Vario EL cube元素分析仪的故障分析与使用维护

张万迪 王大刚 潘成军 王 雷

(深圳大学材料学院,深圳 518060)

1 引言

元素分析作为一种重要的分析测试方法在化学化工、煤炭、医药、材料、地质，农业、环境等[1-6]领域具有广泛的应用。与光谱分析、色谱分析、同位素质谱，核磁共振等其他分析测试手段一起，构成了有机元素分析体系[7]。Vario EL cube元素分析仪是德国Elementar公司生产的系列元素分析仪的一种。该型号配备有计算机控制系统和数据处理系统，带有80孔位自动进样器。测试中设定完成样品对应的工作参数后测量过程将由计算机控制自动完成。在元素分析仪的使用中，了解仪器的工作原理、操作方法和问题处理对于获得准确的测量结果具有重要意义[8-10]。笔者长期从事元素分析仪的测试和维护工作，积累了大量操作经验。本文将对Vario EL cube元素分析仪的日常管理和使用经验进行总结介绍。

2 Vario EL cube的工作原理

Elementar Vario EL cube元素分析仪具有CN、N、CNS、S、CHN、CHNS(图1)和O(图2)6种测试模式[11]。CHN和CHNS模式下，用锡舟称量包裹后的样品被进样圆盘推入燃烧管中，在高纯氧气氛围下燃烧，被燃烧管中填装的催化氧化剂分解转换成CO2、H2O、N2、NOX、SO2和SO3等气体。该混合气体被载气送入装填有铜粒的还原管中，还原为N2、CO2、H20和SO2等气体。CO2、H2O和SO2出还原管后，分别被吸附在对应的吸附柱上，N2则直接带入热导检测器(TCD)进行检测。然后，吸附-解吸柱按程序依次升温，释放CO2、H2O和SO2进入检测器。最后，计算给出得出样品中C、H、N、S元素的百分含量。

图1 元素分析仪(Vario EL cube)CNHS模式结构简图

O模式下，用银质容器称量包裹后的样品被送入裂解管中在高温、无氧的条件下使氧化物分子键断裂，与碳粉反应生成CO气体和N2、H2、CH4和H2S等杂质气体。然后CO被吸附-解吸柱吸附，在杂质气体通过检测器后脱附检测。最后，计算机计算后给出样品中O元素的百分含量。

图2 元素分析仪(Vario EL cube)O模式结构简图

3 制样及实验室环境要求

Vario EL cube元素分析仪用于微量和半微量测试，对于样品状态的要求就更加严格。测试中要求的样品是不含吸附水分及溶剂的均匀固体粉末或液体，并且在取样过程中不能因为吸湿、挥发、光解和与空气反应等行为发生成分的改变[12]。样品称量前需要用乙醇擦洗取样工具和称量台，避免环境中的杂质物质影响称量结果。称量时操作人员应佩戴口罩与橡胶手套。包样时尽量将容器中的空气挤压干净，但需要控制力度，避免用力过大导致容器破裂。称量后的样品及时开始测试避免长时间放置。

Vario EL cube元素分析仪的使用温度要控制在20～25℃，空气相对湿度在45%～75%[13]。南方地区实验室应加装除湿系统以避免潮湿的空气损坏仪器内部电子器件。微量电子天平应分别放置在重量较大、不易晃动和挪动的称量台上，以达到稳固、避振的效果。同时，实验室应该配备干燥箱储存催化剂和标准品。

4 常见问题及解决办法

4.1 气体纯度与压力问题

测试中使用的高纯氧气和氦气的纯度应大于99.99%，气体纯度过低会导致空白值增大，测量结果不稳定和基线漂移等情况[14]。气体压力在0.18±0.01MPa之间，辅助气体总压力在1100±1000Pa之间。气气体压力的剧烈变化会导致石英管破裂，使用寿命缩短，增加维护成本。实验所用气体需要专用的气瓶存放箱或者将其固定在墙壁上，安装必要的排气设备和气体安全报警设备，经常对减压阀进行捡漏。出现上述问题时可以更换对应纯度辅助气体，选用双头减压阀控制压力，避免通宵测试。

4.2 仪器检漏

Vario EL cube元素分析仪在软件启动后进行90s泄露测试，泄露测试结束仪器进入升温状态。Vario EL cube元素分析仪具有稳定的运行品质，较少出现突发的泄露情况，一般在更换燃烧管、还原管、干燥管或者裂解管后出现的泄露情况，重点检查拆装位置的密封性即可解决。

若在测试前没有更改测试管路和气路而出现泄露情况，此时需使用仪器的捡漏程序。点击options>Diagnostics>Rough leak test开始进行全程检漏，此时系统会在管路图上用序号标记出泄露的点，再根据序号选用对应的捡漏工具进行分段捡漏：options>Diagnostics> Fine leak test，根据系统提示多次分段捡漏直至找到泄露点。

