CN107290189B - 一种便携式多模式采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有选择性吸附剂部件用以挥发性组分采样的便携式采样器；包括基于一个内置式微控制系统为控制核心，至少一个捕集针或吸附管连接装置及其管路连接、一个模式I位/II位切换部件、一个在线气体过滤器、一个气体质量流量计、一个抽气泵、一个具温控功能样品瓶加热装置、一个磁力搅拌器及控制器、一个萃取纤维采样装置(含手柄和萃取纤维)和一个内置可充电电源装置，具有气体直接采样、顶空采样、萃取纤维采样功能，其安装在一个便携箱内。
Description
技术领域
该发明涉及一种便携式多模式采样器，具有气体直接采样、顶空模式采样、萃取纤维模式采样三种模式功能，用于气体采样或液体类、固体类样品中挥发/半挥发性组分的富集采样。气体分析检测领域中，首要解决的问题是气体(或气态)组分的样品采集与富集技术。
背景技术
无论是涉及工农业生产领域，还是环境保护日常监测，或是科学研究与公共安全等国计民生的各行各业，无不接触到气体、液体、固体类样品分析检测，特别是对其中挥发/半挥发性组分的分析检测工作，已成为分析检测工作者的一项艰巨任务。如何科学、准确、高效、快捷地完成样品中挥发性组分的富集与采集？已成为分析领域的关键一环，其直接关系到后续最终检测结果的好坏与成败。目前，用于挥发/半挥发性组分的专用检测分析仪器(如气相色谱仪、气相色谱质谱联用仪)对于通过进样方式导入其中的挥发/半挥发性组分样品有以下要求：一是挥发性组分浓度要大于仪器的最低检出限；二是挥发性组分采样体积要准确，否则，不能准确定量；三是导入的挥发性组分中不能含有水蒸气或允许含有极微量的水蒸气，否则损坏仪器；四是为了提高分析检测效率，要求单个样品的检测时间要短，这就要求对挥发性组分的采样做到选择性的精准采集，即要检测的目标组分充分采集，非目标组分尽可能少采集或不采集，使得导入仪器中的杂质组分相对大大减少，从而缩短样品检测时间和仪器准备时间；五是挥发性组分扩散性强不宜采集，且受外界温度影响大，不宜储存和运输，这为分析检测工作带来了很大困难；六是一些特殊行业如军事、公共安全、科学考察、应急等要求现场及时快速完成样品采集，即要求样品采集的时效性很强。
目前该技术领域现有的挥发性组分采样器主要有以下四种：一种是气密针构造的采样器，如图1所示；第二种是定量环构造采样器，如图5所示；第三种是萃取纤维吸附原理采样器，如图3所示；第四种是基于真空泵构造的气体吸附管采样器，如图4所示。上述四种用于样品中挥发性组分的采样器均不能全部满足上述几点采样要求，每种采样器只能解决部分采样问题，因此，其行业通用性受到限制，不能广泛使用，同时用户为解决所有采样问题，不得不化费高昂费用来购置所有采样器，使得分析成本居高不下。下面以图为例逐一具体分述。
如图1所示，气密针构造的采样器。其核心由一个供放置样品瓶的温控加热装置(a)，一个具精密刻度的气密采样针(c)及其温控加热装置(b)构成，所有的温控装置的温度可设定，气密针的采样体积可经手动或自动顶空进样器装置设置。其定量原理是通过外界大气压或挥发性组分的饱和蒸汽压与气密针管内的大气压之间的压差，将一定体积的组分压入气密针内。其缺点是，没有采用质量流量计定量，其结果准确度差，在日常要求不高的情况下可以使用，但对某些高精确度要求不能满足。如将一定量体积(V液)(a2)的液体类样品加入合适体积(V瓶)的样品瓶中(a1)，密闭之，将其放入已设定好某个温度(T℃)的加热装置中(a)加热并计时，此时，气密采样针的温控装置的温度设置与样品加热装置相同，即(T℃)，计时结束后，启动气密采样针密封垫至某一刻度，完成样品中挥发性组分的采样，如采样体积为V气。这里的V气是V液在T℃下，挥发出的所有组分的总合，包括目标组分与杂质组分，且含有大量的水蒸气。即不能实现化学选择性的精准采样。另一个问题是气密针采样完成后，必须快速将样品导入后续仪器进行分析，否则，样品会经针孔泄漏。因此，该采样器不能满足采样后样品储存或运输。
