CN106198848B - 延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境监测技术领域，具体的说，涉及一种能够大幅延长现场湿化学分析仪器所载带试剂使用时间的装置及方法。延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，包括渗透芯片、固体试剂瓶、电磁阀、抽液泵、纯水袋；所述的固体试剂瓶瓶口通过螺纹或法兰安装在渗透芯片上；渗透芯片上开设有储液槽，储液槽两端分别设置两个电磁阀和两个管路接口；一端的管路接口与纯水袋连接，另一端的管路接口与抽液泵连接；储液槽与抽液泵连接通路上设有混合单元。本发明的装置及方法，有益效果是：采用保存固体试剂，使用时现场溶解的方式，大幅延长了试剂的保存时间；结构紧凑，集成度高，适于集成在各种在线监测仪器进行现场分析。

Description

延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置及方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体的说，涉及一种能够大幅延长现场湿化学分析仪器所载带试剂使用时间的装置及方法。

背景技术

现场湿化学在线分析仪器是生态环境监测中常见的一类分析仪器，其主要特点是采用湿化学反应的方法实现海水中多种分析参数的测定，这类仪器包括硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、铵盐等营养盐的现场分析仪，总磷总氮现场分析仪， COD现场分析仪以及基于氢化物发生的测汞、测砷的分析仪等。现场湿化学在线分析仪器可在现场连续、实时、在线、无人值守地开展特定的待测物质的分析，大幅降低人力、物力和财力。

现阶段，影响现场湿化学在线分析仪器长期连续稳定工作的一个主要问题是试剂保存期问题。由于这类仪器分析过程中涉及一个或多个湿化学反应，需要载带一定量的试剂以便进行反应，而化学试剂普遍存在一个保质期问题，任何试剂都不可能无限制的存放下去而不变质。以硝酸盐分析为例，亚硝酸盐检测的标准方法是重氮-偶氮分析法，分析时水体中的亚硝酸盐先与磺胺进行重氮化反应，其产物再与盐酸萘乙二胺偶合生成红色偶氮染料，并于543nm波长测定吸光值进而确定浓度。在这个反应中，磺胺保质期为2个月、盐酸萘乙二胺保质期为1个月，超出试用期使用会大幅降低测定准确度，这就极大的限制了亚硝酸盐分析仪的现场使用时间，增加维护频次。现有技术中针对这种情况通常在试剂中添加氯仿等抑制微生物活性的试剂以降低微生物降解速度，延长使用时间，但这些抑制剂对管路或其他部件（如流通池）有一定的腐蚀作用，另外由于氯仿等不溶于水，会在水中形成小的油滴颗粒，这些颗粒会影响对后续的光学检测的准确性；现有技术中还有通过载带试剂高浓度储备液，分析时在线稀释的方法来延长保存时间，这种方法主要问题在于，添加在线稀释功能，增加了仪器的复杂度；此外增加了载带试剂的总体量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于固体试剂保存的，不增加载带试剂量、保质期长（3个月以上）、体积小结构紧凑的基于微流控芯片技术的新型试剂保存装置，该装置可与现阶段各种商品化的湿化学在线分析仪器结合使用，大幅延长仪器现场在线连续分析的时间。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，包括渗透芯片、固体试剂瓶、电磁阀、抽液泵、纯水袋；所述的固体试剂瓶瓶口通过螺纹或法兰安装在渗透芯片上；渗透芯片上开设有储液槽，储液槽两端分别设置两个电磁阀和两个管路接口；一端的管路接口与纯水袋连接，另一端的管路接口与抽液泵连接；储液槽与抽液泵连接通路上设有混合单元。

所述的混合单元设置在渗透芯片上，所述的混合单元的混合形式为二维的微流控混合形式，包括蛇形混合、分开合并混合、混沌流混合或环流混合。

所述的固体试剂瓶用于存放固体试剂，瓶口设置有海绵垫，用于封堵固体试剂瓶。

所述的渗透芯片由基片、渗透层及盖片三层结构组成，基片上设有凹槽，所述渗透层内嵌在基片的凹槽中，渗透层的一端与固体试剂瓶瓶口的海绵垫接触，另一端与盖片上开设的储液槽连接。

