CN104198746B - 一种自动化样品灰化前处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化样品灰化前处理装置，包括底板后方设有样品传送机构，样品传送机构前方底板上依次设有待处理样品架支架、样品灰化机构、超声波溶解清洗机构、多位进样针机构、多路注射泵机构和处理完样品架支架，超声波溶解清洗机构上部设有臭氧发生进气针机构，待处理样品架支架上设有样品架。本发明可将样品快速低温臭氧灰化，自动冷却捕集易挥发元素，在超声波作用下，自动定容、溶解、均质化同时完成，实现对样品的全自动高效快速前处理。本发明灰化前处理过程中灰化消耗时间被缩短至20-60min。避免了挥发性元素损失，回收率提高到均大于90％。自动完成样品灰化过程，精密度得到保证。做到无人值守操作，极大地提高工作效率。

Description

一种自动化样品灰化前处理装置

技术领域

本发明涉及一种有机质样品中无机重金属元素分析的样品自动化前处理装置。特备是涉及一种可将样品快速低温臭氧灰化，自动冷却捕集易挥发元素，在超声波作用下，自动定容、溶解、均质化同时完成，实现对样品全自动高效快速前处理的一种装置。

背景技术

食品、环境、生命科学等领域有机质样品中重金属元素检测越来越受到全社会的关注。在通过分析仪器对重金属进行测定之前，绝大多数样品必须经过前处理，使得重金属元素无机化，并转入液态溶液中。据资料报道，样品经采集、前处理、分析、数据处理等过程，其中样品前处理约占整个时间的三分之二，产生的误差至少有三分之一来自样品前处理阶段。样品前处理的过程中存在劳动强度大，时间周期长，试剂用量大，易造成环境污染和外源性污染；操作人员的操作技能对结果影响大，很难做到标准化控制，过程中易损失样品，重复性差，引进误差的机会多等问题。所以样品前处理是分析工作中最重要的一环。

从目前技术发展现状来看，常见的无机样品前处理技术包括：敞开体系酸分解法、高压密封溶解法，微波消解与灰化法，干式灰化法等。另外，在重金属元素分析过程中碱全熔或半熔，酸提取和流动注射在线分解等技术也被选择性地应用。这些传统的无机分析样品前处理技术主要以手工操作为主，主要用到的设备包括电热板、马弗炉、氧瓶(弹)燃烧装置和常规的器皿，存在多方面的不足：(1)劳动强度大，时间周期长；(2)试剂用量大，易造成环境污染和目标元素外源性污染；(3)操作人员的操作技能对结果影响大，很难做到标准化控制；(4)过程中易损失样品，重复性差，引进误差的机会多。具体来说，以传统的溶解法和消解法处理含重金属的样品时，由于重金属含量为痕量，所用的试剂盐酸、硝酸、硫酸、氢氧化物、过氧化物是优级纯和高级纯，试剂要求高，成本大；对环境造成严重的污染；样品处理时也易带入污染，待测元素被试剂、器皿等沾污将导致测定结果偏高。对于铅、镉、砷、汞等在加热状态下易挥发的无机重金属元素，无法和难挥发无机重金属元素通过一步的样品前处理过程同时测定，并且容易产生消解损失，使结果偏低。

近年来，对食品安全、环境监测和生命科学研究等领域的样品中无机重金属的现代样品前处理技术如高压密封消解、微波辅助消解、微波干式灰化、自动快速燃烧炉等得到广泛应用，但这些装置与各技术流程之间无法实现自动化、标准化、智能化的链接，更无法实现样品前处理整个过程的可控性和可追朔性。以流动注射在线消解为代表的全自动预处理技术，每次只能实现单一样品的处理，无法满足大量样品检测要求，且该技术处理的样品种类十分有限。

发明内容

为了克服当前样品前处理人工操作误差大、元素挥发损失、样品前处理速度慢、前处理精密度、准确度不易控制等现有样品预处理过程的不足，本发明提供了一种有机质样品中重金属元素分析的自动化样品灰化前处理装置。