如图5所示，定量环构造的采样器。其采样原理与气密针构造的采样器类似，其优点是定量环采样后两端密封，样品不会泄露，采样体积可经自动机械装置设定；其缺点是采样体积不能任意设定，采样体积是固定的，方法优化时不方便。该采样器只能与其它主检测仪器在线使用，不能用于现场、野外采样。其它方面面临着与气密针采样器相同的技术问题。
如图3所示，萃取纤维构造的采样器。其核心构成由一个供放置液体类样品瓶的温控加热装置(a)，一个装有用于挥发性组分采样的吸附纤维装置,由手柄(e)、直径为0.7mm的不锈钢针(e1)和吸附纤维(e2)构成，其中的吸附纤维由中间部分直径0.5mm左右的石英玻璃(或镍合金)纤维，和外周包被的一定膜厚的具有化学选择性吸附的有机吸附剂构成。其采样原理是通过计时萃取纤维吸附挥发性组分的吸附时间来完成的，其优点是：解决了现场采样问题，以及采样后样品储存和运输问题；缺点是：单个样品的吸附采样时间很长，定量时，定量方法繁琐，且重现性较差；萃取纤维的机械强度脆弱，实际应用中非常易断，加之售价昂贵，导致后续使用成本极高，不能广泛被推广；采样过程中不能解决水蒸气干扰的问题；萃取纤维种类很少，应用范围受限；时效性差，不能满足一些特殊行业使用。
如图4所示，基于真空泵构造的气体吸附管采样器。其由一个供放置液体类样品瓶的温控加热装置(a)，一个可以设定采样体积的真空采样泵(g)，以及内部填充有选择性吸附剂的用以吸附挥发性组分的吸附管(f)构成。该技术解决了样品吸附的选择性采样，但仍存在一些局限。如水蒸气的存在；吸附管容积相对较大，组分扩散严重；真空泵仍遵循着样品饱和蒸汽压与外界大气压的压差原理来工作，因此，仍不能做到精确定量。吸附管采样后，除分析所用主色谱仪之外，还需配备其它专用的昂贵样品处理设备，分析检测成本会极大增加，不能用于现场采样。
发明内容
鉴于上述目前几种用于挥发性组分的采样器存在的问题，本发明目的在于，提供一种便携式多模式采样器，可解决精准采样、现场采样、野外采样的问题，使用成本低，且满足更多行业用户的需要。
本发明提供了一种具有选择性吸附剂采样部件的便携式采样器，包括：基于一个内置式微控制系统为控制核心，至少一个捕集针连接装置及其管路连接、一个吸附管连接装置及其管路连接、一个模式I位/II位切换部件、一个在线气体过滤器、一个气体质量流量计、一个抽气泵、一个具有温控功能的样品瓶加热装置、一个磁力搅拌装置及控制器、一个萃取纤维采样装置(含手柄和萃取纤维)和一个内置可充电电源装置，具有气体直接采样、顶空模式采样、萃取纤维模式采样三种功能一体机。上述部件被布局安装在一个便携箱内，可以随身携带。
本发明所揭示的具有选择性富集性能的采样部件，可以是捕集针、吸附管、萃取纤维、富集膜。
本发明可以解决组分扩散严重的问题。采样捕集针尺寸很小，一般直径约0.7mm，长度50-70mm长；采样吸附管的直径为3-4mm,长50-60mm,且吸附剂颗粒细小；萃取纤维直径0.5mm,涂层厚度50-100um；富集膜厚度0.001-0.005英寸；这些构造具有更大的吸附活性位点的比表面积，形成更高浓度的组分吸附带；另一方面，更少的吸附剂，大大减少了杂质的吸附，净化时，只需要几分钟的时间，大大缩短仪器准备时间，提高工作效率。再者，单个捕集针或吸附管的成本较低，以及整体装置的成本不高，因此，大大降低了使用者的成本。
本发明在样品盛放容器的设计上，提供了更多的容器选择方案，如配套2ml、6ml、10ml、20ml样品瓶，因此拓宽了应用领域。
本发明在整套装置的控制系统方面，提供了一种更简洁的、成本更低的内置式微处理器单元。
以上关于本发明内容的说明及以下实施方式说明，用以示范和解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的保护范围作进一步解释。