所述的储液槽为盖片上开设的微通道凹槽，凹槽入口和出口处微通道宽度渐变缩小，其作用在于避免死体积的存在。

所述的渗透芯片的盖片选自高分子聚合物材料制成；所述的渗透芯片的基片选用高分子聚合物材料、玻璃、陶瓷或硅片材料制成。

所述的高分子聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯或聚环烯烃等常见的聚合物材料。

所述的渗透层主要借助其内部纤维间隙的毛细作用实现试剂的传输，其材料为透水性材料，包括滤纸、海绵、多孔纤维材料、脱脂棉、棉布等。

所述的固体试剂瓶用于存储固体试剂，其材质可为各种耐化学试剂腐蚀的材料，如玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯、亚克力等，所存储的试剂可以为易溶、微溶试剂，其瓶口用透水海绵材料封堵。

所述的电磁阀为具备抗酸碱腐蚀的能力的微量电磁阀。

所述的抽液泵可为注射泵、蠕动泵、电磁泵、螺纹泵等各种可用于化学分析的泵体。

所述的纯水袋中装有溶解固体试剂的液体，根据后续化学分析的需求或现场使用时间的长短可在其中添加酸、碱、缓冲液体系，或者藻类抑制剂、表面活性剂。

所述的藻类抑制剂为氯仿、苯扎氯胺、铜试剂、次氯酸类、酸或碱类等，抑制剂浓度不超过5%（质量比）。

一种延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的方法，包括以下步骤：

1、填充储液槽：用抽液泵从纯水袋中取水充满储液槽，水经与储液槽连接的渗透层一端充满渗透层，并润湿与渗透层另一端连接的固体试剂瓶的海绵垫；

2、渗透溶解阶段：固体试剂瓶中试剂通过润湿的海绵垫逐渐渗透至渗透层，并通过渗透层进入储液槽，直至达到浓度平衡；

3、使用时，利用抽液泵抽取纯水袋中试剂经过储液槽，载带走所存试剂，并通过混合通道合均匀，用于后续湿化学分析。

所述填充储液槽的过程中，抽液泵需持续工作，直至完成固体试剂瓶海绵垫润湿。

所述的渗透溶解阶段中，渗透溶解时间一般根据样品分析频率设定，但最短的停留时间根据固体试剂瓶所载带的试剂的溶解性来设置，一般情况下对于易溶解物质1-2分钟，对于微溶物质10-15分钟。

本发明的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置及方法，相比于现有技术，有益效果是：（1）采用保存固体试剂，使用时现场溶解的方式，相比于现阶段在线分析仪器直接载带特定试剂溶液的方法，大幅延长了试剂的保存时间；（2）结构紧凑，集成度高，适于集成在各种在线监测仪器进行现场分析。

附图说明

图1是本发明的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置的剖面图（部分）；

图2是本发明的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置三维结构图（为表示清楚，倒置放置）；

图3是采用本发明的装置进行亚硝酸盐分析实例的装置连接图。

具体实施方式

下面结合附图1-3和实施例详细叙述本发明内容。应理解，本发明除实例所述的应用外，还可以独立使用或结合现有商业化湿化学在线分析仪使用，以下实施例仅用于说明发明内容而非限定本发明所保护的范围。

图1和图2分别是本发明的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置的剖面图和三维结构图。本发明的装置，主要由固体试剂瓶2、海绵垫4、渗透芯片、第一电磁阀8、第二电磁阀9、抽液泵14、纯水袋13构成。渗透芯片由基片7、渗透层5及盖片3三层结构组成，基片7上设有凹槽，渗透层5内嵌在基片7的凹槽中，渗透层的一端与固体试剂瓶2瓶口的海绵垫4接触，另一端与盖片3上开设的储液槽6连接，渗透层的作用是连通固体试剂瓶和渗透芯片上的储液槽6，实现固体试剂的溶解和扩散。

固体试剂瓶2内装有需载带的固体试剂1，瓶口用透水的海绵垫4封堵并塞入渗透芯片上预置的半孔中，并与渗透芯片采用刚性的螺纹连接或法兰连接，使海绵垫4与渗透层5接触并压紧。在储液槽6的两端分别设置第一电磁阀8和第二电磁阀9，其作用在于控制储液槽中液体的进出；储液槽6出口端有一段混合通道10，该混合通道是刻制在渗透芯片上的，其主要作用是使储液槽出来的试剂溶液混合均匀。

