汞物種自動超微量測定儀的製作方法
2024-03-28 13:35:05
專利名稱：汞物種自動超微量測定儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及超微量汞物種測定儀，尤指一種利用半自動或全自動流動注入閥取代人工處理、將複雜耗時的檢驗分析，提升到簡易、方便及多管道的快速測定，藉此可用於實驗室或野外現場的測定，達到操作簡單快捷，不受環境汙染，可精確測量環境樣品低濃度汞的不同物種的汞物種自動超微量測定儀。
目前最廣泛使用，且被美國環保署認可的環境測汞的標準方法(EPAstandard-method #1631)，叫二階段汞劑濃縮測定法(Dual stageamalgamation)，雖可測極微量的汞，但無法滿足環境精準快穩野外現場立即監測的要求，因牽涉到人工複雜耗時的操作及裝置未能線上作業的問題，以致同其他傳統的方法一樣，要面對有關品保和品管(GA/GC)數據不準的問題。
上述二階段汞齊測定法，是利用金子可吸附元素氣態汞成為汞齊的特性，在微細的海砂或玻璃珠表面鍍上一層金膜，然後將金砂(珠)置入石英管中，成為一預濃縮阱管(凝氣瓣)(preconcentration trap)可用來濃縮環境樣品中的微量汞，進而由儀器分析定量。此法的特色在於，它包含二支阱管，一是樣品阱管(sampling trap)，另一是分析阱管(Analyticaltrap)，用意在於減少基質幹擾、避免分析阱管的汙染、樣品阱管的品質易於校正、可延伸至多樣品的分析(ie.，多樣品阱管只配合一個分析阱管)等。以下簡述一般測水樣中無機二價汞的分析流程首先，利用鼓氣，將水樣中的二價汞經還原作用成氣態的元素汞收集到樣品阱管，若是收集空氣中的氣態汞，則直接打氣進入樣品阱管。第二，鼓氣完成後，取下樣品阱管再移置於載體的氬氣流中，除去凝結於管中的水氣。第三，將樣品阱管移置於分析的裝置，在氬氣(Ar)載流中，與分析阱管前後以人工加以串聯。第四，加熱樣品阱管至600℃趕出汞，使汞元素藉氬氣載流被帶至分析阱管中。之後，再將分析阱管加熱至600℃趕出其中的汞，由氬氣載流將汞帶至偵測儀器中，如原子螢光儀(AtomicFluorescence Spectrometer)進行偵測，且加以定量。
由此可見，上述習知的二階段汞齊測定方法，仍停留在以人工分段進行技術階段，而且必須在實驗室中用大量的器具方能完成，不僅操作不便、無法適於機動性的測定，且移動易受諸多因素的作用，而影響其精確性。
本實用新型的技術方案一種汞物種自動超微量測定儀，至少包括二個流動注入閥、一偵測裝置及一流速儀；其特徵在於流動注入閥，為可任意切換流向的多向閥體，其中一流動注入閥包含以管線連接的一樣品阱管，並於樣品阱管外設有一用來趕出吸附在金沙上汞的加熱裝置；而另一流動注入閥包含以管線連接的一分析阱管，該分析阱管外設有一加熱裝置；偵測裝置，為偵測汞物種的裝置，並以管線連接在具有分析阱管的流動注入閥後；流速儀，為控制二個流動注入閥之間的管線及其全程氬氣及其流速的裝置；上述具有分析阱管的流動注入閥以管線配置於具有樣品阱管的流動注入閥輸出口後，以組成汞物種自動超微量測定儀。其中所述具有樣品阱管的流動注入閥可為多個，並共同以管線連接於具有分析阱管的流動注入閥前而進行多管分步分析。
所述流動注入閥可為半自動或自動的閥體。
所述樣品阱管內可裝有汞吸附劑。
所述加熱裝置為包圍於樣品阱管及分析阱管外的一鎳鉻線圈，並與變壓轉換器連接。
所述具有樣品阱管的流動注入閥的樣品阱管，其管線前設有連通的一預淨阱管，該預淨阱管為純化幹擾測定物質的裝置。
所述偵測裝置管線後，且位於具有樣品阱管的流動注入閥前，設有呈接通狀的一純化阱管，該純化阱管為降低幹擾測定空白背景的裝置。
所述管線選定處可增設用以定量樣品汞濃度的一手動或自動的T型注入樣槽。
所述可測定有機汞的分析阱管可為層析系統及原子化管。
所述具有分析阱管的流動注入閱，可另外增設一能測定無機汞及有機汞的一層析系統及一原子化管。
所述偵測裝置可為一原子螢光儀。