4.3 仪器不升温

选择实验装置对应的测试模式，更改系统中温度参数后仪器升温异常。首先排除电源接头不稳定、温度控制模块故障和加热炉故障的情况，如果在前一次测试结束后，当燃烧管的温度高于100℃直接关闭测试软件和主机，设备会启动过温保护功能，此时的处理办法是复位仪器舱门右侧过温保护开关(如图3所示)。

图3 元素分析仪(Vario EL cube)过温保护开关

4.4 石英管破裂

石英管破裂是在元素分析仪中常见的故障类型。一般来说石英管破裂可以分为正常破裂和异常破裂。正常破裂是石英管设计使用寿命结束，正常更换石英管即可。

异常破裂是指石英管的实际使用时间明显低于设计值的情况。若石燃烧管或裂解管破裂后表面出现严重腐蚀，考虑测试的样品中混入了含磷、硼、氟元素的物质、碱性样品和玻璃纤维等；若出现管壁上出现一点明显腐蚀的凹坑，考虑支撑管或灰分管与管壁之间混入了杂质颗粒或灰分管和支撑管自身发生破裂，形成了热集中区，导致的燃烧管破裂；若管壁无变化，考虑是否正确设置的升温参数和压力参数异常。加热炉的上下腔体之间温度分布均匀分布，在更换燃烧管或裂解管的过程中应严格按照装填厚度执行，以使样品在最高温度处分解。还原管的破裂与仪器的升温参数和压力参数异常有着密切关系，更换前应仔细检查炉体内壁和球头处的气密性。

石英管的破裂是元素分析仪在日常使用过程中最常见的问题，在更换时，药品残渣可以使用大功率吸尘器清理，在提升清理速度的同时避免了残渣中石棉对于人体的伤害。破碎的石英管时常会卡在炉体内，可以使用长30厘米带胶套的平嘴镊子取出。

4.5 系统积碳问题

系统中的积碳是由于样品选择的燃烧时间或通氧量不合适导致的设备损伤。不完全燃烧的碳会随着载气在整个气路中传播，会导致密封圈和球阀之间密封性变差、使吸附柱中的银丝过早失效和催化剂中毒。在使用中应多观察燃烧管和还原管之间石英桥和还原管底部的颜色变化，发生积碳及时处理。密封圈和球阀可以拆下用酒精棉花清洁，还原管的下端和石英桥可以采用超声清洗机清洗。

4.6 测量数值异常

N含量的空白值增加是因为氧气的纯度不够，需要更换氧气或检漏氧气气路。当还原铜失效后N含量会在测量时突然增大，并且出现双峰或含量超过100%的情况。在更换气瓶或拆装燃烧管、还原管或裂解管后，对管路进行洗气处理，将残留的空气吹扫干净后再测试，避免N含量异常增大

C含量的空白值变化是受外界污染影响，需要检查制样台和锡舟。测定值不稳定与氧气的变化和氧化剂的失效有关，需要检查加氧管、清除灰分或者更换氧化剂。

H含量的变化受水吸附柱吸附能力变化的影响，需要更换吸附柱口的银丝甚至更换新的吸附柱。

S元素的异常变化：受硫吸附-解吸附柱的影响较大，在吸附-解吸附柱升温过程中水极易变为水蒸气与三氧化硫和二氧化硫反应生成硫酸和亚硫酸，不但影响硫元素的测定准确度还会与氢元素相互干扰。所以在仪器使用中应多关注干燥管的状态，一旦失效变色，及时更换。

4.7 标准曲线失效

元素分析仪在长期使用中，由于吸附柱的吸附能力以及设备的工作环境发生变化，校正曲线偏离当前的测试环境的实际情况，导致校正因子偏差变化较大，当测试标准品序列后，数据平行性好，但是计算出的校正因子还是超出规定范围，即可确定该元素的校正曲线失效。

判定标准曲线失效后，一般需要按照不同模式和不同标准品的要求重新建立正确的标准曲线，一般的方法为选区一个适当的测量范围，称量不同质量的样品，保证样品质量在该范围内均匀分布，测试后根据实际测试需求选择高质量测量范围和低质量测量范围进行拟合。采用这种做法可扩大校正曲线的校正范围。

5 总结

Vario EL cube元素分析仪的稳定性、可靠性、自动化程度已经非常的完善，是高校实验室有机元素微量定量分析的重要手段之一。该型号元素分析仪的工作原理和操作都较为简单，但想要获得不同种类不同性质样品的准确测试数据还需要长时间的经验积累。本文总结的操作流程、问的处理和管理经验对于提高分析结果的准确度、减少仪器故障，减少耗材消耗延长使用寿命具有一定的价值。