一種可攜式吹掃捕集採樣器的製作方法

2023-06-06 09:12:27 2

該發明涉及一種可攜式吹掃捕集採樣器，用於液體類樣品中的揮發性組分的富集採樣。

背景技術：

在工農業生產、公共安全、科學研究等涉及液體類樣品中揮發性組分的分析檢測領域，分析或科研工作者首要面對的問題是在運用各種商品化的專用檢測儀器之前，如何科學、準確、高效、快捷地實現樣品的前處理環節，直接關係到後續儀器檢測分析的成敗。在現有的分析檢測試驗室內，用於液體類樣品中揮發性組分的專用檢測分析儀器（如氣相色譜儀、氣相色譜質譜聯用儀）對於通過進樣方式導入其中的揮發性組分樣品有以下要求：一是揮發性組分的濃度要大於儀器的最低檢出限，因為每種儀器都有其自身的檢測靈敏度的技術限制；二是揮發性組分的採樣體積要準確，否則後續儀器即便性能多麼精確，也得不到正確的定量結果；三是導入的揮發性組分中不能含有水蒸氣或允許含有極微量的水蒸氣，因為每種儀器的一些核心部件是嚴禁與水蒸氣接觸的，否則損壞儀器；四是儀器的一些分析部件雖然通過技術措施達到可以短時間耐受水蒸氣的影響，但長時間、多次的樣品導入，會縮短該部件的使用壽命，導致分析檢測的成本大幅度增加；五是為了提高分析檢測的效率，要求單個樣品的檢測時間要縮短，樣品與樣品間等待儀器準備就緒的時間間隔要縮短，這就要求對揮發性組分的採樣做到選擇性的精準採集，即要檢測的目標組分充分採集，非目標組分儘可能的少採集或不採集，使得導入儀器中的雜質組分相對大大減少，從而縮短樣品的檢測時間和儀器的準備時間；六是揮發性組分擴散性強不宜採集，且受外界溫度影響大，不宜保存和運輸，即當時採樣當時完成檢測，這為分析檢測工作帶來了很大困難；七是一些特殊行業如軍事、公共安全、科學考察等要求現場及時快速完成樣品採集，即要求樣品採集的時效性很強。

目前該技術領域現有的揮發性組分採樣器主要是傳統的吹掃捕集在線採樣進樣器，如圖1所示。該採樣器儘管在該領域發揮了很大作用，但不能全部滿足上述七點採樣要求，因此，其行業通用性受到局限，不能廣泛使用。下面以圖為例逐一具體分述。

如圖1所示，傳統的吹掃捕集在線採樣進樣器。其由一個盛放液體類樣品的吹掃管（5），一個供加入液體類樣品的三通切換閥ⅰ裝置（1），一個「t」形連接三通裝置（2），一個加熱溫控的四位切換閥ⅱ（6），一個可更換的除水阱裝置（15）及其加熱控溫裝置（未畫出）一個冷聚焦裝置（16），一個可更換的具有選擇性吸附的揮發性組分吸附阱（17）及其加熱溫控裝置（未畫出），一個加熱溫控的六位切換閥ⅲ（14），一個具有加熱溫控功能的樣品傳輸管路（18），通過該傳輸管路安裝連接到主分析檢測儀器的進樣口上，與主分析檢測儀器構成一套不可分離的裝置。此外，吹掃捕集在線採樣進樣器通過其控制系統由軟體來自動控制。工作時，液體類樣品先經三通切換閥ⅰ裝置（1）引入吹掃管（5），並啟動吹掃過程，液體中的揮發性組分包括水蒸氣一起被逐步吹出，經四位切換閥ⅱ（6）切換氣路進入到除水阱（15），大部分水汽被內部的吸附劑選擇性吸附，其它組分不被吸附，之後進入樣品吸附阱裝置（17），目標組分被內部填裝的選擇性吸附劑所吸附，然後啟動升溫程序，加熱樣品吸附阱，高溫下被吸附的組分被解析下來，經載氣轉運，通過溫控傳輸管路進入主檢測儀器的進樣口，完成樣品的採集與進樣過程。之後，除水裝置啟動升溫程序，除去所吸附的水蒸氣。

