جهاز استنشاق تحليلي

يشير مصطلح "المرذاذ" عمومًا إلى جهاز يحوّل السوائل إلى رذاذ دقيق. وتقوم الفوهات أيضًا بتحويل السوائل إلى رذاذ دقيق، ولكن عن طريق الضغط عبر ثقوب صغيرة. تستخدم المرذاذات عادةً تدفقات الغاز لتوصيل الرذاذ. أكثر أنواع المرذاذات شيوعًا هي الأجهزة الطبية مثل بخاخات الربو أو علب رش الطلاء. أما المرذاذات التحليلية فهي فئة خاصة، إذ يكمن غرضها في توصيل رذاذ دقيق إلى أجهزة التحليل الطيفي لتحليل العناصر . وهي أجزاء أساسية في مطيافية الانبعاث الذري للبلازما المقترنة حثيًا ( ICP-AES )، ومطيافية الكتلة للبلازما المقترنة حثيًا (ICP-MS)، ومطيافية الامتصاص الذري (AAS).

تُستخدم البخاخات التحليلية في تحليل العناصر النزرة . ويلعب هذا النوع من العمل دورًا هامًا في مجالات الدراسات الصيدلانية والسريرية، والتقييمات البيولوجية والبيئية والزراعية، واختبارات البترول. كما أن لها تطبيقات نووية.

تعتمد معظم البخاخات الهوائية التحليلية على نفس المبدأ الأساسي ( الحث ) لترذيذ السائل: فعندما يخرج غاز ذو ضغط أعلى من فتحة صغيرة (الفتحة) إلى غاز ذي ضغط أقل، يتشكل تيار غازي في منطقة الضغط المنخفض، دافعًا الغاز ذي الضغط المنخفض بعيدًا عن الفتحة. يُحدث هذا تيارًا في منطقة الغاز ذي الضغط المنخفض، ساحبًا جزءًا منه إلى تيار الغاز ذي الضغط الأعلى. عند الفتحة، يُحدث سحب الغاز ذي الضغط المنخفض شفطًا كبيرًا، يعتمد مداه على فروق الضغط، وحجم الفتحة، وشكلها، وشكل الجهاز المحيط بها. في جميع البخاخات الهوائية الحثية، يُستغل الشفط بالقرب من الفتحة لسحب السائل إلى تيار الغاز، حيث يُفتت السائل إلى قطرات صغيرة خلال هذه العملية.

تُصنّف تصاميم البخاخات الهوائية الحثية الحالية إلى خمس فئات: 1. متحدة المركز: تدفق سائل محاط بتدفق غاز، أو تدفق غاز محاط بتدفق سائل؛ 2. التدفق المتقاطع: تدفق غاز عمودي على تدفق السائل؛ 3. مُحمل: يختلط الغاز والسائل في النظام ويُطلقان كتدفق مُدمج؛ 4. بابينغتون وأخدود V: يُنشر السائل على سطح لتقليل التوتر السطحي ، ثم يُمرر فوق فتحة غاز؛ 5. المسار الموازي: يُضخ السائل بجانب فتحة غاز، ويسحبه الحث إلى تيار الغاز.

تتضمن أجهزة التبخير غير الحثية الأحدث 3 فئات إضافية: 6. المسار المتوازي المحسن: يتم توصيل السائل بجانب فتحة الغاز ويتم سحبه إلى تيار الغاز بواسطة التوتر السطحي على طول فوهة؛ 7. ضبابية التدفق: يتم حقن السائل بالضغط في تيار الغاز؛ 8. الشبكة المهتزة: يتم دفع السائل من خلال ثقوب صغيرة بواسطة صفيحة فوق صوتية مهتزة.

