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有機(jī)元素通常是指在有機(jī)化合物中分布較廣和較為常見的元素，如碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)等元素。通過(guò)測(cè)定有機(jī)化合物中各有機(jī)元素的含量，可確定化合物中各元素的組成比例進(jìn)而得到該化合物的實(shí)驗(yàn)式，本文主要以常用的Vario EL Ⅲ型元素分析儀來(lái)介紹。

有機(jī)元素分析最早出現(xiàn)在19世紀(jì)30年代，李比希首先建立燃燒方法測(cè)定樣品中碳和氫兩種元素的含量，他首先將樣品充分燃燒，使碳和氫分別轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，然后分別以氫氧化鉀溶液和氧化鈣吸收，根據(jù)各吸收管的重量變化分別計(jì)算出碳和氫的含量。

目前，元素的一般分析法有化學(xué)法、光譜法、能譜法等，其中化學(xué)法是最經(jīng)典的分析方法。傳統(tǒng)的化學(xué)元素分析方法，具有分析時(shí)間長(zhǎng)、工作量大等不足。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)日趨成熟，元素分析自動(dòng)化便隨之應(yīng)運(yùn)而生。有機(jī)元素分析的自動(dòng)化儀器最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，后經(jīng)不斷改進(jìn)，配備了微機(jī)和微處理器進(jìn)行條件控制和數(shù)據(jù)處理，方法簡(jiǎn)便迅速，逐漸成為元素分析的主要方法手段。

目前，有機(jī)元素分析儀上常用檢測(cè)方法主要有：示差熱導(dǎo)法、反應(yīng)氣相色譜法、電量法和電導(dǎo)法幾種。

Vario EL Ⅲ型元素分析儀是由德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)。該儀器主要采用微量燃燒法等實(shí)現(xiàn)多樣品的自動(dòng)分析，通過(guò)自動(dòng)在線測(cè)定和計(jì)算可提供數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、報(bào)告、打印及存儲(chǔ)等功能。

儀器有CHN模式、CHNS模式和O模式3種工作模式，主要測(cè)定固體樣品，儀器狀態(tài)穩(wěn)定后，可實(shí)現(xiàn)每9min 即可完成一次樣品測(cè)定，同時(shí)給出所測(cè)定元素在樣品中的百分含量，且儀器可自動(dòng)連續(xù)進(jìn)樣。該儀器具有所需樣品量少（幾毫克）、分析速度快、適合進(jìn)行大批量分析的特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)如下：

(1) 3種工作模式：CHN模式、CHNS模式和O模式。

(2) 空白基線 (He 載氣)：C:± 30；H: ± 100；N: ± 16；S: ±20；O: ± 50。

(3) K因子檢測(cè) (He 載氣)：C:± 0.15；H: ± 3.75；N: ± 0.16；S: ±0.15；O: ± 0.16。

(4) 元素測(cè)量準(zhǔn)確度：C、H、N、S、O的準(zhǔn)確度均≦0.3%。

(5) 元素測(cè)量精確度：C、H、N、S、O的準(zhǔn)確度均≦0.2%。

主要利用高溫燃燒法測(cè)定原理來(lái)分析樣品中常規(guī)有機(jī)元素含量。有機(jī)物中常見的元素有碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)等。在高溫有氧條件下，有機(jī)物均可發(fā)生燃燒，燃燒后其中的有機(jī)元素分別轉(zhuǎn)化為相應(yīng)穩(wěn)定形態(tài)，如CO₂、H₂O、N₂、SO₂等。

因此，在已知樣品質(zhì)量的前提下，通過(guò)測(cè)定樣品完全燃燒后生成氣態(tài)產(chǎn)物的多少，并進(jìn)行換算即可求得試樣中各元素的含量。