吹掃捕集在線採樣進樣器，採用了在不加熱液體而利用特定的吹掃載氣吹掃出其中的揮發性組分，並用選擇性吸附劑吸附的原理，實現了目標組分精準採樣，但另一方面，仍存在著一些難以解決的問題。具體如下：從樣品吹掃管到目標組分樣品吸附阱之間的管路較長，導致目標組分在傳輸過程中擴散嚴重，又加之目標組分吸附阱結構為細長的管狀，一般尺寸約直徑4mm，長度250mm,內部填充的吸附劑也呈長管狀分布，因此傳輸過程中被擴散後的目標組分，當到達吸附阱時被多個吸附位點吸附。理論上，最理想的吸附狀態是目標組分被較窄的且具有更大的吸附活性位點的比表面積的吸附劑吸附，這樣在一段很窄的吸附阱內形成高濃度的目標組分帶，之後吸附阱被高溫加熱，吸附的組分被解吸附，解吸附過程又是組分擴散的過程，被解析的組分通過1米多長的傳輸管路經載氣運輸到主分析檢測儀器的進樣口進行分析。一路經過長距離運輸，目標組分最終擴散嚴重，最後的檢測結果是，多組分之間的分離度不好，高含量組分掩蓋了低含量的組分，性質相近的組分無法分離開來，影響定量結果。另一方面傳統的吹掃捕集採樣進樣器只能與其它主分析檢測儀器在線使用，因此，不能滿足現場和野外採樣。再者，樣品吸附阱外周包被著溫控加熱裝置，且被安裝在儀器內部，不同用途的樣品吸附阱之間更換相當繁瑣，尤其作方法優化時，費時耗力，效率低下。最後一點是，因吸附阱的尺寸較大，內部填充了很多的吸附劑，導致每個吸附阱的價格昂貴，後續使用成本很高；同時，較大的吸附阱，會吸附更多的與目標組分結構相近的近似物，淨化時，需要更長的老化時間，導致樣品與樣品間的儀器準備時間延長，使工作效率大大降低。

技術實現要素：

鑑於上述傳統的吹掃捕集採樣進樣器存在的一些問題，本發明的目的在於，提供一種結構設計更加科學、簡潔、可攜式的吹掃捕集採樣器。從而解決了樣品組分擴散嚴重，組分間峰分離度低，定量結果不好，以及使用成本高，一些領域如現場採樣，野外採樣的問題，滿足了更多行業用戶的需要。

本發明提供了一種可攜式吹掃捕集採樣器，用於液體類樣品中揮發性組分的採集。它包括：基於一個內置式微控制系統為控制核心的，至少一個進氣管路及其連接、一個氣體在線過濾裝置、一個氣體壓力調節裝置、一個氣體流量控制裝置、一個抽氣泵、一個具有溫控功能的液體樣品盛裝容器、一個一端通過連接部件連接氣體流量控制裝置、另一端連接液體樣品容器的連接管路、一個特製的「t」形三通連接裝置、一個連接「t」形三通採樣端的樣品富集部件、一個多位切換閥裝置和一個內置可充電電源。

本發明的可攜式吹掃捕集採樣器，採樣端的富集部件採用填裝有選擇性吸附劑的富集針或富集管，極大地簡化了儀器的結構，可以實現在樣品吹掃盛裝容器的出氣口處吸附目標組分，可以解決組分擴散嚴重的問題；同時，富集針尺寸很小，一般直徑約0.7mm，長度50-70mm；富集管直徑4mm,長度50mm,且吸附劑顆粒細小，具有更大的吸附活性位點的比表面積，形成更高濃度的組分吸附帶。另一方面，更少的吸附劑，減少了雜質的吸附，淨化時，只需要幾分鐘的時間，大幅縮短儀器準備時間；再者，富集針/富集管採樣完成後便於儲存運輸，其成本很降。因整體裝置的結構極為簡化，因此，顯著降低了使用者的成本。