البخاخات التحريضية

البخاخات متحدة المركز

تتكون البخاخات متحدة المركز من أنبوب شعري مركزي يحتوي على السائل، وأنبوب شعري خارجي يحتوي على الغاز. يسحب الغاز السائل إلى تيار الغاز عن طريق الحث، ويتحول السائل إلى رذاذ دقيق أثناء دخوله تيار الغاز. نظريًا، يمكن تبديل الغاز والسائل بحيث يكون الغاز في المركز والسائل في الأنبوب الشعري الخارجي، ولكن بشكل عام، يكون أداء هذه البخاخات أفضل عندما يكون الغاز في الخارج والسائل في الداخل. ^{[ 1 ]} أول براءة اختراع كندية للبخاخات متحدة المركز هي براءة الاختراع الكندية رقم 2405 بتاريخ 18 أبريل 1873. صُممت هذه البخاخات لتوفير رذاذ زيت أفضل في الموقد. تصميمها أكبر حجمًا، ولكنه في الأساس مطابق للبخاخات التحليلية الحديثة. أول بخاخ تم تطويره لأجهزة قياس الطيف كان تصميمًا زجاجيًا ابتكره الدكتور مينهارد من كاليفورنيا عام 1973. ^{[ 2 ]} مكّن تصميمه مستخدمي مطياف البلازما المقترنة حثيًا (ICP) الأوائل من الحصول على بخاخ لإدخال العينة بشكل متسق، ولكنه كان عرضة للانسداد بسهولة. تنتج العديد من الشركات اليوم أجسامًا متحدة المركز من الزجاج، ومنذ عام 1997 أصبحت الأجسام متحدة المركز من التفلون متاحة.

البخاخات ذات التدفق المتقاطع

تحتوي البخاخات ذات التدفق المتقاطع على أنبوب شعري للغاز مُثبَّت بزاوية قائمة على الأنبوب الشعري للسائل. يُضخ الغاز عبر الأنبوب الشعري للسائل، مما يُنتج ضغطًا منخفضًا يسحب السائل إلى تيار الغاز. عادةً ما يكون الشفط مشابهًا لما يحدث في البخاخات متحدة المركز. تتمثل ميزة التدفق المتقاطع في أن الأنبوب الشعري للسائل له قطر داخلي أكبر، مما يسمح بمرور المزيد من الجزيئات دون انسداد البخاخ. أما عيبه، فهو أن الرذاذ عادةً ما يكون أقل دقةً وتجانسًا. ^{[ 3 ]}

البخاخات المدمجة

لا توجد حاليًا أجهزة استنشاق تحليلية تستخدم هذه التقنية، ولكن بعض مواقد الزيت تستخدمها. تُستخدم هذه التقنية بشكل رئيسي في التصاميم القديمة، حيث أن التصاميم الحديثة ذات التدفق المتحد المركز والتدفق المتقاطع أفضل بكثير وأسهل في التصنيع.

البخاخات ذات الأخدود على شكل حرف V

تُشبه البخاخات ذات الأخدود V البخاخات ذات التدفق المتقاطع من حيث أن السائل يُضخ في أنبوب شعري بزاوية قائمة على الأنبوب الشعري للغاز، ولكنه يُسكب في أخدود رأسي يمر عبر فتحة للغاز. يسحب الغاز السائل إلى داخله مُشكلاً رذاذًا دقيقًا. تسمح هذه البخاخات باستخدام أنابيب شعرية سائلة ذات قطر داخلي كبير جدًا، ولكنها تفتقر إلى خاصية الشفط وتتطلب مضخة لتغذية الجهاز بالسائل. يجب توجيهها بشكل صحيح وإلا فلن تسمح للسائل بالمرور عبر تيار الغاز. وعادةً ما يُنتج رذاذها قطرات أكبر من تلك الناتجة عن البخاخات متحدة المركز أو ذات التدفق المتقاطع.

البخاخات ذات المسار المتوازي

طُوّر هذا التصميم بواسطة جون بورغينر من شركة بورغينر للأبحاث. في هذا التصميم، يمر تيار الغاز والعينة عبر البخاخ في أنابيب شعرية متوازية. عند طرف البخاخ، يُسحب السائل إلى تيار الغاز ثم يُنشر في الحجرة على شكل رذاذ.

