CN103149191B - 拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其包括：一粒子施加单元，该施加单元包括一转动本体，该转动本体上设有至少两个样品瓶以及至少两个检测瓶，所述的样品瓶和检测瓶之间设有用于将样品瓶中的样品抽到检测瓶中的泵，该转动本体上设有支架，支架上端设有一用于安装控制单元的硬件控制电路的安装盒；一驱动单元，该驱动单元驱动粒子施加单元旋转，以使检测瓶能依次被一光纤探头检测；以及一控制单元，该控制单元包括硬件控制电路以及一计算机，其控制驱动单元和粒子施加单元的泵的运行。本发明使得整个检测过程自动化，同时可以在使用该设备中避免液体意外的接触到电子元件，提高检测装置的稳定性和操作安全性。

Description

拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置

技术领域

本发明主要涉及在拉曼光谱检测，特别是等离子激元增强拉曼光谱仪器对样品进行检测过程中，减少人工参与，增加自动化操作的控制装置。属于光谱检测的自动化设备领域。

背景技术

表面增强拉曼光谱是一种非常强大的高灵敏分析技术，它可以探测和分析物质表层所吸附的各类分子，对于有些体系，它的灵敏度甚至达到检测单分子水平。但是，它的应用具有很大局限性——仅有少数几种金属（金、银、铜）可产生如此强大的表面增强拉曼散射效应。

中科院院士、厦门大学化学化工学院田中群教授课题组提出建立了名为“壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱”技术（Shiners技术），相当于在金属或其他材料面上铺撒一层化学惰性材料超薄壳层所隔绝的金纳米粒子，利用这些纳米粒子能使各种材料表面的拉曼光谱得到增强。

要提高检测结果的可靠性，对样品进行检测时，经常要添加一两种特定的添加剂使得样品的稳定性增大，信号增强。

目前大部分样品的取样和检测是独立的，需要频繁地手工抽取和注射样品，将多种物质加到同一瓶子中，显得繁琐而且精度方面也不太理想，且这样可能会使操作者受到样品的污染。利用电子技术来控制样品的取样检测，结合上位机软件因为操作简单变得越来越普及。使用这种装置除了被专业检测人员使用外，也可以被一些非专业人士使用。但是由于操作失误等可能让正在操作的样品流到电路板中，从而导致电路板损坏，甚至造成危险。

在现有的检测技术上，对测试的结构部分进行创新设计并且结合上位机软件和硬件控制电路的设计，减少人工操作，可在效率和精度方面得到提高，节约了人们的时间，提高了检测装置的可靠性和安全性。

发明内容

基于背景技术提到的内容，为减少人工操作的次数，使得整个检测过程自动化，同时可以在使用该设备中避免液体意外的接触到电子元件，提高检测装置的稳定性和操作安全性。本发明提供了集取样、检测和控制部分于一体的施加装置再结合用Vb编写的上位机软件、硬件控制电路、步进电机及其驱动器构成的系统。

本发明的技术方案如下：

一种拉曼光谱用多通道SHINERS粒子自动施加装置，其特征在于，包括：

一粒子施加单元，该施加单元包括一转动本体，该转动本体上设有至少两个样品瓶以及至少两个检测瓶，所述的样品瓶和检测瓶之间设有用于将样品瓶中的样品抽到检测瓶中的泵，该转动本体上设有支架，支架上端设有一用于安装控制单元的硬件控制电路的安装盒；

一驱动单元，该驱动单元驱动粒子施加单元旋转，以使检测瓶能依次被一固定的光纤探头检测；以及

一控制单元，该控制单元包括硬件控制电路以及一计算机，其控制驱动单元和粒子施加单元的泵的运行。

在本发明的推荐实施例中，该旋转本体为圆柱形，旋转本体的中央向上设有支撑杆，环绕该支撑杆向半径方向延伸设复数条臂，其中每条臂的外端上设有至少一样品池，该样品池中设有样品瓶；臂之间，旋转本体上表面设有检测池，检测池内设有检测瓶，样品瓶和检测瓶之间设有一泵；检测池设有和旋转本体侧面相通的检测孔。

在本发明的推荐实施例中，每条臂上设有一样品瓶以及一泵，一对臂的两个样品瓶对应一检测瓶。

在本发明的推荐实施例中，每条臂上设有两个样品瓶以及两个泵，每两个样品瓶对应一检测瓶。对应方式可以是同一条臂上的样品瓶对应一检测瓶，或是相邻的两条臂各有一样品瓶对应同一检测瓶。

