Nebulizador analítico - Analytical nebulizer
El término general nebulizador se refiere a un aparato que convierte líquidos en una fina niebla. Las boquillas también convierten los líquidos en una fina niebla, pero lo hacen mediante presión a través de pequeños orificios. Los nebulizadores generalmente usan flujos de gas para administrar la niebla. La forma más común de nebulizadores son los aparatos médicos como los inhaladores para el asma o latas de pintura en aerosol. Los nebulizadores analíticos son una categoría especial ya que su propósito es entregar una fina niebla a los instrumentos espectrométricos para el análisis elemental. Son partes necesarias de la espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente ( ICP-AES ), la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) y la espectroscopia de absorción atómica (AAS).
Aplicaciones
Los nebulizadores analíticos se utilizan en el análisis de oligoelementos. Este tipo de trabajo juega un papel importante en áreas de estudio clínico y farmacéutico, evaluación biológica, ambiental y agrícola y pruebas de petróleo. También tienen aplicaciones nucleares.
Diseños de nebulizadores
La mayoría de los nebulizadores neumáticos analíticos utilizan el mismo principio esencial ( inducción ) para atomizar el líquido: cuando el gas a una presión más alta sale de un pequeño orificio (el orificio) hacia el gas a una presión más baja, forma un chorro de gas en la zona de presión más baja, y empuja el gas de menor presión lejos del orificio. Esto crea una corriente en la zona de gas de menor presión y atrae parte del gas de menor presión hacia el chorro de gas de mayor presión. En el orificio, la aspiración del gas de menor presión crea una succión considerable, dependiendo la extensión de las presiones diferenciales, el tamaño del orificio y la forma del orificio y del aparato circundante. En todos los nebulizadores neumáticos de inducción, la succión cerca del orificio se utiliza para llevar el líquido al chorro de gas. El líquido se rompe en pequeñas gotas en el proceso.
Los actuales diseños de nebulizadores neumáticos de inducción se dividen en 5 categorías: 1. Concéntrico: flujo de líquido rodeado por un flujo de gas o flujo de gas rodeado por un flujo de líquido; 2. Flujo cruzado: flujo de gas en ángulo recto con el flujo de líquido; 3. Arrastrado: Gas y líquido mezclados en el sistema y emitidos como un flujo combinado. 4. Babington y ranura en V: el líquido se esparce sobre una superficie para disminuir la tensión superficial y se pasa por un orificio de gas; 5. Ruta paralela: el líquido se entrega junto a un orificio de gas y la inducción empuja el líquido hacia la corriente de gas.
Los nebulizadores de no inducción más nuevos incluyen 3 categorías más: 6. Trayectoria paralela mejorada: el líquido se suministra junto a un orificio de gas y se introduce en la corriente de gas mediante la tensión superficial a lo largo de un pico; 7: Flujo borroso: el líquido se inyecta a presión en una corriente de gas; 8. Malla vibratoria: el líquido se empuja a través de pequeños orificios mediante una placa ultrasónica vibratoria.
Nebulizadores de inducción
Nebulizadores concéntricos
Los nebulizadores concéntricos tienen un capilar central con el líquido y un capilar externo con el gas. El gas atrae el líquido hacia la corriente de gas a través de la inducción, y el líquido se rompe en una fina niebla a medida que se mueve hacia la corriente de gas. En teoría, el gas y el líquido pueden intercambiarse con el gas en el centro y el líquido en el capilar externo, pero generalmente funcionan mejor con el gas afuera y el líquido adentro. La primera patente concéntrica canadiense fue la patente canadiense nº 2405 del 18 de abril de 1873. Fue diseñada para proporcionar una mejor pulverización de aceite en un quemador. El diseño es más grande pero esencialmente el mismo que el de los nebulizadores analíticos modernos. El primero desarrollado para espectrómetros fue un diseño de vidrio desarrollado por el Dr. Meinhard de California en 1973. Su diseño permitió a los primeros usuarios de ICP tener un nebulizador de introducción de muestras consistente, pero se conectaba fácilmente. Hoy en día, muchas empresas producen concéntricos de vidrio y, desde 1997, están disponibles los concéntricos de teflón.
Nebulizadores de flujo cruzado
Los nebulizadores de flujo cruzado tienen un capilar de gas colocado en ángulo recto con el capilar de líquido. El gas se sopla a través del capilar de líquido y esto produce una baja presión que atrae el líquido hacia la corriente de gas. Generalmente la succión es similar a la que se produce en un nebulizador concéntrico. El beneficio de un flujo cruzado es que el capilar de líquido tiene un diámetro interior más grande que permite que pasen más partículas sin tapar el nebulizador. La desventaja es que, por lo general, la niebla no es tan fina ni tan consistente.
Nebulizadores atrapados
Actualmente no existen nebulizadores analíticos que utilicen esta técnica, pero algunos quemadores de aceite sí lo hacen. Se utiliza principalmente en diseños mucho más antiguos, ya que los concéntricos y los flujos cruzados más nuevos son mucho mejores y más fáciles de hacer.
Nebulizadores de ranura en V
Los nebulizadores de ranura en V son similares a un flujo cruzado en que el líquido se entrega en un capilar en ángulo recto con el capilar de gas, pero el líquido se vierte por una ranura orientada verticalmente que fluye a través de un orificio de gas. El gas empuja el líquido hacia el flujo de gas y forma una fina niebla. Estos permiten capilares de líquido de DI muy grandes, pero no tienen succión y requieren una bomba para alimentar el líquido al dispositivo. Deben estar correctamente orientados o no permitirán que el líquido fluya más allá de la corriente de gas. Y su neblina generalmente produce gotas más grandes que con los flujos concéntricos o cruzados.