本實用新型的有益效果其設計原理，是從傳統的、實驗室的、手動的、分段的二階段汞劑濃縮測定法(one channel dual-stage amalgamation)，具體改造成半自動或全自動線上管線甚至多管線的同步分析偵測裝置，即可是三、四、十等多個具有樣品阱管的流動注入閥及管線(即多樣品阱管配置於一分析阱管)，亦可僅設有一組具有樣品阱管的流動注入閥V1，而配合具有分析阱管的流動注入閥V3即可。其設計可彈性變化，完全依實驗者的需求而定；其組成、架構相當合理精簡，且手段新穎，具有價廉、實用、多功能、簡易、快穩、精準的諸多優點。並可使用於實驗室或者野外現場的測定，其操作簡單、不受環境品質的影響，無需無塵室就可精確測量環境樣品低濃度汞的不同物種。
圖2，為本實用新型半自動流動注入閥的立體圖。
圖3，為本實用新型全自動流動注入閥的立體圖。
圖4，為本實用新型流動注入閥切換為濃縮動作的示意圖。
圖5，為本實用新型流動注入閥切換為注入動作的示意圖。
圖6，為本實用新型測定有機汞的結構配置圖。
圖7，為本實用新型全方位測定汞物種的結構配置圖。
圖8，為本實用新型設有抽氣泵的實施例示意圖。
圖9，為本實用新型設有鼓氣槽的實施例示意圖。
具體實施方式
參見
圖1-5，一種汞物種自動超微量測定儀，是一種可半自動或全自動同步進行線上分析的偵測裝置(on-line dual-channel detectiondevice)，其主要包括三個流動注入閥V1、V2、V3、一預淨阱管2、一偵測裝置3、一流速儀4、一純化阱管5及一T型注入樣槽6，並以其間管線的配置所組成。其中三個流動注入閥V1、V2、V3(以下簡稱閥V1、V2、V3)，是供連接並控制樣品的濃縮及注入的半自動或全自動的多向閥體，如圖2、3所示，可為半自動或全自動的六向閥體(亦可為十向或十二向等閥體)，其中該閥V1、V2各包含由管線連接的一支阱管(Trap)，為樣品阱管11(Sampling trap)，其內部裝有汞吸附劑，例如金沙(Au-coated sand)用以吸附元素汞(Hg0)，或有機吸附劑(例如Tenax-TA)，用以吸附有機汞(Monomethyl Hg，dimethylHg等)，其汞吸附劑是依實驗目的及要求而選定，且於樣品阱管外包圍有一鎳鉻線圈(加熱裝置)，連接於變壓轉換器12，該線圈可加熱至600℃，用於趕出吸附在金沙上的汞(濃縮)，並於該閥V1或V2轉換流向時，可將濃縮樣品由管線輸送至閥V3。
該流動注入閥V3，包含由管線連接的一分析阱管13(Analytical trap)，用以孤立分析阱管的別氬氣載流通過，減少空白背景的測值，在分析阱管13外亦包圍有一鎳鉻線圈(加熱裝置)，使該鎳鉻線圈連接於一變壓轉換器12，而可加熱至600℃，以加熱分析阱管13至600℃，趕出來自樣品阱管中的汞，以提供偵測裝置3的分析。
本實用新型亦可僅設有一個具有樣品阱管11的流動注入閥V1及一個具有分析阱管13的流動注入閥V3，亦可同時設有多個具有樣品阱管11的流動注入閥，而共同連接於流動注入閥V3，因此，該具有樣品阱管11的流動注入閥的數目並不限於定數。
預淨阱管2，是一種在樣品氣體經由管線進入樣品阱管前，用以移除、純化幹擾測定的水氣或有機物質的裝置。當測定無機汞時，預淨阱管(內含酸中和兼乾燥劑，即石灰鹼(Soda lime)及有機吸附劑(Tenax-TA)前，可再加裝鐵弗龍薄膜或者乾燥管(Dryer tube，Nafion dryer，Perma Pure)，可進一步移除水氣；當測定有機汞時，預淨阱管內則放置石灰鹼(Sodalime)而無有機吸附劑(Tenax-TA)。前述預淨阱管2乃可以二各分別連接於該流動注入閥V1及V2，且位於T型注入樣槽6及樣品阱管11的管線前。
偵測裝置3，是一種偵測汞物種的裝置，可為一種原子螢光儀(AtomicFluorescence Spectrometer)，並以管線連接於前述流動注入閥V3的出口後。
流速儀4，是一種控制測定儀、流動注入閥V1、V2至V3之間的管線、其全程氬氣及其流速的質量流速儀。
純化阱管5，是一種載流氣體，如氬氣經由管線進入偵測儀的樣品或分析阱管前，用以移除載流氣體中的微量汞，以降低幹擾測定的空白背景的裝置。其內部裝有汞吸附劑，例如金沙(Au-coated sand)及有機吸附劑(例如Tenax-TA或Carbotrap)。