在本发明的推荐实施例中，光纤探头设于旋转本体的侧面。

在本发明的推荐实施例中，支架顶端设有一托盘，该托盘的边缘沿圆周间隔设有复数个用于走线的条孔，托盘上设有一保护罩，硬件控制电路安装托盘与保护罩之间的空腔内，保护罩底部与托盘上表面之间形成复数个用于走线的间隙。

在本发明的推荐实施例中，所述的保护罩为透明的。

在本发明的推荐实施例中，所述的硬件控制电路悬空设于托盘与保护罩之间的空腔内。

在本发明的推荐实施例中，所述的驱动装置包括一电机，该步进电机连接一蜗杆，转动本体下连接一上下叠加为一体的蜗轮和直齿轮，其中蜗轮和蜗杆配合，直齿轮和旋转本体配合。

在本发明的推荐实施例中，转动本体、支架、蜗轮和直齿轮沿中轴线分别设有用于线路通过的轴孔。线路从内部经过，避免与样品接触，保障安全。

同现有技术相比，本发明的优点在于：

1、将硬件控制电路置于旋转本体的上方，位置高，不容易被操作人员碰到，这样可以避免因操作失误而使得样品等物质接触到电路产生危险；同时通过透明的保护罩可以看到硬件控制电路上的指示灯有没亮，观察系统是否上电等待接收数据。且硬件控制电路悬空在保护罩内，进一步增强了安全性。

2、样品瓶都位于臂的外端，方便操作。

3、该托盘的边缘沿圆周间隔设有复数个用于走线的条孔，保护罩底部与托盘上表面之间形成复数个用于走线的间隙，线路从硬件控制电路出来，先经间隙分流，再经条孔分流，走线清楚。

3、集取样、检测和控制部分于一体，通过泵将样品瓶中的样品抽到检测瓶中，减少人工操作，可在效率和精度方面得到提高，节约了人们的时间，提高了检测装置的可靠性和安全性。

4、不仅可用于普通纳米粒子的自动施加，更适合于SHINERS粒子的自动施加和检测。

附图说明

图1为本发明自动施加装置的立体结构示意图；

图2为图1的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例1施加单元的立体结构示意图。

图4为本发明实施例2施加单元的立体结构示意图。

图5为本发明实施例3的施加单元的立体结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1至图3所示，整个拉曼光谱用多通道SHINERS粒子自动施加装置包括粒子施加单元，控制单元以及驱动单元。其中，控制单元包括计算机1和硬件控制电路2、硬件电路保护罩3等；施加单元包括样品瓶4、泵5、旋转本体6、检测瓶7、底座8（含光纤探头入口支架14）等；驱动单元包括蜗轮和直齿轮9、蜗杆10、步进电机21、步进电机驱动器22、开关电源23等。

底座8为圆盘形，其上表面外缘设有步进电机21、步进电机驱动器22、开关电源23，步进电机21连接蜗杆10。

底座中央向上设有一支撑转轴11，该支撑转轴11上半段外套接上下叠加为一体的蜗轮和直齿轮9，其中蜗轮和蜗杆10配合，直齿轮和旋转本体6配合，配合方式为该旋转本体6的中央内腔设有和直齿轮配合的内齿轮。

在电机运行时，可带动蜗杆10转动，进而带动蜗轮9转动，蜗轮又带动直齿轮一起转动（蜗轮和直齿轮为一体），直齿轮再跟旋转本体6底部的内齿轮配合，进而使得施加装置转动相应的角度。

该旋转本体6为圆柱形，旋转本体6的中央向上设有支撑杆12，环绕该支撑杆12向半径方向延伸设4条臂13，每条臂13在圆周上间隔90度。其中每条臂13的外端上设有一样品池，该样品池中设有样品瓶4，样品瓶4的内侧设有一泵室，泵室中安装一蠕动泵5。放置泵的部分用一薄壁小垫片将泵5固定，同时用自攻螺钉锁死，防止泵5工作时晃动出正方形槽影响系统工作；该蠕动泵5的工作原理是通过一小电机转动，重复压缩弹性管使管中内容物朝一定方向运动，它的流速由管子的直径和压缩的速度决定。

两条臂13之间、旋转本体6上设有一检测池，该检测池内设一检测瓶7，该旋转本体6的侧面设有检测孔6-1，该检测孔6-1和检测池相通。底座8上，旋转本体的外侧，设有一探测头支架14，该支架14顶端架设有一光纤探头15，该光纤探头15的高度和检测孔6-1相同。