Nebulizadores de trayectoria paralela
Este diseño fue desarrollado por John Burgener de Burgener Research Inc. Aquí, la corriente de gas y la muestra pasan por el nebulizador en capilares paralelos. En la punta del nebulizador, el líquido se introduce en la corriente de gas y luego se dispersa en la cámara en forma de niebla.
Nebulizadores de no inducción
Nebulizadores de trayectoria paralela mejorados
Este diseño fue desarrollado por John Burgener de Burgener Research Inc. Aquí, la corriente de gas y la muestra pasan por el nebulizador en capilares paralelos. En la punta del nebulizador, el líquido se introduce en la corriente de gas mediante la tensión superficial a lo largo de un pico que se sumerge en la corriente de gas. Esto permite que el gas impacte contra el líquido y hace que el líquido interactúe en el centro del flujo de gas donde la velocidad del flujo de gas es más alta, produciendo una mejor transferencia de energía del gas al líquido y produciendo un tamaño de gota más fino. Los nebulizadores Burgener Mira Mist son los principales productos que utilizan el método Enhanced Parallel Path.
Nebulizadores de flujo difuminado
Este es un nuevo tipo de nebulizador que no usa inducción para mezclar la muestra y el gas. En su lugar, aquí se emplea la atomización neumática, lo que da como resultado la micromezcla de fluidos utilizando una celda de reflujo. Esto significa que hay una mezcla turbulenta del líquido y el gas que resulta en una gran sensibilidad y es muy eficiente. OneNeb es el único ejemplo de este tipo.
Malla vibratoria piezoeléctrica
Desde 2011, esta variación de nebulizadores ultrasónicos está disponible. Hay una membrana vibratoria que tiene microagujeros. La muestra ingresa por la parte posterior y se empuja a través de los orificios a medida que vibra la membrana. Esto produce una fina niebla con un tamaño de gota proporcional al tamaño del agujero. Este método no requiere flujo de gas y se usa junto con una cámara. Si las gotas tienen menos de 5 μm, entonces son demasiado pequeñas para adherirse a las paredes de la cámara y la cámara permanece seca mientras el 90-100% de la muestra llega al soplete.
Cronología del desarrollo del nebulizador analítico
La historia temprana de los nebulizadores médicos se puede leer aquí . El desarrollo de nebulizadores analíticos desde la introducción del ICP / ICP-MS se ve a continuación:
Flujo transversal ajustable de la década de 1970 (patente de EE. UU. # 4,344,574)
1974 Meinhard Concéntrico
1978 V-groove (por Suddendorf y Boyer) (Patente de EE. UU. # 4.206.160)
1980 Pillar and Post (por Garbarino y Taylor)
1983 GMK Nebulizador: V-groove Babington de vidrio
1983 nebulizador tipo C de Meinhard
1983 Vidrio soplado de precisión (similar al Minehard tipo A)
1983 Jarrell Ash (Thermo) Zafiro ranura en V
1983 Meddings 'MAK: flujo cruzado fijo de vidrio
1984 Meinhard K-type: capilar interior empotrado
1984 Glass Expansion comienza a fabricar cristalería ICP
1985 Burgener-Legere - primer nebulizador comercial de teflón - ranura en V - sin partes ajustables
1986 Micronebulizador de inyección directa de Fassel, Rice & Lawrence (patente de EE. UU. N. ° 4.575.609)
1986 Nebulizador Hildebrand Grid
Finales de la década de 1980 Perkin Elmer Gem Tip flujo cruzado
1988 CETAC Nebs ultrasónicos
Cámaras ciclónicas de la década de 1980
1987 El primer neb de Glass Expansion: el VeeSpray (ranura en V de cerámica)
1989 Glass Expansion primer concéntrico: el Conikal (mecanizado en lugar de vidrio soplado)
1989 Noordermeer Glass V Groove (patente de EE. UU. # 4,880,164)
1992 Glass Expansion - Sea Spray no salado
1993 Ranura en V de vidrio Lichte modificado
1993 Burgener BTF - primer Parallel Path Neb (patente de EE. UU. # 5,411,208)
1994-1995 Nebs de trayectoria paralela del quemador principal - BTS 50, BTN y T2002
Mediados de la década de 1990 Perkin Elmer GemCone: V-Groove en miniatura
Con la introducción del ICP-MS en el laboratorio, la creación de micro nebulizadores se convirtió en una prioridad para entregar cantidades más pequeñas de muestra a velocidades de flujo más bajas.
1993 Se produjo el Meinhard HEN (nebulizador de alta eficiencia) que manejaba caudales muy bajos pero, como resultado, se salaba y se tapaba fácilmente. (25 veces menos muestra que un Meinhard estándar)
1997 Nebulizador microconcéntrico Cetac - primer teflón concéntrico 50, 100, 200 o 400 µL / min
1997 Meinhard Direct Injection HEN - (DIHEN) (Patente de EE. UU. # 6,166,379)
1999 Elemental Scientific - Nebs concéntricos PFA 20, 50, 100 o 400 µL / min
1999 Burgener Micro 1: Camino paralelo
2000 Burgener Micro 3: Camino paralelo
2001 Burgener Mira Mist: primer nebulizador de trayectoria paralela mejorado (patente de EE. UU. N.o 6.634.572)
2004 Epond Typhoon: vidrio concéntrico
2005 Ingeniatrics OneNeb: Tecnología de desenfoque de flujo
2010 Epond Lucida: teflón microconcéntrico
2012 Burgener PFA 250: nebulizador de trayectoria paralela mejorado de micro flujo PFA
2010 - 2013 Expansión de Meinhard y Glass: Mejoras significativas en los accesorios y diseños de concéntricos de vidrio.