T型注入樣槽6，其選擇設置的一種可手動或自動的注入樣槽，以方便使用者注入標準氣體汞，用以定量樣品泵的濃度，其可僅選用一個設置於純化阱管5之後及流動注入閥V1的管線前(如圖9所示)；或選用三個分別設置於閥V1、V2及V3迴圈內的樣品阱管11及分析阱管13的管線前(如圖1、7所示)；或選用三個並將其中二個分別設定於閥V1、V2迴圈內的樣品阱管11的管線前，而另一個則設置於純化阱管5之後及流動注入閥V1的管線前(如圖8所示)，因此，其裝配位置並不限於一定。
上述三個流動注入閥V1、V2、V3、一預淨阱管2、一偵測裝置3、一流速儀4、一純化阱管5及T型注入樣槽6等配置結構的特徵，使流動注入閥V3以管線配置於二個流動注入閥V1、V2輸出口之後，並將各構件配置於一適當的殼體中，即可組成汞物種自動超微量測定儀。
汞物種自動超微量測定儀的特徵在於將實驗室中的手動的、分段的二階段汞劑濃縮測定法(one channel dual-stage amalgamation)，具體轉化成半自動或全自動線上分析的偵測裝置，以方便進行偵側。尤其當設有二個流動注入閥V1、V2時，可同時上載二個樣品，直接將待測元素汞收集於流動注入閥V1和V2的樣品阱管11中，之後進行相互交差運行的管路一(即管路流程經過閥V1和V3的簡稱)及管路二(即管路流程經過閥V2和V3的簡稱)之反覆和連續測定。
其操作使用步驟，以管路一為例說明如下(如圖1所示)，在樣品氣體經管線進入樣品阱管11使汞被濃縮前，第一先通過預淨阱管2，用以移除幹擾測定的水氣及有機物質，之後再通過流動注入閥V1申的一個T型注入樣槽6，最後樣品氣體經管線進入樣品阱管11，氣樣中的待測元素汞即被內部汞吸附劑收集、濃縮，其餘氣樣則自閥V1排出；一旦樣品經樣品阱管11，汞濃縮到可偵測的範圍時，即可將閥V1從濃縮轉動至注入(即脫吸附Desorption)位置(準備將脫離吸附之汞轉至分析阱管13)，該閥的操作(如圖4、5所示，其操作完全相同)有濃縮(Trap)及注入(Injection)。同時將閥V3從孤立待命(Stand-by)狀態轉動至吸附/脫吸附(Trap/Desorb)的位置，此時整個管路處於氬氣載流的流程中，亦即氬氣經過閥V1和V3迴圈中的阱管11和13，預備進一步阱管加熱的分析。
約一分鐘，待氬氣流平穩後，即加熱樣品阱管11至600℃趕出汞，由氬氣載流將汞經管線流至閥V3。而汞進一步被收集於流動注入閥V3中的分析阱管13(Analyticaltrap)，約2分鐘後，遂將分析阱管13加熱至600℃約一分鐘，被趕出的汞則進入上述偵測裝置3，即可被偵測裝置3，例如原子螢光儀(Atomic Fluorescence Spectrometer)，在波長253.7nm的光譜下分析、偵測，並以流速儀4控制全程載流氬氣及流速，此載流氬氣是一種不含汞的氣體，在進入阱管前，已通過純化阱管5移除載流氣體中的微量汞；最後，該偵測裝置3的分析訊號，即可由電腦的層析軟體7接收、記錄、定量並存檔。
按上述步驟進行全程分析的時間，從樣品阱管11轉入氬氣載流中，加熱脫吸附，偵測汞到分析訊號接收記錄，前後總共五分鐘，其全程分析可自動化，利用在層析軟體7中自行設定的流程，直接由電腦控制；且運用本裝置可共同或分別設有一小型電扇8(如圖1所示)，以便在樣品阱管11或分析阱管13加熱後，會自動開啟一分鐘，冷卻加熱後的樣品阱管11及分析阱管13；因此，本實用新型會使前述在實驗室進行的二階段汞劑濃縮測定法，更具有一種方便、快速且實用的效果。
由於本實用新型可同時設有數個具有樣品阱管11的流動注入閥V1、V2，因此，當管路一執行完測定後，可接著執行管路二的分析，其操作步驟與管路一相同。在執行管路二的測定過程時，可在管路一同步上載樣品氣體，待元素汞濃縮完畢後，就可馬上接著進行測定。同樣在執行管路一的測定過程時，在管路二亦可同步上載樣品氣體，如此周而復始的設置程序，可使本實用新型能夠反覆進行待測元素汞的收集及測定，即可在汞物種自動超微量測定儀下進行相互交差的連續測定；同理，本實用新型若設置有多個具有樣品阱管11的流動注入閥而共用一流動注入閥V3時，其反覆、連續操作的步驟亦同上所述。