支撑杆12的顶端设有一圆形托盘16，该托盘16的边缘沿圆周间隔均匀设有4个用于走线的条孔16-1（条孔数根据所需泵的个数决定），这样既节省材料，也使走线紧凑不会乱。条孔16-1之间分别设一保护罩安装孔16-2。硬件控制电路2安装于托盘16的中央位置，且四角由支脚16-3垫高。同时托盘中部设有一些小孔（图中未示），此设计有利于电路板的散热；硬件控制电路2再罩上透明的硬件电路保护罩3构成一腔，这样做可以避免因操作失误而使得样品等物质接触到电路产生危险，同时通过透明的保护罩3可以看到硬件控制电路2上的指示灯有没亮，观察系统是否上电等待接收数据，

保护罩3与托盘16配合形成一四周带有间隙的腔，这些间隙以及条孔16-1用于通过硬件控制电路2与泵5、步进电机驱动器22之间的导线，使得走线规则，不会乱。硬件控制电路2位于此腔内，可以避免硬件控制电路2接触到水、样品等物质产生危险。

计算机1通过无线方式（232数据通信）与硬件控制电路2连接，硬件控制电路2通过六角螺栓固定在托盘16上，硬件控制电路2控制泵5的导线由硬件控制电路保护罩3四周的间隙出来经过条孔16-1下来与泵5连接，由泵5上引出的两段柔性管子，一端连接到样品瓶4中，另一端连接到检测瓶7中。

支撑转轴11的从顶部沿中轴线向下设有用于线路通过的轴孔11-1，该轴孔11-1再从支撑转轴11的侧面开口，如图2所示。蜗轮和直齿轮9的直齿轮部分沿中轴线设有用于线路通过的轴孔9-1，支撑杆12沿中轴线设有用于线路通过的轴孔12-1。开关电源23的V+、V-端分别连接到步进电机驱动器22的电源正和电源负接口；硬件控制电路2的脉冲输出口通过以上线路轴孔11-1、9-1和12-1连接到步进电机驱动器22的脉冲+、脉冲-，方向控制口连接到步进电机驱动器22的方向+、方向-；步进电机21的几相线与步进电机驱动器22相应端口相连。接线都完成后，进行调试时，再结合实际情况，调整步进电机驱动器22的衰减模式来改善电机运行时的震动和噪声。根据实际情况自行设置到最佳状态。

本发明主要是在外接直流电源的情况下，硬件控制电路2对接收到的计算机1中上位机软件发送过来的无线数据做出处理，发出特定的脉冲信号、方向信号到驱动器，再通过驱动器相应接口接到步进电机21，步进电机21通过连接的蜗杆10带动蜗轮9转动，蜗轮又带动直齿轮一起转动（蜗轮和直齿轮为一体），直齿轮再跟旋转本体6底部的内齿轮配合，进而使得施加装置转动相应的角度。根据步进电机的特点，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。所以在选定步进电机的情况下，步进电机的步距角已知。蜗轮蜗杆的传动比和直齿轮和底盘内齿轮的齿数比都已知的情况下，硬件控制电路2接收到计算机1上的上位机软件传来的特定数据后发出特定的脉冲数使得步进电机转过具体的角度，而使底盘转动，继而使得待测样品瓶转到需要的位置由光纤探头来进行检测。

同时，硬件控制电路2也进行另外的工作就是使得抽取样品的泵5工作，管子的一端从样品瓶4抽取待测样品后从管子的另一端出来到测试瓶7中，抽取到检测所需要的量时，泵体停止工作，取样停止。同时另一泵从另一样品瓶抽取添加剂（添加剂样品就是使得待测样品更加稳定起到增强信号的作用）到测试用的瓶子中，然后由光纤探头15对准样品进行测试。

基于上述讲述的系统的组成和工作机制，现简述下安装的步骤顺序：

步骤一、将步进电机21、步进电机驱动器22、开关电源23固定于底座8上，并且将相应的接口用导线连接好；

步骤二、通过销和步进电机21轴上的键槽，使得蜗杆10与步进电机21完全定位；

步骤三、在底座轴毂上加一垫片，蜗轮9通过底座8上的轴置于轴毂上，并与蜗杆10配合；

步骤四、旋转本体6通过底部的内齿轮与直齿轮9配合，调整旋转本体6的位置使得检测瓶7的原始位置位于光纤探头的入口处；

步骤五、硬件控制电路2的相应接口引出需要适当长度的导线，有的与泵焊接上，有的连接至驱动器；

步骤六、将硬件控制电路2通过六角螺栓固定在托盘16上；

步骤七、通过RS232串口线连接计算机1与硬件控制电路2的相应接口；

步骤八、调整线的位置，盖上硬件控制电路保护罩，避免硬件控制电路2因操作失误接触到液体，产生危险；

步骤九、固定泵5于相应位置，放置装好待测样品的瓶子于相应位置，在事先测试好泵体的两端管子与其上电机接口的正、负的关系后，将抽取的管子插入样品瓶中，另一端接入检测瓶中，同样的道理，将添加的试剂抽取到检测瓶中使得样品更加稳定，信号更强，测试结果更加可靠。

