李玉晶

（哈爾濱建成集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

對(duì)于像機(jī)械用油、動(dòng)力傳送器用油和其他潤滑用油等這些使用過的以油為基礎(chǔ)的物質(zhì)，要經(jīng)常監(jiān)測(cè)從它們所維護(hù)的部件上沉積出來的顆粒。這些顆粒是由于部件的正常磨損而在油中逐漸沉積形成的。由于這個(gè)原因，對(duì)于使用過的油的分析通常被叫做磨損金屬分析或傾向分析?；诮饘俚某煞趾驮谝欢螘r(shí)間內(nèi)它們積累的速度，這種技術(shù)可以被用來準(zhǔn)確地鑒定和預(yù)測(cè)器件破損。另外也應(yīng)該監(jiān)測(cè)不應(yīng)存在于潤滑液體的外部污染物 (如來自灰塵和污垢中的金屬)。

由于磨損金屬分析的重要性以及在分析過程中儀器數(shù)量的限制，許多高通量的磨損金屬實(shí)驗(yàn)室(包括地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室、食品實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境實(shí)驗(yàn)室)每天要分析成百個(gè)樣品，如果元素。組足夠大，那么這些實(shí)驗(yàn)室只能用具有固定通道的同步處理系統(tǒng)誘導(dǎo)耦合等離子體(ICP)來處理這些樣品，因?yàn)轫樞驕y(cè)定的設(shè)計(jì)不能滿足需要的處理量。

然而，測(cè)定一些低濃度元素，需要綜合實(shí)驗(yàn)室要有能力獲得高量級(jí)樣品處理量。例如，錫和鉛通常情況下是以幾乎ppm級(jí)在油中存在。另外，這兩種元素在等離子體中靈敏度較低。為了達(dá)到所要求的精密度和檢知量，需要長時(shí)間積分。因此，這些元素是決定合適的積分時(shí)間的限制因素，反過來也會(huì)影響總的樣品處理量。結(jié)果，大部分ICP對(duì)磨損金屬樣品的處理分析大約需要1min，也就是一天8h可以分析大約480個(gè)樣品。在這個(gè)數(shù)據(jù)中，包括了校正和周期性標(biāo)準(zhǔn)樣品校驗(yàn)，兩者都進(jìn)一步降低了總的處理量。

本文將說明多通道ICP系統(tǒng)設(shè)計(jì)有可能使得每個(gè)高通過量磨損金屬的分析時(shí)間低于30s。

1 儀器和方法

帶有多通道選擇的高通量、高效率(HT／HP)ICP設(shè)計(jì)被用于所有的分析。該系統(tǒng)由23個(gè)分析通道組成，能夠分析所有需要的有關(guān)元素。另外，每一通道的增益都是獨(dú)立的，在濃度范圍內(nèi)具有最大的變通性。與單獨(dú)的檢測(cè)器的高動(dòng)態(tài)范圍相結(jié)合，免去預(yù)測(cè)來決定什么元素濃度高。

為獲得最高可能靈敏度，儀器設(shè)計(jì)為軸向觀測(cè)模式。另外，使用了由一個(gè)氣旋噴霧室和V型槽噴霧器組成的高靈敏度進(jìn)樣系統(tǒng)。這種組合使用較短的積分時(shí)間對(duì)于所有元素的峰(on peak)測(cè)量時(shí)間都是 ls，背景校正時(shí)間是 0.5s。

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣品來源于多元素原料溶液和基礎(chǔ)油 (Conostan S-21和Conostan 75基礎(chǔ)油，Conostan。 Ponca City，OK)。在本實(shí)驗(yàn)中樣品油用煤油稀釋5倍。所有的濃度數(shù)據(jù)指未被稀釋的樣品。油樣品和用于驗(yàn)證檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)樣品來源于一家獨(dú)立的磨損金屬實(shí)驗(yàn)室。

2 結(jié)果和討論

2.1 軸向觀察

獲得高通量、高效率的磨損金屬分析系統(tǒng)的第一步是將傳統(tǒng)的觀測(cè)方向由徑向轉(zhuǎn)為軸向，這樣靈敏度將隨著元素的不同而提高5?20倍。圖1表明轉(zhuǎn)換成軸向方式靈敏度提高了2ppm。

由于ICP的設(shè)計(jì)使等離子體在有機(jī)樣品中遇到的一些困難，軸向觀測(cè)的等離子體通常被用于水溶性樣品。多通道HT／HP ICP系統(tǒng)使用一個(gè)對(duì)有機(jī)溶液有非常高的承受能力的水冷卻的自由流動(dòng)振蕩器。另外，該系統(tǒng)采用切變氣體除去等離子體中的復(fù)合區(qū)。這種結(jié)構(gòu)比利用反向流動(dòng)流的設(shè)計(jì)或者是結(jié)合超長火炬(火炬在溫度過高的情況下很容易被損壞)的高流速抽取系統(tǒng)更適用于有機(jī)溶劑。

2.2 進(jìn)樣

第二步是用氣旋的設(shè)計(jì)代替Scott雙傳遞噴霧室。它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，氣旋噴霧室效率更高。信號(hào)比Scott噴霧室要增加3倍；其次，氣旋噴霧室具有更小的內(nèi)部體積，并且能更快地被洗出。