工作原理：

根據(jù)的是F. 普雷格爾測(cè)碳、氫的方法與J.-B.-A.杜馬測(cè)氮的方法。在分解樣品時(shí)通過(guò)一定量的氧氣助燃，以氦氣為載氣，將燃燒氣體帶過(guò)燃燒管和還原管，二管內(nèi)分別裝有氧化劑和還原銅，并填充銀絲以去除干擾物質(zhì)（如鹵素等），最后從還原管流出氣體除氦氣以外只有二氧化碳、水。通過(guò)一定體積的容器中并混勻，再由載氣帶此氣體通過(guò)高氯酸鎂以去除水分。在吸收管前后各有一個(gè)熱導(dǎo)池檢測(cè)器，由二者響應(yīng)信號(hào)之差給出水的含量。除去水分后的氣體再通入燒堿石棉吸收管中，由吸收管前后熱導(dǎo)池信號(hào)之差再求出二氧化碳含量。最后一組熱導(dǎo)池則測(cè)量純氦氣與含氮的載氣之信號(hào)差，得出氮的含量。

氧/硫分析儀：

現(xiàn)代的測(cè)碳、氫、氮的儀器，在換用燃燒熱解管后都可測(cè)定氧或硫。

將樣品在高溫管內(nèi)熱解，由氦氣將熱解產(chǎn)物攜帶通過(guò)涂有鎳或鉑的活性炭填充床，使氧全部轉(zhuǎn)化成一氧化碳，混合氣體通過(guò)分子篩柱，將各組分分離，通過(guò)熱導(dǎo)池檢測(cè)器檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w而進(jìn)行定量分析。另一種方法使熱解氣體通過(guò)氧化銅柱，將一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，用燒堿石棉吸收后由熱導(dǎo)示差的信號(hào)測(cè)定，或者利用庫(kù)侖分析法測(cè)定。

例如，可通過(guò)分子篩柱用氣相色譜法測(cè)量；也可通過(guò)氧化銀吸收管，由吸收前后熱導(dǎo)差示響應(yīng)求出含量；也可通過(guò)庫(kù)侖滴定法，將二氧化硫吸收氧化成硫酸，吸收液的pH將改變，電解產(chǎn)生氫氧銀離子，將和質(zhì)子中和，使pH再恢復(fù)至原來(lái)數(shù)值，由電量求得硫含量。

技術(shù)參數(shù)：

1、測(cè)定范圍：C：0.0004-30mg abs.；N：0.0001-10mg abs.

2、標(biāo)準(zhǔn)偏差 ≤0.1%絕對(duì)誤差(CHN同時(shí)測(cè)定，4~5mg樣品) 

3、樣品稱樣：0.02~800mg (根據(jù)被測(cè)物質(zhì)) 

4、分解溫度：950~1200℃ (錫容器燃燒時(shí)達(dá)1800℃)

5、分析時(shí)間：C、H、N同時(shí)測(cè)定：6~9分鐘；C、H、N、S同時(shí)測(cè)定：10~12分鐘 

6、每次分析消耗氣體：CHN同時(shí)測(cè)定：2~3L 氦氣；30~50ml氧 

7、氣體純度：He：99.995% (純度)， O：99.995% (純度)

8、測(cè)量值輸出：PC機(jī)屏幕顯示與打印機(jī)打印出完整的元素的百分含量 

9、數(shù)據(jù)接口：V24/R232C標(biāo)準(zhǔn)接口 

10、電源：230V，50/60H/1.8KW，

11、外型尺寸：78cm x 60cm x 70cm (長(zhǎng)×寬×高)，重量：約120kg

1、 CHNS模式

圖1 CHNS模式下的簡(jiǎn)圖

2. CHN模式

圖2 CHNS模式下的簡(jiǎn)圖（圖例如上）

注意事項(xiàng)：

1、選定標(biāo)樣

CHN測(cè)定選擇:Acetanilide (乙酰苯胺)  

標(biāo)樣也可用名稱的縮寫表示：

命令：在Name欄：輸入標(biāo)樣的名稱如Acetanilide

在Theor.欄：分別輸入NCSH的理論值

在Tol.％欄：NCSH分別輸入5，一旦標(biāo)樣的測(cè)定值，超過(guò)此限定值，

儀器將自動(dòng)停止進(jìn)樣，待機(jī)待查問(wèn)題所在。

Add: 加入一個(gè)標(biāo)樣

Delete: 刪除一個(gè)標(biāo)樣

Change: 改變標(biāo)樣的名稱

在display as:

選擇Factor Sample：樣品的測(cè)定

選擇Calibration Sample：校正曲線的制備

2、標(biāo)樣的選定和稱量:

3、校正曲線的計(jì)算

命令：Math-Calibrate

按次激活 N Compute，C Compute，H Compute

linear-線性   polynomi-非線性   mixed-混合型

這里都選中 polynomi-非線性

4、N 的非線性曲線計(jì)算（C、H方法相同）

命令：

Next：移動(dòng)曲線點(diǎn)

Zoom：放大曲線點(diǎn)的部分

Kill：刪除曲線之外的點(diǎn)

Unkill：恢復(fù)刪除的曲線點(diǎn)

5、輸入校正曲線的名稱：

在Math下拉菜單中選Coefficients 

命令: Save: 校正曲線的名稱. COE (以COE的格式存入曲線

Load: 調(diào)入以COE格式存入的曲線。

注意：執(zhí)行此命令時(shí)有一提示，必須是一個(gè)新的文件即無(wú)任何樣品重量、名稱等，

否之，調(diào)入曲線的同時(shí)，會(huì)將原文件中所有樣品的重量、名稱等數(shù)據(jù)刪除。

1 、實(shí)驗(yàn)方法

(1) 開機(jī)程序

1) 開啟PC和打印機(jī)

2) 拔掉主機(jī)尾氣的兩個(gè)堵頭，移開儀器進(jìn)樣盤

3) 開啟儀器的主開關(guān)(電源)，待儀器運(yùn)行球閥和進(jìn)樣盤底座的初始化后。(此運(yùn)行只在進(jìn)樣盤拿走的時(shí)候才能正確地執(zhí)行)

4) 將儀器進(jìn)樣盤放回原處

5) 開啟氦氣和氧氣：

He氣體鋼瓶減壓閥出口壓力：2.0 bar (0.2Mpa)，此時(shí)儀器系統(tǒng)壓力：1.25 bar
O2氣體鋼瓶減壓閥出口壓力：2.5 bar (0.2Mpa)

6) 啟動(dòng) vario EL軟件，在菜單Mode中選擇操作模式：(CHNS, CNS, CHN, CN, N ,O or S).

警告：CHNS，CNS，S和CHN，CN，N模式的燃燒管內(nèi)的氧化劑的設(shè)定溫度不同，不能互換，否之，由于過(guò)熱會(huì)引起CHN燃燒管內(nèi)線狀氧化銅熔融。熔融物質(zhì)流入加熱爐并損壞加熱爐。

(2) 操作參數(shù)確定

 (標(biāo)準(zhǔn)操作參數(shù)大部分已在出廠時(shí)設(shè)置好了，用戶不必作改變)

在菜單OptionseParameter 設(shè)定加熱溫度：

● CHNS/CNS/S 模式: 爐1: 1150 ℃ ; 爐2: 850 ℃ ; 爐3: 0 ℃

● CHN /CN/N模式: 爐1: 950 ℃ ; 爐2: 500 ℃ ; 爐3: 0 ℃

● O模式: 爐1：1150 ℃ ; 爐2：0 ℃ ; 爐3：0 ℃

(3) 常規(guī)分析

1) 樣品重量和名稱的輸入

EditeInput 或?qū)⑹髽?biāo)鍵移至菜單的Name下雙擊 

2)  建議樣品測(cè)定順序 (CHN 模式)

● 1個(gè)加氧空白(blank；O 2 index: 1)

● 1個(gè)不加氧空白(blank；O 2 index: 2)

● 3個(gè)RUN-IN (不稱重樣品，約2-3毫克)

● 3 個(gè)ACTE (乙酰苯胺，稱重，約2-3毫克范圍)

● 20個(gè)樣品 (根據(jù)樣品性質(zhì)稱重)

● 2 個(gè)ACTE (乙酰苯胺，稱重,約2-3毫克范圍)

● 20個(gè)樣品 (根據(jù)樣品性質(zhì)稱重)

● 2 個(gè)ACTE (乙酰苯胺，稱重,約2-3毫克范圍)

