賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)推出的 FlashSmart 元素分析儀 是一款高性能、多功能的有機元素分析設(shè)備,能夠快速、準(zhǔn)確地測定樣品中碳(C)、氫(H)、氮(N)、硫(S)、氧(O)等元素的含量。該儀器廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料、生物、環(huán)境、能源及食品領(lǐng)域,用于研究化合物組成、純度及結(jié)構(gòu)特征。
FlashSmart 的檢測原理基于經(jīng)典的 動態(tài)燃燒法(Dynamic Flash Combustion Method),結(jié)合現(xiàn)代自動化控制與高靈敏度熱導(dǎo)檢測技術(shù)(TCD),實現(xiàn)樣品的完全燃燒、氣體分離和精確檢測。儀器采用模塊化設(shè)計,可靈活配置不同分析通道,實現(xiàn) CHN、CHNS、O 等多模式檢測。
FlashSmart 的檢測過程可概括為以下五個核心階段:
樣品燃燒與氧化反應(yīng)
氣體還原與干燥凈化
氣體分離與檢測
信號采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
結(jié)果計算與校準(zhǔn)回歸
通過這五個步驟,儀器將復(fù)雜的有機樣品化學(xué)反應(yīng)過程轉(zhuǎn)化為可量化的電信號,實現(xiàn)元素含量的精準(zhǔn)測定。
動態(tài)燃燒法是一種在高溫氧化環(huán)境中使樣品瞬間完全燃燒的分析方法。FlashSmart 在氧氣脈沖的輔助下,使有機樣品在約 950–1050℃ 的燃燒爐中快速氧化。樣品中不同元素被轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氣態(tài)化合物:
碳 → 二氧化碳(CO?)
氫 → 水蒸氣(H?O)
氮 → 氮氣(N?)
硫 → 二氧化硫(SO?)
氧(在獨立模塊中)→ 一氧化碳(CO)
這些氣體隨后被載氣(氦或氬)帶入還原區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步化學(xué)反應(yīng)處理。
相較于傳統(tǒng)靜態(tài)燃燒法,動態(tài)燃燒法具有以下優(yōu)勢:
燃燒徹底,避免殘留碳或氮氧化物;
反應(yīng)時間短,單次分析可在 90–300 秒內(nèi)完成;
氣體流動連續(xù)、信號響應(yīng)穩(wěn)定;
可自動調(diào)節(jié)氧氣脈沖量,適應(yīng)不同樣品類型。
這使得 FlashSmart 在分析速度和數(shù)據(jù)一致性方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)儀器。
燃燒室由高純石英管制成,內(nèi)部填充氧化銅(CuO)、鉻酸銀(Ag?CrO?)及鎢絲等助劑。樣品在高溫下與氧氣反應(yīng),生成氣體混合物。燃燒室溫度通過 PID 精密控制系統(tǒng)保持恒定,保證氧化完全。
以乙酰苯胺(C?H?NO)為例:
C8H9NO+10O2→8CO2+4H2O+12N2C_8H_9NO + 10O_2 → 8CO_2 + 4H_2O + \frac{1}{2}N_2C8H9NO+10O2→8CO2+4H2O+21N2
硫元素存在時:
S+O2→SO2S + O_2 → SO_2S+O2→SO2
生成的氣體混合物經(jīng)載氣流帶入下游反應(yīng)系統(tǒng)。
CuO:促進(jìn)碳與氧反應(yīng)生成 CO?;
Ag?CrO?:吸附鹵素與磷化物,防止干擾檢測;
WO?:促進(jìn)高分子樣品的分解。
助劑的合理配比可顯著提升燃燒效率與信號重現(xiàn)性。
燃燒后的氣體混合物中含有多種氧化態(tài)氣體(NO?、SO? 等),需經(jīng)還原管處理。還原管內(nèi)填充還原銅(Cu),在 650℃ 左右的條件下將這些氧化物轉(zhuǎn)化為中性氣體:
2NO+2Cu→N2+2CuO2NO + 2Cu → N_2 + 2CuO2NO+2Cu→N2+2CuOSO3+2Cu→SO2+2CuOSO_3 + 2Cu → SO_2 + 2CuOSO3+2Cu→SO2+2CuO
這樣可確保進(jìn)入檢測系統(tǒng)的氣體僅包含 CO?、H?O、N?、SO? 等穩(wěn)定組分。
經(jīng)過還原處理的氣體中仍可能含少量水蒸氣與雜質(zhì),因此需通過吸附柱進(jìn)一步凈化。吸附材料通常為 硅膠、分子篩或磷酸鎂,用于去除水分或殘余 CO?。凈化后的氣體可直接進(jìn)入色譜分離系統(tǒng)。
不同氣體具有不同的熱導(dǎo)率、分子量與吸附特性。FlashSmart 使用填充柱或毛細(xì)管柱,通過氣體在柱內(nèi)的滯留時間差實現(xiàn)分離。
經(jīng)凈化的氣體混合物在載氣推動下進(jìn)入分離柱。氣體組分依次被分離并在不同時間點進(jìn)入檢測器:
CO?(碳信號)
H?O(氫信號)
N?(氮信號)
SO?(硫信號)
每種組分在檢測器上產(chǎn)生獨立峰,峰面積與該元素的質(zhì)量成正比。