本发明采取的技术方案是：一种用于有机质样品分析的自动化样品灰化前处理装置，其包括样品传送机构(A)、待处理样品架支架(B)、样品灰化机构(C)、超声波溶解清洗机构(D)、多路注射泵机构(E)、多位进样针机构(F)、臭氧发生进气针机构(G)、样品架(H)和处理完样品架支架(I)，底板后方设有样品传送机构(A)，样品传送机构(A)前方底板上依次设有待处理样品架支架(B)、样品灰化机构(C)、超声波溶解清洗机构(D)、多位进样针机构(F)、多路注射泵机构(E)、处理完样品架支架(I)，超声波溶解清洗机构(D)上部设有臭氧发生进气针机构(G)，待处理样品架支架(B)上设有样品架(H)。

所述的样品传送机构(A)包括X轴线性滑台(A1)和Y轴线性滑台(A2)，X轴线性滑台(A1)的滑块上设有Y轴线性滑台(A2)，Y轴线性滑台(A2)的滑块上设有气抓(A3)，气抓(A3)上设有抓手(A4)和下压气缸(A5)，抓手(A4)连接气抓或电磁铁驱动开合，下压气缸(A5)连接气缸或步进电机驱动下压。

所述的待处理样品架支架(B)左右侧分别设有定位销(B1)。

所述的样品灰化机构(C)的加热装置采用高温陶瓷电加热或微波加热，其上部设有冷却捕集装置(C1)，冷却捕集装置(C1)采用水循环制冷、半导体制冷或风冷，冷却捕集装置(C1)连接气缸驱动可左右对称开合。

所述的超声波溶解清洗机构(D)包括超声波清洗槽(D1)和超声波溶解槽(D2)，超声波清洗槽(D1)和超声波溶解槽(D2)上设有定位销(D3)。

多路注射泵机构(E)由1～8组注射泵组成。

多位进样针机构(F)包括Z轴线性滑台(F1)、抬升气缸(F2)和进液针(F3)，Z轴线性滑台(F1)的滑块上设有抬升气缸(F2)，抬升气缸(F2)杆的顶端设有进液针(F3)。

所述的臭氧发生进气针机构(G)内设有臭氧发生器，臭氧发生进气针机构(G)的一面上设有6～48根臭氧针(G2)。

所述的样品架(H)包括内管支架(H1)、上、下外管支架(H2、H3)三层，上、下外管支架(H2、H3)固定连接为一体，样品架(H)上设有6～48个样位，6～48个样位上设有样品管，样品管由可分离的内管和外管组成，内管插入外管中，内管中设有石英砂芯样盘，下外管支架(H3)上设有定位孔(H4)，定位孔(H4)与待处理样品架支架(B)上的定位销(B1)连接定位。

本发明提出了一种以精密线性滑台作为传送机构，高温陶瓷加热器或微波加热器为灰化机构，臭氧辅助快速氧化机构、半导体制冷机构以及超声清洗溶解机构组建的有机质样品自动化前处理装置。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)灰化前处理过程中灰化消耗时间被缩短至20-60min，比常规灰化方法节省10倍以上。

2)避免了挥发性元素损失，回收率提高到均大于90％。

3)自动完成样品灰化过程，避免人为操作引起的误差，精密度得到保证。

4)做到无人值守操作，极大地提高工作效率，产业化生产、推广前景广阔。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的样品架结构示意图。