● 20個(gè)樣品 (根據(jù)樣品性質(zhì)稱重)

＃ 若使用CHNS模式，則應(yīng)用氨基苯磺酸作標(biāo)樣(Sul)若煤的測(cè)定，可選煤標(biāo)樣。

(4) 標(biāo)樣的校正Math.factor

檢查3個(gè)標(biāo)樣數(shù)據(jù)是否平行，(誤差在≤0.3%)若平行則對(duì)標(biāo)樣進(jìn)行標(biāo)記# (tagged)，隨之進(jìn)入MATH功能，激活FACTOR功能計(jì)算日校正因子。否之，該偏離的標(biāo)樣不被加上標(biāo)記#，不進(jìn)行日校正因子的計(jì)算。

(5) 關(guān)機(jī)程序

1. 分析結(jié)束后，主機(jī)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，待降溫至100℃以下

2. 退出 WINVAR 操作軟件(system-offline-exit)

3. 關(guān)閉計(jì)算機(jī)

4. 關(guān)閉varioEL主機(jī)電源，關(guān)閉氦氣和氧氣

5. 將主機(jī)尾氣的兩個(gè)出口堵住 

注意事項(xiàng)：

1) 在菜單OptionseMiscellaneouseleakage test

若更換備件諸如燃燒管，還原管或清除灰分管，必須進(jìn)行檢漏測(cè)試，若檢漏沒(méi)通過(guò)，則退出操作軟件并激活維護(hù)，查找滲漏的地方

2) 在CHNS, CHN, CN和N模式中，新?lián)Q的反應(yīng)管諸如氧化管或還原管等必須在測(cè)定樣品之前使之條件化，即在爐溫升至設(shè)定溫度后，等待1小時(shí)后方能進(jìn)行測(cè)定

3) 若關(guān)機(jī)時(shí)，爐溫在300℃左右，則需開啟主機(jī)的燃燒單元的門，散去余熱，否之，將引起過(guò)溫保護(hù)，第2次開機(jī)則無(wú)法升溫。解決方法：將溫控元件的開關(guān)復(fù)位，然后退出varioEL程序后重新進(jìn)入該程序。

溫控元件的復(fù)位開關(guān)位于燃燒爐上端的橫梁中間。

2 、實(shí)驗(yàn)條件的選擇及選擇依據(jù)

元素分析儀Vario EL是一個(gè)快速的，用于CHNOS定量測(cè)定的全自動(dòng)儀器。根據(jù)購(gòu)買的設(shè)備，儀器能有不同的操作模式。對(duì)元素分析來(lái)說(shuō)，Vario EL分析儀的適應(yīng)性是根據(jù)樣品可控制的燃燒性和樣品的量。現(xiàn)有的Vario EL Ⅲ型元素分析儀有CHN模式、CHNS模式和O模式3種工作模式，主要測(cè)定固體樣品，從樣品稱量中同時(shí)測(cè)定一些元素：CHNS，CNS，CHN，CN，N和S。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的要求，選擇不同的操作模式。各種操作模式應(yīng)該配有不同的實(shí)驗(yàn)要求，具體有以下幾點(diǎn)：

1） 加熱爐溫度：不同操作模式下加熱爐溫度不同，錯(cuò)用溫度會(huì)影響還原爐內(nèi)裝填的氧化劑。

操作模式：CHNS/CNS/S ；燃燒爐：1150℃ ；還原爐：850℃

操作模式：CHN/CN/N ；燃燒爐：950℃ ；還原爐：500℃

操作模式：O           燃燒爐：1150℃

2） 還原管氧化劑的裝填：不同的操作模式選用的氧化劑/還原劑不同。用錯(cuò)誤的消耗品或一個(gè)不適合標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)品的使用會(huì)導(dǎo)致受傷或儀器的損壞，也會(huì)誤導(dǎo)分析的結(jié)果。

（1）CHNS/CNS/S模式

A. 燃燒管：同時(shí)有硫測(cè)定的操作模式時(shí)，用底部空的且中部（最熱的區(qū)域）裝有粒狀WO3的試管。石英棉用作中間隔層。作為在粒狀WO3和灰分之間的隔層，用3mm厚的剛玉球。最后安裝灰分和保護(hù)試管。如圖3所示。