分離柱溫度一般維持在 60–120℃ 范圍內(nèi),以確保峰形對稱、分辨率高。溫控系統(tǒng)采用雙重?zé)岱€(wěn)定模塊,溫度精度可達(dá) ±0.1℃,顯著降低漂移。
熱導(dǎo)檢測器利用氣體熱導(dǎo)率差異來檢測組分濃度。當(dāng)樣品氣體通過檢測池時,由于其熱導(dǎo)率與載氣不同,會引起溫度變化,從而導(dǎo)致電橋輸出信號變化。
檢測信號與氣體濃度成正比,因此可通過積分峰面積計算元素含量。
TCD 由四個熱敏電阻組成惠斯登電橋,其中兩個在參考?xì)饬髦?,兩個在樣品氣流中。當(dāng)被測氣體通過樣品支路時,溫度變化導(dǎo)致電阻差異,產(chǎn)生電壓輸出。
檢測靈敏度高:最低檢測限可達(dá) 0.1 μg;
線性范圍寬:信號線性度 R2 ≥ 0.9999;
不受氣體化學(xué)性質(zhì)影響:適用于所有非反應(yīng)性氣體;
響應(yīng)時間短:< 1 秒。
TCD 的高靈敏度與穩(wěn)定性是 FlashSmart 精確分析的核心保障。
檢測器輸出的電壓信號經(jīng)過放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)后,被送入計算機進(jìn)行數(shù)字化處理。
EagerSmart 軟件自動識別各組分的峰形并計算峰面積。為保證準(zhǔn)確性,系統(tǒng)采用動態(tài)基線校正算法,有效消除漂移。
儀器通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立校準(zhǔn)曲線,方程形式為:
Y=aX+bY = aX + bY=aX+b
其中 Y 為峰面積,X 為元素質(zhì)量,a、b 為校準(zhǔn)系數(shù)。樣品的元素含量通過代入峰面積即可計算得到。
系統(tǒng)自動進(jìn)行:
空白扣除;
漂移修正;
重復(fù)測定平均與標(biāo)準(zhǔn)差計算。
最終結(jié)果以質(zhì)量百分比(%)或毫克(mg)形式輸出。
氧元素分析在 FlashSmart 中采用獨立的 高溫?zé)岱纸夥?/strong>。
樣品在惰性氣氛(如氦氣)中加熱至 1060℃,生成 CO、CO?、H?O 等氣體。隨后,CO 被氧化成 CO?,再通過 TCD 檢測 CO? 峰面積,計算樣品中的氧含量。
主要反應(yīng):
CxHyOz→xCO+y2H2C_xH_yO_z → xCO + \frac{y}{2}H_2CxHyOz→xCO+2yH2CO+12O2→CO2CO + \frac{1}{2}O_2 → CO_2CO+21O2→CO2
不受樣品含氮、硫的干擾;
分析精度高(RSD < 0.2%);
與 CHNS 模塊可共用數(shù)據(jù)系統(tǒng),實現(xiàn)綜合分析。
FlashSmart 采用多點校準(zhǔn)法,確保檢測結(jié)果可追溯至國際標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程包括:
測定一系列不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品;
建立峰面積與元素質(zhì)量的線性關(guān)系;
計算回歸系數(shù)與相關(guān)性(R2 ≥ 0.999);
定期驗證并自動更新校準(zhǔn)曲線。
此外,儀器具有自動漂移補償功能,可根據(jù)實時信號調(diào)整靈敏度系數(shù),保證長期穩(wěn)定運行。
燃燒溫度與氧氣流量:溫度過低或氧氣不足會導(dǎo)致燃燒不完全。
助劑狀態(tài):CuO、Ag?CrO? 若老化會降低氧化效率。
載氣純度:氦氣純度應(yīng) ≥99.999%,以防干擾信號。
樣品稱量:誤差會直接影響結(jié)果線性。
還原銅活化:氧化后的銅應(yīng)及時更換或還原。
嚴(yán)格控制這些參數(shù)是確保分析精度的基礎(chǔ)。
FlashSmart 相比傳統(tǒng)元素分析儀的主要創(chuàng)新體現(xiàn)在以下方面:
雙通道配置:可在同一平臺上實現(xiàn)不同分析模式切換;
氧氣脈沖控制技術(shù):根據(jù)樣品特性自動調(diào)節(jié)氧量;
高速 TCD 數(shù)字化模塊:采樣速率提升至 100 Hz,信號響應(yīng)更快;
智能燃燒算法:根據(jù)峰形反饋調(diào)整燃燒條件;
自動診斷系統(tǒng):實時監(jiān)控燃燒效率、氣路壓力與溫度偏差。
這些創(chuàng)新使 FlashSmart 在靈敏度、精度和分析速度上均達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。
分析完成后,系統(tǒng)自動生成報告,內(nèi)容包括:
元素含量(C、H、N、S、O %)
峰面積與積分曲線
校準(zhǔn)方程與回歸參數(shù)
平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差
樣品編號、分析時間與操作員
用戶可通過碳氮比(C/N)、氫碳比(H/C)等參數(shù)進(jìn)一步判斷樣品類型,如燃料、蛋白質(zhì)或聚合物等。