纵向磁场横向加热石墨炉塞曼原子吸收光谱仪器的商品化进程优化

上面提到，由L'vov原理炉发展到HGA-70型商品石墨炉，是属于原创性研究开发课题。与前者不同，纵向磁场横向加热石墨炉塞曼原子吸收光谱仪器的商品化，为创新性研究开发课题，难度虽比前者小一些，但也可看作原理样机走向商品化的另一个典型范例。

1988年，荷兰学者Loos与de Galan发表了纵向磁场横向加热石墨炉原子吸收光谱仪器研究的文章，其实早在1985年Slavin访问中国广州时，就谈及正在与荷兰学者Loos与de Galan合作研究开发此项技术。1990年Perkin-Elmer公司推出了ZL4100型纵向磁场横向加热石墨炉原子吸收光谱商品化仪器，从时间上先后也经历了6～7年。技术准备方面时间就更长些，Loos与de Galan早在1980年就发表文章提出，纵向磁场调制方式是塞曼原子吸收光谱仪器中有发展潜力的一种调制方式[13]，纵向磁场调制方式省去了光路中的偏光元件，从理论上讲，空心阴极灯（HCL）的辐射光能量应该没有损失。文献报道了纵向与横向磁场调制方式性能比较的实验研究，使用了漏磁最小的E形电磁铁（如图1.6所示），B=1.0T，纵向磁场的磁极隙12mm，Massmann型石墨管的长度必须小于12mm。HCL的辐射光束还必须通过石墨管两端的磁铁磁极中心长度为84mm×3mm（直径）的两个长孔［如图1.6（a）所示］。与横向磁场比较，虽然光路中省去了偏光元件，但能量损失还是很大，加上石墨管长度又小于12mm，不仅在信噪比方面没有什么改善，在分析灵敏度上也差了一倍多。文献向读者阐明了在纵向磁场电磁铁的设计（在保证磁感应强度达到要求的条件下，应尽量增大磁极极隙的宽度）、磁铁极隙与石墨炉原子化器之间的匹配两个方面是解决这一问题的关键所在。1988年de Galan等发表了关于原子吸收光谱仪器中原子化器炉型设计研究的文章[14]，说明了他在横向加热石墨炉结构设计制作研究方面取得了突破性进展，也取得了能实际应用的成果。在1988年，他们就发表了横向加热石墨炉纵向磁场调制塞曼原子吸收光谱仪器研制成功的文章[15]。

图1.6　用E形电磁铁构成的横向与纵向磁场ZAA系统及E形电磁铁结构示意图

文章详细介绍了纵向磁场电磁铁—横向加热石墨炉原子化器系统的结构，仪器的性能与获得的分析数据，并与横向磁场调制—纵向加热石墨炉（即Massmann炉）进行分析比较。要点如下：

①纵向磁场极隙宽度为21mm，磁感应强度Bmam=1T，横向加热石墨管长17mm。图1.7中（a）为纵向磁场—横向加热石墨炉系统电磁铁磁极与横向加热石墨管之间位置关系与光束通过电磁铁、石墨管情况；（b）标出了电磁铁的有关尺寸、线圈、氩气入口、与电磁铁极隙分开的移动机构；（c）为横向加热石墨管。与1980年文献报道的工作比较，电磁铁极隙由12mm增大为21mm，磁感应强度Bmam仍保持为1T。将电磁铁由E形改为C形，还加大了轭铁的尺寸，并将电磁铁的线圈绕在电磁铁锥形磁极部分（磁极端部直径15mm），两线圈之间距离为19mm，比极隙21mm还窄2mm［图1.7中（a）、（b）所示］，这种设计保证了磁铁极隙空间内的磁感应强度大、分布均匀、漏磁小，测量得到的在极隙内中心沿光路的磁感应强度分布曲线如图1.8所示。

图1.7　纵向磁场—横向加热石墨炉系统结构及磁隙中的磁场分布示意图

②横向加热石墨管的形状如图1.7（c）所示，石墨管长17mm，内径5.7mm。(www.xing528.com)

③关于光束通过电磁铁小孔通道在图1.7（a）已有标示，极隙端面孔的直径为5mm，两边轭铁小孔通道的出口直径为16mm，整个小孔通道成喇叭状，基本上避免了光源辐射光束通过时的损失。两条小孔通道长度相同，大约为90mm。用直径从16～5mm由大到小的不同直径的钻头加工而成。系统的内气（氩气）入口如图1.7（b）所标示，要使氩气充满两边轭铁中喇叭状的小通道，系统的外气是由石墨管的底部通入。

④除了在B=0测量AA+BG，B=Bmax时测量BG+AA（部分）；还增加了在B=B1时测量AA+BG，B=Bmax时测量BG+AA（部分）。B1是可以选择的，分为五档：0T、4.5T、5.0T、5.5T、6.0T。增加的这一部分的功能是扩展了工作曲线的浓度范围，是由降低分析灵敏度得到的。在仪器商品化时，将这部分功能去掉了。

⑤文章通过实验数据的分析比较，说明选择的分析线是在塞曼分裂中，其σ成分比较复杂，且有精细结构的元素，即Ag、Cd、Tl、Bi、Be和Cu，分析测试结果列在表1.1中。用符号LHGF表示纵向加热石墨炉，THGF表示横向加热石墨炉。横向磁场调制方式仪器为P-E Zeeman 5000型，纵向加热石墨炉是HGA-500型。

为进行比较，纵向磁场的Bmax为0.8T，与P-E Zeeman 5000型相同。表1.1的数据表明，用峰高测量方式，表中6个元素7条分析线，除Bi 223.1nm的LHGF和THGF的吸光度相差一倍外，其余基本相近似。而用积分测量方式时，THGF（17mm）的特征质量m0比LHGF（28mm）的m0大两倍左右，这一点与Frech等的实验数据相一致。文章对相对灵敏系数R（即ZAA与NAA的m0之比率）也作了比较，各元素的R值在THGF（17mm）与LHGF（28mm）中基本相近似。严格地讲，这样比较纵向与横向磁场塞曼调制仪器的结果，条件尚不充分。因为二者有一系列的实验参数都不同，甚至有很大的差异。但这些结果毕竟有一定的参考意义，对于证明纵向磁场横向加热炉塞曼原子吸收光谱仪器能成功应用于痕量金属元素的分析有着不可替代的重要意义。

图1.8　纵向磁场磁铁极隙内中心沿光路的磁感应强度曲线

表1.1　纵向磁场横向加热石墨炉与横向磁场纵向加热石墨炉特征质量 m0/pg