B. 還原管：裝填如圖4所示。只要銀棉表面還有光澤（銀色光澤）使用過(guò)的銀棉就還能使用。

圖3  燃燒試管結(jié)構(gòu)示意

圖4  還原管結(jié)構(gòu)示意

C. U形H2O吸附管：只有CNS和S測(cè)定時(shí)U形H2O吸附管才在還原管之后安裝在加熱爐腔室內(nèi)。U形玻璃管用五氧化二磷裝填，用約2cm石英棉塞住試管的兩頭，如圖2.3所示。確定有足夠的吸附物質(zhì)在U形試管彎曲處內(nèi)部。從試管兩端清除所有的五氧化二磷。最后連接件固定在密封圈里，塞帽擰到玻璃管上。

圖5  CNS和S模式下的H2O吸附管裝填

（2）CHN/CN/N模式

A. 燃燒管：沒(méi)有S測(cè)定的操作模式，用如圖6所示裝填的燃燒管。裝填標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該盡可能的準(zhǔn)確以便灰分位于管狀加熱爐的最熱區(qū)域。最后嵌入灰分管和保護(hù)管。

B. 還原管：CHN/CN/N模式中的還原管如圖7所示的一樣裝填。

圖6 CHN模式燃燒管 

圖7 CHN模式還原管

C. H2O/CO2吸附U管：在CN模式中的H2O吸附U管和在N模式中兩個(gè)吸附U管都安裝在還原管之后的加熱爐腔內(nèi)。裝填H2O吸附U管與CHNS模式相同，如圖5所示。U形CO2吸附管用石英碎片和堿石棉以1:1的比例裝填，兩端用約2cm的石英棉，如圖 8所示。足夠的吸附物在試管的彎曲處很重要。試管兩端必須清除堿石棉的殘余物。最后連接件固定在密封圈內(nèi)，塞帽擰到玻璃試管上去。

圖8  CHN模式的U型CO2吸附管裝填示意

3）氣體流通管路的連接：不適合的配件會(huì)導(dǎo)致儀器的損壞和失去保證。干燥劑有個(gè)指示劑，它通過(guò)使藍(lán)色變色的方法顯示試管用完的區(qū)域。出于自動(dòng)安全操作，如果四分之三的指示劑已變色，干燥劑試管必須更換。

（1）CHN 模式的SO2和H2O的柱入口處要交換連接，或?qū)⒃璖O2的入口處的接頭移至H2O的入口處，其余都用堵頭密封，防止吸潮。

（2）CHNS燃燒和還原管與CHN模式的一樣。只需將H2O吸收管安裝在還原管出口和試管之間。此外，H2O吸附柱的連接不變。試管直接通過(guò)過(guò)銅管與CO2吸附柱連接。將SO2柱的入口和原連接CO2入口的那個(gè)連接管堵上即可。

3、 實(shí)驗(yàn)影響因素及其排除方法，如表1所示。

表1 常見問(wèn)題一覽表

4、對(duì)被測(cè)樣品的一般要求

用vario EL的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備分析具烈性化學(xué)品，酸，堿溶液，溶劑，爆炸物或能引起爆炸性氣體混合物的物質(zhì)是明確禁止的或被冒險(xiǎn)執(zhí)行。那能導(dǎo)致儀器的毀壞和弄傷操作人員。氟，磷酸鹽，或含有重金屬樣品，這種物質(zhì)對(duì)分析結(jié)果或儀器部件壽命有負(fù)面的影響。

5、樣品制備方法的一般要求

樣品要求均勻分布的微粒樣品包裹在錫箔中，稱重之后放入自動(dòng)樣品進(jìn)樣器的旋轉(zhuǎn)式進(jìn)樣盤中。樣品重量輸入PC中，既可通過(guò)界面的在線天平也可用鍵盤手動(dòng)輸入。樣品名稱和矩陣特殊的加氧量（O2-指數(shù)1-5）被分配到樣品重量中。

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