当要进行检测时，给系统上电,操作计算机1上的上位机软件，利用串口发出数据，通过RS232串口线传送到硬件控制电路2上，通过单片机芯片的处理，根据编写的程序使得相应接口发出脉冲信号到步进电机的驱动器22，通过驱动器的处理把信号传给步进电机21，步进电机21通过轴上的键槽和销带动与它配合的蜗杆10转动，继而带动蜗轮和直齿轮9转动，最后使得旋转本体6转动，同时硬件控制电路2控制泵的电机轴转动，从样品瓶4中抽取样品和添加剂到检测瓶7中等待光纤探头检测。

在选定步进电机、步进电机驱动器、蜗轮蜗杆、直齿轮的情况下，电机的步距角、蜗轮的齿数和蜗杆的头数、直齿轮和底座内齿轮齿数已知，设置好驱动器的细分数，便可知道样品架转过360/n（n为检测瓶的个数）的时间，在编写单片机芯片的程序时，便可控制好抽取所需样品体积的时间与底座转动到所需位置的时间几乎相同，这样可以节省时间完成检测。

实施例2

参见图4，本实施例和实施例1的组成和结构基本相同，所不同的是，实施例1中，只有4个样品瓶4以及2个检测瓶7，以及两个检测孔6-1。而在本实施例中，每条臂13上设有两个样品池4’以及两个泵室5‘，4条臂13之间分别设一检测瓶7，以及检测孔6-1，每条臂对应一个检测瓶，或是相邻的臂分别有一样品瓶对应臂之间的检测瓶。这样，一次可测4组样品。

实施例3

参见图5，本实施例和实施例1的基本机构基本相同，所不同的是，实施例1中，为4个样品瓶4以及2个检测瓶7，和两个检测孔6-1，而在本实施例中，共设有4个样品瓶4以及4个检测瓶7，每个检测瓶7设有一检测孔。检测瓶7间隔设于臂的夹角之间。本实施例适合于普通纳米粒子的施加。

Claims (9)

1.一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于，包括：

一粒子施加单元，该施加单元包括一旋转本体，该旋转本体上设有至少两个样品瓶以及至少两个检测瓶，所述的样品瓶和检测瓶之间设有用于将样品瓶中的样品抽到检测瓶中的泵，该旋转本体上设有支架，支架上端设有一用于安装控制单元的硬件控制电路的安装盒；

一驱动单元，该驱动单元驱动粒子施加单元旋转，以使检测瓶能依次被一固定的光纤探头检测；以及

一控制单元，该控制单元包括硬件控制电路以及一计算机，其控制驱动单元和粒子施加单元的泵的运行；

其中，该旋转本体为圆柱形，旋转本体的中央向上设有支撑杆，环绕该支撑杆向半径方向延伸设复数条臂，其中每条臂的外端上设有至少一样品池，该样品池中设有样品瓶；臂之间，旋转本体上表面设有检测池，检测池内设有检测瓶，样品瓶和检测瓶之间设有泵；检测池设有和旋转本体侧面相通的检测孔。

2.如权利要求1所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：每条臂上设有一样品瓶以及一泵，一对臂的两个样品瓶对应一检测瓶。

3.如权利要求1所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：每条臂上设有两个样品瓶以及两个泵，每两个样品瓶对应一检测瓶。

4.如权利要求1所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：光纤探头设于旋转本体的侧面。

5.如权利要求1所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：支架顶端设有一托盘，该托盘的边缘沿圆周间隔设有复数个用于走线的条孔，托盘上设有一保护罩，硬件控制电路安装于托盘与保护罩之间的空腔内，保护罩底部与托盘上表面之间形成复数个用于走线的间隙。

6.如权利要求5所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：所述的保护罩为透明的。

7.如权利要求1所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：所述的硬件控制电路悬空设于托盘与保护罩之间的空腔内。

8.如权利要求1所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：所述的驱动单元包括一电机，该步进电机连接一蜗杆，旋转本体下连接一上下叠加为一体的蜗轮和直齿轮，其中蜗轮和蜗杆配合，直齿轮和旋转本体配合。

9.如权利要求8所述的一种拉曼光谱用多通道纳米粒子自动施加装置，其特征在于：旋转本体、支架、蜗轮和直齿轮沿中轴线分别设有用于线路通过的轴孔。