储液槽6的两端还设置有两个管路接口，第一管路接口12与纯水袋13连接，第二管路接口11与抽液泵14连接；混合通道10位于储液槽6与第二管路接口11之间。

本发明的装置，由于是化学分析装置，装置中各部件经常与化学试剂接触，因此材料应选用耐腐蚀的材料。例如，基片和盖片可由高分子聚合物材料制成，聚合物芯片基材包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯或聚环烯烃等常见的聚合物材料，也可由玻璃、陶瓷、硅片等常用于加工微流控芯片的材料构成；固体试剂瓶主要用于存储固体试剂，其材质可为各种耐化学试剂腐蚀的材料，如玻璃、聚四氟乙烯、聚丙烯、亚克力等，所存储的试剂可以为易溶、微溶试剂，其瓶口用透水海绵材料封堵，瓶口与芯片采用刚性螺纹或法兰连接；电磁阀为具备抗酸碱腐蚀的能力的微量电磁阀；抽样泵可为注射泵、蠕动泵、电磁泵、螺纹泵等各种可用于化学分析的泵体。

渗透层主要借助其内部纤维间隙的毛细作用用于实现试剂的传输，其材料为透水性材料，包括滤纸、海绵、多孔纤维材料、脱脂棉、棉布等。

纯水袋中装有超纯水和藻类抑制剂的混合液，并根据后续化学分析的需求也可在其中添加酸、碱、缓冲液体系或表面活性剂等。藻类抑制剂可为氯仿、苯扎氯胺、铜试剂、次氯酸类、酸或碱类等，抑制剂浓度不超过5%（质量比）。

结合图2，本发明的装置的工作方式如下：开启抽液泵14、第一电磁阀8和第二电磁阀9，从纯水袋13中抽水经第一管路接口12进入渗透芯片，灌满渗透芯片上的储液槽6，停泵一段时间，同时关闭两个电磁阀，使储液槽6中的纯水通过渗透层5逐渐扩散至固体试剂瓶2瓶口的海绵垫4处。在本装置第一次使用时，根据渗透层5的长度和渗透速度不同，可能需要开启抽液泵14和两个电磁阀，多次给储液槽6补水，直至纯水完全透过渗透层5、海绵垫4，与固体试剂瓶中2的试剂接触。停留，停留时间视固体试剂的溶解度而定，使固体试剂瓶2中的固体试剂1逐渐通过海绵垫4和渗透层5渗透至储液槽6中，并达到浓度平衡。使用时开启第一、第二电磁阀8和9，同时开启抽液泵14，将储液槽6中一定浓度的试剂抽出，在混合通道10处充分混合后，经第二管路接口11，抽至抽液泵14，用于后续的分析检测。同时在这个抽液的过程中，纯水袋13中的水在此补充至储液槽6进行渗透平衡，以备下一次使用。

图3是本发明的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置的一个应用实例，用于实现海水中亚硝酸盐的分析检测，该实例采用了两套本发明的装置A和B，装置A中固体试剂瓶中封存为固体的磺胺（NH₂SO₂C₆H₄NH₂），装置B中固体试剂瓶封存为盐酸萘乙二胺（C₁₀H₇NHCH₂NH₂·2HCl），纯水袋13中装有20% (质量比)的盐酸溶液。第一次分析时，首先启动两套装置A和B上的四个电磁阀，同时开启装置外电磁阀15、18和22，抽液泵14、20和21启动抽样，使纯水袋13中的盐酸溶液进入两套装置的储液槽中，同时通过抽液泵20吸入海水样品，关闭装置A和B上的四个电磁阀和外置电磁阀15、18和22，开启电磁阀16、19和23，同时启动抽液泵14、20和21，将抽液泵中的试剂排出，反复几次上述步骤，直至装置上的渗透层和海绵垫完全浸润，储液槽完全灌满，同时抽液泵14、20和21中液体完全排空，关闭电磁阀16、19和23，按照上文图2中介绍的使用方法进行渗透平衡，上述两种固体试剂的溶解度均不高，因而实际操作中停留10分钟左右，可达到平衡。平衡后，开启装置A和B上的四个电磁阀，外置电磁阀15、18和22，抽液泵14、20和21，将储液槽中平衡后的试剂和海水样品抽至各自抽液泵针管中，同时让纯水袋13中的盐酸溶液在此灌满两个装置A和B的储液槽进行渗透平衡，以备下次使用。

