP-OES — это базовый стандарт для экологических лабораторий. EPA 6010 (версии C и D Агентства по охране окружающей среды США) задаёт ту же методику для отходов и почв. В России действуют ПНД Ф 14.1:2:4 на основе ИСП — серия аттестованных методик для природных и сточных вод, гармонизированная с ISO 11885.

Технические условия (ТУ) на сами кварцевые горелки производители выпускают индивидуально, со ссылкой на ГОСТ 15130-86 по материалу и на ISO/EPA по области применения.

Производство кварцевых горелок

Этапы производства кварцевой горелки — от подбора заготовки до контроля качества

Исходный материал — кварцевое стекло марок КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86 с чистотой SiO₂ не ниже 99.99%. Кварц-Пром — производитель оптических материалов и лабораторного оборудования из кварцевого стекла (с 2004 года, член Ассоциации «Инновационные предприятия РФ», 22 года работы с оптическим кварцем на 2026 год). Производство кварцевых изделий по чертежам заказчика включает кварцевые горелки под конкретную модель спектрометра, нестандартный диаметр инжектора или нетиповую длину.

Технологический маршрут от заготовки до готового изделия:

1. Подбор заготовки. Кварцевая трубная заготовка КУ-1 или КВ отбирается по паспорту: чистота SiO₂, отсутствие пузырей и свилей, соответствие ГОСТ 15130-86. Партии с допусками вне ТУ отбраковываются на входном контроле.
2. Формовка трёх трубок на стеклодувном производстве. Внешняя, промежуточная и внутренняя (инжектор) вытягиваются на стеклодувном посту с газокислородным пламенем. Диаметр инжектора — 1.0, 1.5, 2.0 или 2.5 мм по ТЗ.
3. Выверка концентричности. Три трубки собираются в моноблок или разборный узел; центровка проверяется по оптической оси, допуск на смещение инжектора — десятые доли миллиметра.
4. Отжиг для снятия напряжений. Изделие выдерживается в муфельной печи по ступенчатому графику; остаточные напряжения снимаются, чтобы при тепловом ударе во время розжига плазмы трубка не лопнула.
5. Контроль геометрии. Проверяются концентричность трубок, диаметр канала инжектора, прямолинейность, общая длина (типовая 100-150 мм), толщина стенок.
6. Маркировка. На корпус наносится идентификатор партии и марка кварца.
7. Паспорт качества. На каждое изделие оформляется паспорт с указанием материала, ГОСТ, геометрических параметров и результатов контроля; партия отгружается только после визирования ОТК.

При работе с HF-матрицами в маршрут добавляется операция установки сменного инжектора из Al₂O₃ — кварц плавиковая кислота травит, керамика её держит.

Обработка, монтаж и обслуживание кварцевой горелки

Корректный монтаж кварцевой горелки начинается с центровки инжектора относительно оси водоохлаждаемой индукционной катушки: отклонение более 0.2-0.3 мм провоцирует асимметричный факел и локальный перегрев внешней трубки. Горелка фиксируется в держателе без перекоса, рабочие поверхности кварцевого стекла не касаются металлических элементов катушки.

Перед розжигом систему продувают аргоном чистотой 99.998% в течение 30-60 секунд, чтобы вытеснить кислород и влагу из газовых трактов. Выход на рабочую мощность 0.7-1.5 кВт ведут ступенчато (обычно 200-300 Вт за шаг с паузой 10-20 секунд) — резкая подача полной мощности на холодное стекло даёт тепловой удар и микротрещины в зоне индукции.

Регламент обслуживания:

1. После каждой смены матрицы пробы продувать инжектор деионизованной водой 5-10 минут.
2. При появлении солевых отложений промывать инжектор 5-10% HNO₃ с последующим ополаскиванием деионизованной водой и сушкой аргоном.
3. Категорически не применять плавиковую кислоту (HF) для очистки кварцевых инжекторов — даже разбавленная HF травит SiO₂ и выводит горелку из строя за один цикл.
4. Контролировать концентричность трубок и прямолинейность инжектора при каждой переустановке.
5. Хранить кварцевую горелку в штатном кейсе с ложементом, без касания рабочих поверхностей пальцами; жировые следы выгорают при розжиге и оставляют углеродные пятна.

Признаки износа, требующие замены инжектора или горелки целиком:

• помутнение или белесый налёт на внешней или промежуточной трубке;
• кристаллизация солей и плотные отложения на торце инжектора;
• сужение канала инжектора и рост противодавления несущего газа;
• дрейф сигнала спектрометра и падение интенсивности эмиссионных линий при стабильном стандарте.

Если в аналитическом контуре стоит кварцевый барботер — родственный узел для работы с кислотами, регламент его чистки совмещают с обслуживанием горелки: одинаковая марка кварца и одинаковая чувствительность к HF позволяют унифицировать растворы промывки.

Частые вопросы

Из чего сделана кварцевая горелка?

Кварцевая горелка изготавливается из оптического кварцевого стекла марок КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86 с чистотой SiO₂ не ниже 99.99%. Для проб с плавиковой кислотой кварцевый инжектор заменяют на керамический из Al₂O₃, поскольку HF травит кварц. Корпус и три концентрические трубки выполняются из одной марки стекла для совпадения коэффициентов теплового расширения.

Какая температура в кварцевой горелке ИСП?

Температура в зоне индуктивно-связанной плазмы кварцевой горелки достигает 6000-10000 K, что достаточно для атомизации и ионизации почти всех элементов таблицы Менделеева. ВЧ-генератор работает на частоте 27.12 МГц или 40.68 МГц с мощностью 0.7-1.5 кВт. Внешняя стенка горелки при этом охлаждается потоком плазмообразующего аргона 12-18 л/мин.

Чем отличается разборная горелка от неразборной?

У неразборной (one-piece) кварцевой горелки три трубки спаяны в моноблок, при поломке любого элемента меняется весь узел. Полуразборная конструкция позволяет заменить только инжектор, что снижает стоимость обслуживания при загрязнении центрального канала. Полностью разборная горелка даёт замену всех трёх трубок и керамического интермедиата, её выбирают для тяжёлых матриц с быстрой деградацией.

Какой ресурс у кварцевой горелки?

Ресурс кварцевой горелки составляет 200-2000 часов и зависит от матрицы пробы. Для чистых водных растворов с TDS ниже 0.1% узел отрабатывает 1500-2000 часов, для высокосолевых проб и органики ресурс падает до 200-500 часов. Признаки износа — помутнение трубки, кристаллизация солей на инжекторе, дрейф сигнала спектрометра.

Можно ли использовать кварцевую горелку для проб с HF?

Нет, плавиковая кислота травит кварцевое стекло и за десятки часов разрушает инжектор и внутреннюю поверхность трубок. Для HF-матриц устанавливают сменный инжектор из Al₂O₃ либо полностью керамический узел ввода пробы. Полуразборная или полностью разборная конструкция упрощает такую замену без потери всего корпуса горелки.

Какой расход аргона у ИСП-горелки?

Суммарный расход аргона у кварцевой ИСП-горелки составляет 15-20 л/мин: плазмообразующий поток через внешнюю трубку 12-18 л/мин, вспомогательный через промежуточную 0.5-1.5 л/мин, несущий с аэрозолем пробы через инжектор 0.5-1.2 л/мин. Чистота аргона — не ниже 99.998% (марка «высший сорт») по ГОСТ 10157-2016.

За изготовлением кварцевых горелок по чертежам и индивидуальным размерам — Кварц-Пром, производство по ГОСТ 15130-86, 22 года в отрасли.