图3是本发明中的臭氧发生进气针机构结构示意图。

具体实施方式

一种用于有机质样品分析的自动化样品灰化前处理装置，包括样品传送机构A、待处理样品架支架B、样品灰化机构C、超声波溶解清洗机构D、多路注射泵机构E、多位进样针机构F、臭氧发生进气针机构G、样品架H和处理完样品架支架I，底板的后方设置有样品传送机构A，样品传送机构A的正前方从左向右底板上依次设置有待处理样品架支架B、样品灰化机构C、超声波溶解清洗机构D、多位进样针机构F、多路注射泵机构E和处理完样品架支架I，超声波溶解清洗机构D的上部设置有臭氧发生进气针机构G，在待处理样品架支架B上放置有样品架H。所述的样品传送机构A包括一个水平横向固定的X轴线性滑台A1，在X轴线性滑台A1的滑块上垂直设有Y轴线性滑台A2，在Y轴线性滑台A2的滑块上设有气抓A3，气抓A3上设有抓手A4和下压气缸A5。抓手A4连接气抓或电磁铁驱动开合，下压气缸A5连接气缸或步进电机驱动下压。X轴线性滑台A1、Y轴线性滑台A2、气抓A3可在微处理器或计算机的控制下自由抓取臭氧发生进气针机构G和样品架H，并在X轴线性滑台A1和Y轴线性滑台A2组成的平面内精确移动定位。所述待处理样品架支架B的左右两侧分别设有两个定位销B1，样品架H置于其上，定位销B1与样品架定位孔H4配合精确定位，可使样品架H在各机构间移动中始终精确定位。所述样品灰化机构C的加热装置采用高温陶瓷电加热或大功率微波加热，可使温度在10min内由室温升至700℃，并可根据程序设置精确控温。其上部设有冷却捕集装置C1，冷却捕集装置C1采用半导体制冷或水循环制冷或风冷，可使样品管外管始终保持低于50℃，以便冷凝捕集易挥发元素。冷却捕集装置C1连接气缸驱动可左右对称开合。样品灰化机构C上盖板的两侧分别设有两个定位销C2，与样品架H上的定位孔H4配合精确定位，可使样品架H在各机构间移动中始终精确定位。所述超声波溶解清洗机构D由超声波清洗槽D1和超声波溶解槽D2两部分组成，超声波清洗槽D1和超声波溶解槽D2上设有定位销D3，超声波清洗槽D1上放置臭氧发生进气针机构G并可清洗臭氧针G2，超声波溶解槽D2上可放置样品架H，可将灰化后的样品迅速溶解、均质化。所述臭氧发生进气针机构G由臭氧发生器和臭氧输送管路组成，臭氧发生进气针机构G的上表面设有氧气接口G1，用于通入灰化所需的氧气，臭氧发生进气针机构G的下表面设有6～48根臭氧针G2，臭氧针G2的长度为14～16cm，伸入样品管距离样品1～2cm，臭氧针G2为石英材质或其他耐腐蚀耐高温材质制成，同时在该面上还固定有1cm厚的硅胶密封垫G3，用于密封内管接口，使通过臭氧针G2注入内管的臭氧充分接触样品，并通过内管的石英沙芯排出。所述多位进样针机构F由Z轴线性滑台F1、抬升气缸F2和进液针F3组成，Z轴线性滑台F1的滑块上设有抬升气缸F2，抬升气缸F2杆的顶端设有进液针F3，进液针F3可在Z轴线性滑台F1的Z轴精确移动，对每个样品管定容。所述多路注射泵机构E由1至8组注射泵组成，可同时定容1至8组样品。所述样品架H由内管支架H1和上、下外管支架H2、H3组成，上、下外管支架H2和H3通过四个角的固定螺栓组成一体，样品架H上设有6～48个样位。6～48个样位上设有样品管，样品管由可分离的内管和外管组成，内管插入外管中，内管中设有石英砂芯样盘，下外管支架H3上有定位孔H4，定位孔H4与待处理样品架支架B上的定位销B1和超声波溶解清洗机构D的定位销D3连接精确定位，保证样品架在各机构间移动的过程中始终保持精确定位。

本发明中，样品的灰化加热过程、灰化助剂注入、挥发性元素的捕集、灰分的溶解、定容和均质化以及相关联的机械动作均通过程序控制自动完成，避免了传统灰化方法中人为操作引入的误差。

本发明中，灰化过程中向样品管注入具有强氧化性的臭氧达到加速氧化有机质的目的，降低了灰化温度，缩短了灰化时间。

本发明中，样品灰化机构C的加热部分为带状设计，仅对样管中盛有样品的砂芯部位集中加热，节省电能。

本发明中，挥发元素通过冷却捕集装置被冷却捕集。

本发明中，利用超声的空化作用加速灰分的溶解，并且使溶液均质化。

本发明中，利用样品灰化机构C的高温对臭氧针加热灼烧进行清洗。

本发明中，在仪器的周围设计了合理通风通道及大功率排风机系统，可满足整个样品预处理过程中的废气排放和冷却。

为了防止仪器故障造成的伤害以及避免误操作带来的危险，本发明还包括:

1.样品架精确定位安全装置：每个机构的样品架定位销旁有微动开关，在样品架未精确定位的情况下，系统自动报警，不进行下一步动作。

2.样品架抓取监测装置:在机械抓手上有一个光电传感器，在样品架未正确抓取的情况下，系统自动报警，不进行下一步动作。

3.温度监测装置:在加热机构有两个温度传感器，分别控制样品管的温度和加热机构的最高温度，当温度超过700℃时,系统报警。

本发明的工作过程如下：

本发明有机质样品分析的自动化样品灰化前处理装置处理过程通过微处理器和辅助电路控制，可独立在预先设置的程序下工作或在计算机的控制下工作，测样时，在计算机或微处理器程序的控制下X轴线性滑台A1和Y轴线性滑台A2配合将抓手A4精确移动到样品架H上方，同时控制气抓A3电磁阀打开，高压气体将抓手A4撑开，当气抓A3移动到样品架上外管支架H2位置时，气抓电磁阀关闭，抓手A4收回，抓住样品架H，然后Y轴线性滑台A2向上移动，气抓A3拖着样品架H精确移动到样品灰化机构C上方，然后Y轴线性滑台A2下移，将样品架H的定位孔H4放置于定位销C2上，然后气抓A3电磁阀打开，抓手A4撑开，脱开样品架H，接着气抓A3在X轴线性滑台A1和Y轴线性滑台A2的配合下移动到臭氧发生进气针机构G，气抓电磁阀关闭，抓手A4卡住臭氧发生进气针机构G，然后拖着臭氧发生进气针机构G上移、平移到样品架H上方，然后向下移动将臭氧针G2插入样品内管中，当臭氧发生进气针机构G放置于样品架H上时抓手A4打开，接着抓手A4移动到内管支架H1处闭合，然后下压气缸A5打开，在压力作用下硅胶密封垫G3将各样品内管口密封，同时样品灰化机构C开始加热，接着臭氧发生器工作，臭氧沿臭氧针G2作用于样品，同时冷却捕集装置C1开始工作，使样品外管表面保持低温，捕集易挥发元素。样品灰化完毕后，抓手A4脱开内管支架H1，移动到上外管支架H2，闭合，拖着样品架H移动到超声波溶解槽D2，气抓A3脱开上外管支架H2移动到臭氧发生进气针机构G闭合，拖着臭氧发生进气针机构G移动到样品灰化机构C将臭氧针G2加热2～5min后，移动到超声波清洗槽D1，抓手A4脱开。同时多路注射泵机构E和多位进样针机构F协同配合，对每个样品管定容。定容完成后，超声波清洗槽D1和超声波溶解槽D2同时启动。接着气抓A3移动到内管支架H1处闭合，抓着内管支架H1向上5cm，然后归位，往复数次循环，以使内外管中的溶液混匀。之后，气抓A3脱开内管支架H1移动到上外管支架H2处闭合，拖着样品架H移动到处理完样品架支架I上。

实施例：

1)样品管由可分离的内管和外管组成，内管中设有石英砂芯样盘。称取有机质样品0.2～0.5g，均匀平铺于石英样品内管的石英砂芯样盘上。将样品内管插入样品外管，并放入样品架H中。将样品架H放置于设备的待处理样品架支架B。打开氧气阀、排风，并接通电源。

2)按下设备启动开关，输入参数，气抓A3自动将样品架H抓起并置于样品灰化机构C中，然后将臭氧发生进气针机构G移动至样管上方并插入样品内管，通过下压气缸A5自动对臭氧发生进气针机构G施加压力进行密封。接下来，冷却捕集装置C1开始工作，同时样品灰化机构C通过程序控制自动加热，同时臭氧发生器开始工作向样品内管注入臭氧，加热温度为200～500℃，加热时间为10～40min，臭氧流量为0.01～0.1g/min，冷却捕集装置C1的温度在5-50℃。