附图说明
图1为示出传统的顶空针采样模式示意图；
图2为示出本发明样品静态顶空和动态顶空富集采样模式示意图；
图3为示出传统的萃取纤维采样模式示意图；
图4为示出传统的真空采样泵的吸附管采样模式示意图；
图5为示出传统的定量环采样模式示意图；
图6为示出本发明便携式多模式采样器的分解示意图；
其中附图说明如下：
a样品加热器 a1顶空样品瓶 a2液体/固体样品 a3捕集针
a4 1/16”不锈钢管或PEEK管 b顶空针加热器
c顶空针 d定量环采样器 d1定量环 e萃取纤维采样器
e1不锈钢针头 e2纤维膜 f吸附管 g真空采样泵
(1)样品瓶 (2)样品瓶加热装置
(3)温控器
(4)磁力搅拌器 (5)内置式微控制系统
(6)气体质量流量计 (7)抽气泵
(8)压力调节器 (9)模式I位/II位切换部件
(10)电磁阀 (11)在线过滤器
(12)采样部件连接件 (13)惰性耐腐蚀管路
(14)磁力搅拌控制器 (15)可充电电源装置
具体实施方式
图6为该发明一种便携式多模式采样器的整体结构分解示意图。图2为本发明的静态顶空和动态顶空模式下的富集针采样示意图。请参阅图1、图2，本实施例的一种便携式多模式采样器用以解决精准采样，现场采样，野外采样的问题，拓宽多种模式采样需求，且使用成本低，满足更多行业用户的需要。
本发明一种便携式多模式采样器包括：基于一个内置式微控制系统(5)为控制核心，至少一个捕集针连接装置(a3)及其管路(13)连接、一个吸附管连接装置及其管路连接(12)、一个模式I位/II位切换部件(9)、一个在线气体过滤器(11)、一个电磁阀(10)、一个压力调节器(8)、一个气体质量流量计(6)、一个抽气泵(7)、一个具有温控功能的样品瓶加热装置(2)、一个温控器(3)、一个磁力搅拌器(4)及磁力搅拌控制器(14)、一个萃取纤维采样装置(含手柄和萃取纤维)和一个内置可充电电源装置(15)，具有气体直接采样、顶空模式采样、萃取纤维模式采样三种功能一体机。
图6所示，直接气体采样时，本实施例采用吸附管采样，通过惰性管路(如1/8“PTFE或FEB或PEEK或铜管材质)与吸附管连接装置(12)和在线过滤器相连，本发明采用了快速接头的连接方式，便于不同采样部件间的更换。模式I位/II位切换部件(9)可以在I、II两种模式位间切换，模式I位为气体直接采样模式或静态顶空采样模式或萃取纤维采样模式，此时关闭外源气(氮气或氦气)，模式II位为动态顶空采样模式，此时打开外源气(氮气或氦气)。直接气体采样时，模式I位/II位切换部件(9)位于模式I位，关闭外源气，采样体积和采样速率经内置式微控制系统(5)的面板设定，采样启动后，采样速率通过质量流量计(6)内部的流量传感器来实时监测，并通过信号反馈给内置式微控制系统(5)，二者通过实时相互通讯反馈调节，从而保证流量精准、采样体积精准。
图2-1所示为液体/固体类样品的静态顶空模式下的样品采集，本实施例中示意捕集针采样，但不局限于捕集针，也可选用吸附管采样部件(12)。捕集针部件(a1)经快速接头与在线过滤器连接(11)，模式I位/II位切换部件(9)拨到I位，关闭外源气。(1)为不同规格的样品瓶，(2)为样品瓶加热装置，可灵活装载2ml、6ml、10ml、20ml、40ml不同规格样品瓶，通过温控器(3)可设置不同的加热温度，如需搅拌加热，可经磁力搅拌控制器(14)设置搅拌速率，控制磁力搅拌器(4)在一定搅拌速率下搅拌；如设定加热温度(如50℃)，磁力搅拌速率500转/分，等待热平衡并计时，计时完毕后，将捕集针的针头刺穿瓶垫插入样品瓶内，经内置式微控制系统(5)设定好采样速率、采样体积，并启动采样程序，抽气泵(7)与质量流量计(6)经内置式微控制系统(5)的协调控制下，完成采样过程，样品中的挥发性组分被捕集针内的吸附填料所吸附，然后，将捕集针取下，两端用密封帽密封，经储存或运输到达分析地点，或原地随时进行检测分析。如选用萃取纤维模式采样，本实施例中，样品瓶加热装置、磁力搅拌器、磁力搅拌控制器、模式I位与II位间切换、平衡计时操作同上，此时，不需内置式微控制系统(5)、抽气泵(7)与质量流量计(6)运行。如图3所示，用手柄(e)将萃取针(e1)插入样品瓶内，推出萃取纤维(e2)，然后计时采样时间，计时结束后，将萃取纤维抽回针内，拔出萃取针即可，完成样品采集。