本發明提供了一種新型的「t」形三通連接裝置，使得採樣時富集針/富集管的另一端處於開路狀態，揮發性的組分中的水蒸氣與其它不吸附的組分被直接放空到外面空氣中，因此，水蒸氣的含量及其微量。同時，更換不同種類的富集針/富集管時，操作簡單，大大提高工作效率。

本發明在整套裝置的控制系統方面，提供了一種更簡潔的、成本更低的內置式微處理器單元，大幅度降低了裝置的製造成本；在電源的供給上，採用了高能可充電電源，實現了野外現場採樣。

附圖說明：

圖1為傳統在線吹掃捕集採樣進樣器的整體結構例的模式圖。

圖2為示出本發明的一個實施方式的整體結構例的模式圖。

圖3為示出本發明的一個實施方式的「t」形特殊三通的示意圖。

圖4為示出本發明的一個實施方式的富集針和富集管的示意圖。

其中附圖說明如下：

(1)三位閥(2)「t」形三通連接部件

(3)樣品盛裝容器加熱器(4)溫控器

(5)樣品盛裝容器(6)四位閥(帶溫控)

(7)系統微控制器(8)質量流量控制器

(9)電磁閥(10)在線過濾器

(11)氮氣或氦氣源連接螺母(12)電源

(13)耐腐蝕管路(14)六位閥（帶溫控）

(15)除水阱(16)冷聚焦部件

(17)樣品吸附阱(18)溫控矽鋼轉移管路

(19)抽氣泵(20)快速接頭i

(21)氣體壓力調節器(22)吸附管

(23)捕集針

a排液位b上樣位c洗液位

2a「t」形三通連接三位閥端2b「t」形三通連接四位閥端

2c「t」三通連接」u」形管端2d「t」形三通採樣端連接

2e「o」形密封圈2f不鏽鋼螺帽2g密封墊

具體實施方式

請參考圖2、圖3、圖4所示，（13）為連接外源吹掃氣的管路，管路的材質要求耐化學腐蝕、且化學惰性，以及最好具有柔軟性，外源吹掃氣由此進入。本實施例採用了聚四氟乙烯材質管路。該管路安裝在氮氣或氦氣源連接頭i（20）上，為滿足可攜式裝備中部件的便於經常性拆卸的需要，本發明採用了快速接頭式連接，材質為耐化學腐蝕的高分子聚合物，也可以採用不鏽鋼或peek螺帽接頭。通過連接i，採用相同規格相同材質的管路與在線氣體過濾器（10）連接，以除去毫微米級的機械顆粒物，防止進入到下遊的氣體流量控制器中損壞流量計，在線過濾器具有一定的使用壽命，可方便更換。（21）為氣體壓力調節器，用以初步控制外界具有一定壓力的吹掃載氣，使之壓力維持在一個適宜的工作範圍內，本實施例中提供了兩種可選方案，數控式或手動式壓力調節器，實際壓力顯示通過led屏或機械錶頭顯示。（8）為精密的氣體質量流量控制器，其通過內部的cpu單元、傳感器等實現氣體流量的精確測定與控制，cpu中輸入有相應的控制程序。採樣時，啟動電源，採樣速率和採樣體積經控制系統的面板工作鍵輸入，系統的cpu將這些數值進行換算，並傳遞到氣體流量控制器，該模塊通過壓力傳感器檢測吹掃氣的流量並作出結果判定，並啟動計時器計時，當達到設定吹掃體積時，即結束吹掃採樣。（13）為連接抽氣泵與樣品盛裝容器進氣口的管路，吹掃載氣由此進入液體類樣品盛裝容器，吹掃出液體中的揮發性組分，該管路除材質要求耐化學腐蝕、化學惰性以外，要求柔韌性能好，多次折壓不會斷裂。本實施例中，為了便於現場野外作業，將所有單元模塊放置在一個較小的手提箱內部，同時在空間布局上，將樣品吹掃管件、目標組分富集部件、「t」形三通連接、多位切換閥分布在箱蓋內部空間區域，所有其它控制器部件及充電電源分布在箱底空間區域內，當箱蓋經常開閉時，管路（13）也不會折斷。本實施例中以此為例加以說明本發明的技術思想和精神，但在實際實施中，各部件的布局不僅局限於此例。