此处需要说明的是，仅在第一次使用该试剂保存装置时或长期不用后再次使用时才需要按上文所述反复抽取液体填充润湿渗透层和透水海绵，在其他情况下只需要直接开启抽液泵抽液即可。抽液完毕后，关闭目前开启的所有电磁阀，打开电磁阀16、19和23，同时开启抽液泵14、20和21，将海水样品连同两种试剂注入后续的亚硝酸盐分析芯片24中，三种液体在混合通道25中充分混合显色，在检测通道28中进行检测，检测通道28两端分别嵌有542nm的LED光源26和光电二极管27，进行分光光度法分析，相关数据传输至后续的数据分析软件中分析已得到相应的亚硝酸盐浓度结果，而检测完的废液则排入废液袋29中，完成检测分析。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，其特征在于：包括渗透芯片、固体试剂瓶、电磁阀、抽液泵、纯水袋；所述的固体试剂瓶瓶口通过螺纹或法兰安装在渗透芯片上；渗透芯片上开设有储液槽，储液槽两端分别设置两个电磁阀和两个管路接口；一端的管路接口与纯水袋连接，另一端的管路接口与抽液泵连接；储液槽与抽液泵连接通路上设有混合单元；所述的固体试剂瓶用于存放固体试剂，瓶口设置有海绵垫，用于封堵固体试剂瓶，同时起到试剂渗透的作用；所述的渗透芯片由基片、渗透层及盖片三层结构组成，基片上设有凹槽，所述渗透层内嵌在基片的凹槽中，渗透层的一端与固体试剂瓶瓶口的海绵垫接触，另一端与盖片上开设的储液槽连接。

2.根据权利要求1所述的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，其特征在于：所述的储液槽为盖片上开设的微通道凹槽，凹槽入口和出口处微通道宽度渐变缩小，其作用在于避免死体积的存在。

3.根据权利要求1或2所述的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，其特征在于：所述的混合单元设置在渗透芯片上，所述的混合单元的混合形式为二维的微流控混合形式，包括蛇形混合、分开合并混合、混沌流混合或环流混合。

4.根据权利要求1或2所述的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，其特征在于：所述的渗透层材料为透水性材料，该透水材料包括滤纸、海绵、多孔纤维材料、脱脂棉、棉布中的一种或几种。

5.根据权利要求1或2所述的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的装置，其特征在于：所述的纯水袋中装有溶解固体试剂的液体，根据后续化学分析的需求或现场使用时间的长短可在其中添加酸、碱、缓冲液体系，或者藻类抑制剂、表面活性剂。

6.一种延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的方法，采用权利要求1-5任一项所述的装置，包括以下步骤：

(1)、填充储液槽：用抽液泵从纯水袋中取水充满储液槽，水经与储液槽连接的渗透层一端充满渗透层，并润湿与渗透层另一端连接的固体试剂瓶的海绵垫；

(2)、渗透溶解阶段：固体试剂瓶中试剂通过润湿的海绵垫逐渐渗透至渗透层，并通过渗透层进入储液槽，直至达到浓度平衡；

(3)、使用时，利用抽液泵抽取纯水袋中试剂经过储液槽，载带走所存试剂，并通过混合通单元混合均匀，用于后续湿化学分析。

7.根据权利要求6所述的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的方法，其特征在于：所述填充储液槽的过程中，抽液泵需持续工作，直至完成固体试剂瓶海绵垫润湿。

8.根据权利要求6所述的延长现场湿化学在线分析仪器试剂保存时间的方法，其特征在于：所述的渗透溶解阶段中，渗透溶解时间根据样品分析频率设定，但最短的停留时间根据固体试剂瓶所载带的试剂的溶解性来设置。