3)样品灰化机构C加热过程按设定程序结束后，冷却捕集装置C1自动分离，气抓A3将臭氧发生进气针机构G移开，再将样品架H移动至超声波溶解槽D2中，然后再将臭氧发生进气针机构G移动至样品灰化机构C中，对臭氧针G2进行灼烧净化，加热温度为500～700℃，加热时间为2～5min。完毕后，臭氧发生进气针机构G被移动至超声清洗槽D1中。然后，多路注射泵机构E自动依次向各样品内管中定量注入10-25mL溶解液。接着超声波溶解槽D2开始工作。同时，气抓A3卡住样品架内管支架H1,在Y轴线性滑台A2的带动下上下往复运动，使得溶液在样品内外管上下移动，以便溶解通过冷却捕集装置C1冷凝在样品外管内壁上部的挥发性元素。臭氧针G2通过超声清洗槽D1清洗，整个超声溶解、清洗时间为2～5min。完毕后，通过抓手A4将样品架H移动至处理完样品架支架I。

Claims (9)

1.一种自动化样品灰化前处理装置，包括样品传送机构(A)、待处理样品架支架(B)、样品灰化机构(C)、超声波溶解清洗机构(D)、多路注射泵机构(E)、多位进样针机构(F)、臭氧发生进气针机构(G)、样品架(H)和处理完样品架支架(I)，其特征在于：底板后方设有样品传送机构(A)，样品传送机构(A)前方底板上依次设有待处理样品架支架(B)、样品灰化机构(C)、超声波溶解清洗机构(D)、多位进样针机构(F)、多路注射泵机构(E)、处理完样品架支架(I)，超声波溶解清洗机构(D)上部设有臭氧发生进气针机构(G)，待处理样品架支架(B)上设有样品架(H)。

2.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：所述的样品传送机构(A)包括X轴线性滑台(A1)和Y轴线性滑台(A2)，X轴线性滑台(A1)的滑块上设有Y轴线性滑台(A2)，Y轴线性滑台(A2)的滑块上设有气抓(A3)，气抓(A3)上设有抓手(A4)和下压气缸(A5)，抓手(A4)连接气抓或电磁铁驱动开合，下压气缸(A5)连接气缸或步进电机驱动下压。

3.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：所述的待处理样品架支架(B)左右侧分别设有定位销(B1)。

4.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：所述的样品灰化机构(C)的加热装置采用高温陶瓷电加热或微波加热，其上部设有冷却捕集装置(C1)，冷却捕集装置(C1)采用水循环制冷、半导体制冷或风冷，冷却捕集装置(C1)连接气缸驱动可左右对称开合。

5.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：所述的超声波溶解清洗机构(D)包括超声波清洗槽(D1)和超声波溶解槽(D2)，超声波清洗槽(D1)和超声波溶解槽(D2)上设有定位销(D3)。

6.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：多路注射泵机构(E)由1～8组注射泵组成。

7.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：多位进样针机构(F)包括Z轴线性滑台(F1)、抬升气缸(F2)和进液针(F3)，Z轴线性滑台(F1)的滑块上设有抬升气缸(F2)，抬升气缸(F2)杆的顶端设有进液针(F3)。

8.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：所述的臭氧发生进气针机构(G)内设有臭氧发生器，臭氧发生进气针机构(G)上设有6～48根臭氧针(G2)。

9.如权利要求1所述的一种自动化样品灰化前处理装置，其特征在于：所述的样品架(H)包括内管支架(H1)、上、下外管支架(H2、H3)三层，上、下外管支架(H2、H3)固定连接为一体，样品架(H)上设有6～48个样位，6～48个样位上设有样品管，样品管由可分离的内管和外管组成，内管插入外管中，内管中设有石英砂芯样盘，下外管支架(H3)上设有定位孔(H4)，定位孔(H4)与待处理样品架支架(B)上的定位销(B1)连接定位。