該噴霧器裝置采用的是V型槽(Leeman實(shí)驗(yàn)室)設(shè)計(jì)。這種噴霧器由惰性高分子聚合物做成，能夠抵抗用于磨損金屬分析的溶劑的腐蝕。另外，這個(gè)設(shè)計(jì)能夠處理含有大顆粒的樣品而不會(huì)發(fā)生堵塞。

2.3 樣品的攝取和沖洗

建立高通量、高性能磨損金屬分析系統(tǒng)的最后一步是減少樣品攝取和沖洗循環(huán)所用的時(shí)間。由于這個(gè)ICP系統(tǒng)所用的積分時(shí)間很短，這一循環(huán)所用的時(shí)間就成為決定處理量的限制因素。

HT/HP通過三個(gè)方面使這個(gè)循環(huán)時(shí)間達(dá)到最小。首先，氣旋噴霧室小的內(nèi)部體積減少了沖洗所需要的時(shí)間；第二，在樣品攝取過程中，蠕動(dòng)泵被置于最大速度，使樣品加速到達(dá)噴霧器；第三，一種流水作業(yè)式的樣品攝取操作選項(xiàng)被應(yīng)用于系統(tǒng)軟件。這一選項(xiàng)允許用戶指定時(shí)間，在樣品分析完成之前，將自動(dòng)進(jìn)樣器的探針?biāo)突貨_洗位置，開始下一次循環(huán)。因此，系統(tǒng)在同一時(shí)間完成兩步操作：分析當(dāng)前樣品和為下一個(gè)樣品沖洗。由于以上這些因素，分析單一樣品所需的時(shí)間少于30s。

3 分析效率

除了增加樣品處理量之外，HT/HP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求其分析效率不能低于傳統(tǒng)的徑向磨損金屬分析系統(tǒng)。這篇文章包含的數(shù)據(jù)表明，其效率確實(shí)有所提高。

3.1 校準(zhǔn)

圖2和圖3是典型的帶有精確數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)曲線。圖上的每一點(diǎn)都是由兩次重復(fù)測(cè)定(每次測(cè)定包括兩次積分)平均得到的。所選擇的兩種元素是錫和鉛，由于它們固有的低靈敏度和在實(shí)際樣品中的較低含量，在磨損金屬測(cè)定中是最有問題的。隨著利用HT／HP系統(tǒng)觀測(cè)到的靈敏度的提高，這兩種元素與其它元素具有近似的精確度。對(duì)于所有元素，非零校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的精確度總是小于1%。與樣品樣，對(duì)每一次重復(fù)測(cè)量、分析單一校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間都小于30s。

3.2 穩(wěn)定

對(duì)磨損金屬分析系統(tǒng)的最后測(cè)試的是它的穩(wěn)定性。如果由于漂移引起的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤，樣品需要經(jīng)常再運(yùn)行，那么尋求高的樣品處理量就毫無意義。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一方面部會(huì)影響穩(wěn)定性??光學(xué)元件、RF供電源和進(jìn)樣都很關(guān)鍵。系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境變化的補(bǔ)償能力也有嚴(yán)格的要求??磨損金屬實(shí)驗(yàn)室并不總是設(shè)置等離子體分光儀的一個(gè)理想場(chǎng)所。

HT/HP系統(tǒng)的穩(wěn)定性是通過對(duì)從一家磨損金屬實(shí)驗(yàn)室獲得的使用過的機(jī)械用油進(jìn)行完整的分析結(jié)果來進(jìn)行測(cè)定的。這些樣品用煤油稀釋。25ppm(稀釋后實(shí)際為5ppm)的標(biāo)準(zhǔn)被作為一個(gè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。每隔10個(gè)樣品分析一次，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果必須在±10%范圍內(nèi) (這一范圍比所需要的要嚴(yán)格，許多油實(shí)驗(yàn)室使用的范圍是±12%?±15%)。如果某一元素超出這個(gè)范圍，需對(duì)系統(tǒng)重新校準(zhǔn)，將從上?次檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)正確的地方起對(duì)所有做過的樣品進(jìn)行重新分析。15min預(yù)熱后，系統(tǒng)被校準(zhǔn)，開始分析樣品。

經(jīng)過8h運(yùn)行，所有的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果如圖4所示，這可說明HT／HP系統(tǒng)的穩(wěn)定性：在全部875個(gè)被分析的樣品中沒有一個(gè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)失敗，沒有返工或重校準(zhǔn)發(fā)生。在這次運(yùn)行中，包括所有的樣品和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，分析總數(shù)是956。這個(gè)處理量和效率水平表明，HT／HP系統(tǒng)能夠很好地滿足磨損金屬分析實(shí)驗(yàn)室的需要。

4 結(jié)論

對(duì)于潤滑液體中的磨損金屬分析既是向等離子光譜儀的一種挑戰(zhàn)，也是它的普通應(yīng)用。一般來說，對(duì)于這種類型樣品的實(shí)驗(yàn)室，要求能進(jìn)行準(zhǔn)確、高處理量的分析，為客戶提供快速的重復(fù)分析時(shí)間。HT/HP系統(tǒng)設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下提供了高的樣品處理量和最佳的準(zhǔn)確性和精度。