يمكن الاطلاع على التاريخ المبكر لأجهزة الاستنشاق الطبية هنا . أما تطور أجهزة الاستنشاق التحليلية منذ إدخال تقنية ICP/ICP-MS فيُمكن رؤيته أدناه: ^{[ 6 ]}

التدفق المتقاطع القابل للتعديل في السبعينيات (براءة اختراع أمريكية رقم 4,344,574) ^{[ 7 ]}

1974 مينهارد كونسنتريك

1978 V-groove (بواسطة Suddendorf و Boyer) (براءة اختراع أمريكية رقم 4,206,160) ^{[ 8 ]}

1980 Pillar and Post (من تصميم غاربارينو وتايلور)

جهاز استنشاق GMK موديل 1983: زجاج بابينغتون ذو أخدود على شكل حرف V

جهاز استنشاق من نوع مينهارد سي، موديل 1983

1983 نفخ الزجاج الدقيق (مشابه لنوع Minehard A)

جاريل آش (ثيرمو) 1983 سافير V-groove

1983 ميدينجز ماك: تدفق عرضي ثابت من الزجاج

1984 مينهارد من النوع K: شعيرة داخلية غائرة

بدأت شركة Glass Expansion في عام 1984 بتصنيع الأواني الزجاجية بتقنية ICP

1985 بورغينر-ليجير - أول جهاز استنشاق تجاري من التفلون - ذو أخدود على شكل حرف V - بدون أجزاء قابلة للتعديل

1986 جهاز استنشاق دقيق للحقن المباشر من شركة فاسيل، رايس ولورانس (براءة اختراع أمريكية رقم 4,575,609) ^{[ 9 ]}

جهاز استنشاق هيلدبراند جريد 1986

أواخر ثمانينيات القرن العشرين، بيركن إلمر جيم تيب كروس فلو

1988 CETAC Ultrasonic Nebs

غرف إعصارية من ثمانينيات القرن العشرين

أول جهاز رش زجاجي من شركة Glass Expansion عام 1987 - جهاز VeeSpray (أخدود سيراميكي على شكل حرف V)

1989 توسيع الزجاج أول متحد المركز - كونيكال (مصنّع آلياً بدلاً من نفخ الزجاج)

1989 Noordermeer Glass V Groove (براءة الاختراع الأمريكية رقم 4,880,164) ^{[ 10 ]}

1992 تمدد الزجاج - رذاذ البحر غير المملح

زجاج ليشت المعدل ذو الأخدود على شكل حرف V، 1993

1993 Burgener BTF – أول جهاز شعاع ذو مسار متواز (براءة اختراع أمريكية رقم 5,411,208) ^{[ 11 ]}

1994-1995 مسارات بورجينر الرئيسية الموازية - BTS 50، BTN و T2002

بيركن إلمر جيمكون منتصف التسعينيات: أخدود V مصغر

مع إدخال جهاز ICP-MS إلى المختبر، أصبح إنشاء البخاخات الدقيقة أولوية من أجل توصيل كميات أصغر من العينة بمعدلات تدفق منخفضة.

في عام 1993، تم إنتاج جهاز التبخير عالي الكفاءة من ماينهارد (HEN)، والذي كان يتعامل مع معدلات تدفق منخفضة للغاية، ولكنه كان يتراكم فيه الملح ويتعرض للانسداد بسهولة نتيجة لذلك. (يحتوي على عينة أقل بـ 25 مرة من جهاز ماينهارد القياسي).

جهاز استنشاق سيتاك ميكروكونسنتركي 1997 – أول جهاز استنشاق تيفلون متحد المركز 50، 100، 200 أو 400 ميكرولتر/دقيقة

1997 Meinhard Direct Injection HEN – (DIHEN) (براءة اختراع أمريكية رقم 6,166,379) ^{[ 12 ]}

1999 شركة إليمينتال ساينتيفيك - بخاخات متحدة المركز من مادة PFA، 20، 50، 100 أو 400 ميكرولتر/دقيقة

1999 Burgener Micro 1: المسار المتوازي

2000 Burgener Micro 3: مسار متوازي

2001 Burgener Mira Mist: أول جهاز استنشاق متوازي المسار محسن (براءة اختراع أمريكية رقم 6,634,572) ^{[ 13 ]}

إعصار إيبوند 2004: زجاج متحد المركز

إنجينياتريكس ون نيب 2005: تقنية تشويش التدفق

2010 إيبوند لوسيدا: تفلون مايكرو كونستريكال

جهاز بورغينر PFA 250 موديل 2012: جهاز استنشاق بالرذاذ ذو مسار متوازي محسّن بتقنية التدفق الدقيق PFA

2010 – 2013 مينارد وتوسيع الزجاج: تحسينات كبيرة في الملحقات وتصميمات الزجاج المتحد المركز.

• https://web.archive.org/web/20131002010344/http://www.icpnebulizers.com/selection.html