參見圖6，以上所述是用金沙偵測樣品中的無機汞，若要測定其他有機汞時，其樣品阱管11的吸附劑則改用有機吸附劑(Tenax-TA)；而且其他的實驗條件必須隨著變動，如加熱裝置的線圈只需加熱至300℃、氣體載流流速、T型注入樣槽圍覆著一熱包(加熱裝置，約1500℃)及分析時間不同等。另外，在流動注入閥V3的分析阱管13換為層析系統14及原子化管15(加熱至800℃)，用作分離有機汞物種，並將其逐一原子化，以便該偵測裝置3，例如原子螢光儀(Atomic Fluorescence Spectrometer)的偵測。此裝置的設計原理、結構、操作方法與圖1所示完全一致。
參見圖7，主要將分析阱管13、層析系統15及原子化管16各放置在流動注入閥V3的兩側，此組合可方便測定無機汞或有機汞的物種。只要通過該流動注入閥V3的轉動、樣品阱管11的更換及實驗條件的設定，即可適用於使用者所需要測定的物種。以上閥中迴圈的分析及樣品阱管的更換，可由額外的流動注入閥的加入，進行自動化的選擇及切換。
以上所述的偵測儀，可再依實驗者的研究需求，彈性組配周邊的輔助分析設備，供直接在線上連接裝設，即可提供不同環境樣品中汞物種，如元素汞(Hg0)、二價汞(Hg2+)、單甲基汞(monomethylmercury，M M Hg)、雙甲基汞(Dimethymercury，DMHg)等的分析。其分析輔助設備簡述如下若是分析空氣的氣態元素汞及其物種，需要一個小型抽氣泵10(如圖8所示)，將氣體直接抽入樣品阱管11，氣態汞即被收集於阱管11中的吸附劑上，其餘氣樣則被排出，此抽氣泵10的位置最好設在流動注入閥V1和V2的氣體出口處(Vent)的連線管路上，同時在流動注入閥V1、V2和抽氣泵10之間分別連接一個流速儀4，以控制流經閥V1及V2中之阱管的氣樣流速，另外注入閥V1及V2的氣樣進口處則可分別連接一個多層過濾碟30(Filter disk)，其內部裝石英砂和鐵弗龍濾紙等，以防止懸浮顆粒及水氣進入樣品阱管11，造成對測定的幹擾，經過如此簡單的組裝，即可架設一套監測環境空氣品質汞的偵測儀。
參見圖9，若分析水樣的氣態元素汞及其無機、有機汞物種，則需要一個氣、液相分離的鼓氣槽20(Gas-liquid separator/bubbler；可大至2L，可小至50ml，其樣式或大小均可改變，依待測樣品而定)，將水樣導入槽中，利用氮氣(N2)鼓氣，將水樣中的非揮發性的汞物種經衍化作用變成揮發性的汞物種，如二價汞經還原作用變成氣態的元素汞；甲機汞經乙機衍化作用生成揮發性的有機汞，遇到樣品阱管11中的吸附劑上予以收集，經一段時間鼓氣完成後，即可進一步依偵測儀的操作步驟進行測定。如本實用新型有兩個或多個流動注入閥V1和V2時，需將二個或多個鼓氣槽20分別設置於流動注入閥V1和V2的氣樣進口管路上，再利用流速儀4，將其置於鼓氣槽20前，以控制鼓氣流速，用來鼓氣的氮氣通過純化阱管5後，就可移除鼓氣氣體中的微量汞，以降低幹擾測定的空白背景值。經此一簡單的組裝，即可架設一套連續流動或批次的汞自動偵測儀。至於分析固樣的無機、有機汞物種，需有前述處理步驟，如利用溼式消化法將固樣變成水樣等，之後導入液態樣品於鼓氣槽，作進一步的分析，其操作原理及步驟與分析水樣一樣。
上述偵測儀，經輔助分析設備的彈性搭配後，二管路可同時測定水樣、氣樣或分開一個測定水樣、一個測定氣樣，其設計完全依實驗目的而定。其各儀器組件完全是線上連接，從起初的樣品採樣、氣液分離、濃縮、物種分離至最後的偵測、紀錄、分析數據為止。其主體管線是由3.2mm直徑的鐵弗龍材質的細管和連接管構成，組件與組件間的連接線路儘可能採用最短的配置，以防止分析過程中水氣的凝結及提高測定的效率，至於，分析過程則完全是在一個密閉的管線中進行，故不受環境汙染，即便在惡劣的環境場所(如山上、海上、飛機上等)操作、也同樣可得到精密及準確的分析數據。
權利要求1.一種汞物種自動超微量測定儀，至少包括二個流動注入閥、一偵測裝置及一流速儀；其特徵在於流動注入閥，為可任意切換流向的多向閥體，其中一流動注入閥包含以管線連接的一樣品阱管，並於樣品阱管外設有一用來趕出吸附在金沙上汞的加熱裝置；而另一流動注入閥包含以管線連接的一分析阱管，該分析阱管外設有一加熱裝置；偵測裝置，為偵測汞物種的裝置，並以管線連接在具有分析阱管的流動注入閥後；流速儀，為控制二個流動注入閥之間的管線及其全程氬氣及其流速的裝置；上述具有分析阱管的流動注入閥以管線配置於具有樣品阱管的流動注入閥輸出口後，以組成汞物種自動超微量測定儀。