圖2所示為液體類樣品盛裝容器（3），本實施例以一側具有濾板結構的「u」形管加以揭示，但本發明的精神不以此為局限，如平底試管以及長形瓶（後二者內部的進氣管末端具有大截面的多孔狀濾頭裝置，使吹掃載氣的吹掃面積最大化）；進氣口和出氣口的兩端連接通過耐腐蝕的可拆卸密封連接件連接。被吹掃載氣吹出的揮發性組分隨同吹掃載氣由出氣口出來進入「t」形三通連接裝置，（3）為樣品盛裝容器加熱器，如金屬加熱和加熱絲加熱，此加熱器用於對清洗後的容器加熱，快速烘烤乾燥其中的水分以及殘留物，以備下個樣品進樣；（4）為數顯溫控器，加熱所需溫度由此面板輸入，其內部的溫度傳感器會實時監測溫度並反饋控制系統進行調控，實時溫度顯示在其顯示屏上，（2）為「t」形三通連接，材質為耐化學腐蝕和化學惰性，如不鏽鋼、peek、聚四氟乙烯等；（b）為加液管路，上樣後的液體類樣品經此管路被輸送到樣品盛裝容器內。本實施例中可採用peek或不鏽鋼材質，其與「t」形三通連接和三位切換閥的連接是通過peek材料的螺帽結構密封連接，（1）為多位切換閥裝置，本實施例中以三位切換閥為例，但並非局限於此，閥體採用耐腐蝕的不鏽鋼、聚四氟乙烯、陶瓷等材質，（1b）閥位供連接進樣器加液用，液體類樣品上樣時，進樣器抽取樣品定量後，與此閥位經鎖口螺母鎖定密封，樣品被加入；（1b）、(1c)閥位連接排廢液管路和洗液管路，樣品被設定體積的吹掃載氣吹掃採樣結束後，留下的液體即為廢液，此時旋動旋鈕將閥位切換至排廢液管路位，在容器內壓作用下，廢液即被排出；之後，將閥位旋切到洗液管路閥位，洗液即被加入到樣品盛裝容器，進行清洗過程，清洗完畢後，排廢液，再加熱烘烤；（2b）為採樣端連接，本實施例中用不鏽鋼螺帽和有機矽橡膠密封墊連接樣品富集針以及用不鏽鋼螺帽和矽橡膠或石墨密封圈連接樣品富集管。被吹掃出的揮發性組分在此處，經富集針的針孔一端進入針內，被吸附劑吸附，不被吸附的組分被排出空氣中，同樣如採用富集管吸附，過程相似。至此，吹掃捕集採樣全程完成，富集針或富集管被拿去進行分析檢測，或兩端密封放入包裝盒內暫時儲存或運輸。

圖4所示為內部填充有化學選擇性吸附劑的富集針和富集管，本實施例中以玻璃材質為例，內部的吸附劑如改性後的活性炭、聚二甲氧基矽氧烷等單一或多種混合吸附劑。

本實施例的採樣系統控制流程主要有下列5個步驟：

第一步，在控制系統的面板上通過功能鍵輸入採樣速率和採樣體積；第二步，微處理器將指令進行換算為可監測的壓力參數和時間參數，並輸出到氣體流量控制器單元和計時器單元；第三步，氣體流量控制器根據其內部的壓力傳感器反饋進行流量判定是否開始採樣計時；第四步，調控到正確的設定值時，計時開始，採樣開始；第五步，採樣完成後，關閉閥門，計時器終止。

綜上所述，本發明所提供的可攜式吹掃捕集採樣器，因採用了富集針或富集管捕集所吹掃出的揮發性組分，大大簡化了儀器的構造，即科學地解決了樣品擴散嚴重和水蒸氣影響的問題，又大幅度降低了使用成本，且操作簡單，並實現了現場野外採樣。