图2-2所示为液体/固体类样品的动态顶空模式下的样品采集，本实施例中示意捕集针采样，但不局限于捕集针，也可选用吸附管采样部件(12)。捕集针部件(a3)插入样品瓶顶部空间，模式I位/II位切换部件(9)拨到II位，打开外源气，设定调压阀(8)使外源气流量适度，微控制器的采样流量设置、采样体积设置同上，样品瓶可以加热，也可以不需要加热，采样程序启动，采样泵工作，外源气经质量流量计管路(a4)进入样品瓶内，将样品中的挥发性组分穿过捕集针部件(a3)流出，组分即被填料吸附，达到采样设定体积时，系统自动停止工作，即完成采样。
综上所述，本发明的一种便携式多模式采样器不仅使用操作上简便快速，提高效率，同时，解决了现场采样、应急采样、野外采样的问题，更为重要的是保证了采样的高精确度和样品间良好的采样重现性。
尽管本发明以上述实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所做的更改和修饰均属本发明的保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参见所附的权利要求书限定的范围。
Claims (6)
1.一种便携式多模式采样器，具有气体直接采样、顶空模式采样、萃取纤维模式采样三种采
样模式功能，用于样品中挥发/半挥发性组分的采集装置；它包括：基于一个内置式微控制系统为控制核心，至少一个捕集针连接装置及其管路连接、一个吸附管连接装置及其管路连接、一个模式I位/II位切换部件、一个在线气体过滤器、一个气体质量流量计、一个抽气泵、一个具有温控功能的样品瓶加热装置、一个温控器、一个磁力搅拌器及其控制器、一个萃取纤维采样装置和一个内置可充电电源装置；其中的气体直接采集模式、顶空模式采样是将样品中挥发/半挥发性组分通过相应的采集机构富集在内部填装有化学选择性吸附剂的捕集针或吸附管内；萃取纤维模式采样是通过其中的萃取纤维采样装置将样品中的挥发/半挥发性组分富集在萃取纤维的吸附膜中；通过其中的模式I位/II位切换部件，完成在气体直接采样模式位、萃取纤维模式采样位、顶空模式采样位间进行切换，进而实现三种采样模式功能间切换。
2.如权利要求1所述的便携式多模式采样器，其特征在于，具有气体直接采样装置、顶空模式采样装置、萃取纤维模式采样装置三种构造于一体，可用于气体采样，液体类或固体类样品中的挥发/半挥发性组分采样。
3.如权利要求1所述的便携式多模式采样器，其特征在于，其中的气体质量流量计装置通过内部的CPU、气体热导传感器及输入的内置程序精确控制气体的质量流量；其上游端与气体过滤装置连接，下游端通过一气路与抽气泵连接。
4.如权利要求1所述的便携式多模式采样器，其特征在于，其中的微控制系统，可经面板上的功能键输入采样速率、采样体积，即可实现采样器精确定量采样。
5.如权利要求1所述的便携式多模式采样器，其特征在于，其中的具有温控功能的样品瓶
加热装置，可用于顶空模式下样品加热采样，也可用于加热条件下液体或固体样品的萃取纤维模式采样；该样品瓶加热装置由数显温控加热器控温，温度经面板数字键输入即可；该样品瓶加热装置可满足多种规格样品瓶使用。
6.如权利要求1所述的便携式多模式采样器，其特征在于，其内置电源为具有一定功率的可反复充电的化学电池，为所需部件供电；整套装置固定在一个便携式仪器箱内，可随身携带。
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