2.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述具有樣品阱管的流動注入閥可為多個，並共同以管線連接於具有分析阱管的流動注入閥前而進行多管分步分析。
3.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述流動注入閥可為半自動或自動的閥體。
4.根據權利要求3所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述流動注入閥可為六向、十向或十二向的流動注入閥體。
5.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述樣品阱管內可裝有汞吸附劑。
6.根據權利要求5所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述汞吸附劑可為用於吸附元素汞的金子、金沙或金珠。
7.根據權利要求5所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述汞吸附劑可為用以吸附有機汞的有機吸附劑。
8.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述加熱裝置為包圍於樣品阱管及分析阱管外的一鎳鉻線圈，並與變壓轉換器連接。
9.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述具有樣品阱管的流動注入閥的樣品阱管，其管線前設有連通的一預淨阱管，該預淨阱管為純化幹擾測定物質的裝置。
10.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述偵測裝置管線後，且位於具有樣品阱管的流動注入閥前，設有呈接通狀的一純化阱管，該純化阱管為降低幹擾測定空白背景的裝置。
11.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述管線選定處可增設用以定量樣品汞濃度的一手動或自動的T型注入樣槽。
12.根據權利要求11所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述T型注入樣槽可設一個設置於純化阱管之後及流動注入閥之管線前。
13.根據權利要求11所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述T型注入樣槽可設數個，分別設置於各流動注入閥迴圈內的樣品阱管及分析阱管的管線前。
14.根據權利要求11所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述T型注入樣槽可設有多個，分別設置於具有樣品阱管的流動注入閥其迴圈內的樣品阱管的管線前，並將其中一個設置於純化阱管之後及流動注入閥之管線前。
15.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述可測定有機汞的分析阱管可為層析系統及原子化管。
16.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述具有分析阱管的流動注入閥，可另外增設一能測定無機汞及有機汞的一層析系統及一原子化管。
17.根據權利要求1所述的汞物種自動超微量測定儀，其特徵在於所述偵測裝置可為一原子螢光儀。
專利摘要一種汞物種自動超微量測定儀，是一種半自動或全自動雙管線上同步分析的偵測裝置(on－line dual－channel detection device)，其主要是利用流動注入分析技術，在管線上連接主要的化學分析裝置，而構成可自動化測定，精準、快速測量環境樣品中微量汞物種的測定儀；其可進一步提供使用於實驗室或野外現場(如船上)測定，其操作簡單且不受環境品質汙染的影響，無需無塵室就可精確測量環境樣品(如空氣、水、沉積物、土壤、植物、生物等其他樣品)低濃度汞的不同物種，例如元素汞、二價汞、單甲基汞、雙甲基汞等。
文檔編號G01N33/08GK2603394SQ0323715
公開日2004年2月11日 申請日期2003年1月30日 優先權日2003年1月30日
發明者曾鈞懋 申請人:曾鈞懋, 莊貴忠