CN107290463B - 一种便携式吹扫捕集采样器 - Google Patents

Abstract

一种便携式吹扫捕集采样器，用于液体样品中挥发组分采集，构造为：基于内置微控制系统(7)为核心，独立控制一抽气泵(19)和上游端经管路(6)连接的气体质量流量控制装置(8)；该质量流量控制装置上游端与气体压力调节装置(21)相连，下游端通过管路与具有温控功能(3)(4)的液体样品盛装容器(5)相连；气体压力调节装置上游端连接气体在线过滤装置(10)；气体过滤装置上游端通过快速接头I(20)连接一进气管路；一“T”形三通连接装置(2)，其三位阀端(2a)与一多位切换阀装置(1)出口端相连，“U”形管端(2c)与液体样品盛装容器出气端相连，采样端(2d)与气体富集部件相连,一内置可充电电源(12)为整个系统供电。

Description

一种便携式吹扫捕集采样器

技术领域

该发明涉及一种便携式吹扫捕集采样器，用于液体类样品中的挥发性组分的富集采样。

背景技术

在工农业生产、公共安全、科学研究等涉及液体类样品中挥发性组分的分析检测领域，分析或科研工作者首要面对的问题是在运用各种商品化的专用检测仪器之前，如何科学、准确、高效、快捷地实现样品的前处理环节，直接关系到后续仪器检测分析的成败。在现有的分析检测试验室内，用于液体类样品中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性组分样品有以下要求：一是挥发性组分的浓度要大于仪器的最低检出限，因为每种仪器都有其自身的检测灵敏度的技术限制；二是挥发性组分的采样体积要准确，否则后续仪器即便性能多么精确，也得不到正确的定量结果；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，因为每种仪器的一些核心部件是严禁与水蒸气接触的，否则损坏仪器；四是仪器的一些分析部件虽然通过技术措施达到可以短时间耐受水蒸气的影响，但长时间、多次的样品导入，会缩短该部件的使用寿命，导致分析检测的成本大幅度增加；五是为了提高分析检测的效率，要求单个样品的检测时间要缩短，样品与样品间等待仪器准备就绪的时间间隔要缩短，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，非目标组分尽可能的少采集或不采集，使得导入仪器中的杂质组分相对大大减少，从而缩短样品的检测时间和仪器的准备时间；六是挥发性组分扩散性强不宜采集，且受外界温度影响大，不宜保存和运输，即当时采样当时完成检测，这为分析检测工作带来了很大困难；七是一些特殊行业如军事、公共安全、科学考察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是传统的吹扫捕集在线采样进样器，如图1所示。该采样器尽管在该领域发挥了很大作用，但不能全部满足上述七点采样要求，因此，其行业通用性受到局限，不能广泛使用。下面以图为例逐一具体分述。

如图1所示，传统的吹扫捕集在线采样进样器。其由一个盛放液体类样品的吹扫管(5)，一个供加入液体类样品的三通切换阀Ⅰ装置(1)，一个“T”形连接三通装置(2)，一个加热温控的四位切换阀Ⅱ(6)，一个可更换的除水阱装置(15)及其加热控温装置(未画出)一个冷聚焦装置(16)，一个可更换的具有选择性吸附的挥发性组分吸附阱(17)及其加热温控装置(未画出)，一个加热温控的六位切换阀Ⅲ(14)，一个具有加热温控功能的样品传输管路(18)，通过该传输管路安装连接到主分析检测仪器的进样口上，与主分析检测仪器构成一套不可分离的装置。此外，吹扫捕集在线采样进样器通过其控制系统由软件来自动控制。工作时，液体类样品先经三通切换阀Ⅰ装置(1)引入吹扫管(5)，并启动吹扫过程，液体中的挥发性组分包括水蒸气一起被逐步吹出，经四位切换阀Ⅱ(6)切换气路进入到除水阱(15)，大部分水汽被内部的吸附剂选择性吸附，其它组分不被吸附，之后进入样品吸附阱装置(17)，目标组分被内部填装的选择性吸附剂所吸附，然后启动升温程序，加热样品吸附阱，高温下被吸附的组分被解析下来，经载气转运，通过温控传输管路进入主检测仪器的进样口，完成样品的采集与进样过程。之后，除水装置启动升温程序，除去所吸附的水蒸气。

吹扫捕集在线采样进样器，采用了在不加热液体而利用特定的吹扫载气吹扫出其中的挥发性组分，并用选择性吸附剂吸附的原理，实现了目标组分精准采样，但另一方面，仍存在着一些难以解决的问题。具体如下：从样品吹扫管到目标组分样品吸附阱之间的管路较长，导致目标组分在传输过程中扩散严重，又加之目标组分吸附阱结构为细长的管状，一般尺寸约直径4mm，长度250mm,内部填充的吸附剂也呈长管状分布，因此传输过程中被扩散后的目标组分，当到达吸附阱时被多个吸附位点吸附。理论上，最理想的吸附状态是目标组分被较窄的且具有更大的吸附活性位点的比表面积的吸附剂吸附，这样在一段很窄的吸附阱内形成高浓度的目标组分带，之后吸附阱被高温加热，吸附的组分被解吸附，解吸附过程又是组分扩散的过程，被解析的组分通过1米多长的传输管路经载气运输到主分析检测仪器的进样口进行分析。一路经过长距离运输，目标组分最终扩散严重，最后的检测结果是，多组分之间的分离度不好，高含量组分掩盖了低含量的组分，性质相近的组分无法分离开来，影响定量结果。另一方面传统的吹扫捕集采样进样器只能与其它主分析检测仪器在线使用，因此，不能满足现场和野外采样。再者，样品吸附阱外周包被着温控加热装置，且被安装在仪器内部，不同用途的样品吸附阱之间更换相当繁琐，尤其作方法优化时，费时耗力，效率低下。最后一点是，因吸附阱的尺寸较大，内部填充了很多的吸附剂，导致每个吸附阱的价格昂贵，后续使用成本很高；同时，较大的吸附阱，会吸附更多的与目标组分结构相近的近似物，净化时，需要更长的老化时间，导致样品与样品间的仪器准备时间延长，使工作效率大大降低。

发明内容

鉴于上述传统的吹扫捕集采样进样器存在的一些问题，本发明的目的在于，提供一种结构设计更加科学、简洁、便携式的吹扫捕集采样器。从而解决了样品组分扩散严重，组分间峰分离度低，定量结果不好，以及使用成本高，一些领域如现场采样，野外采样的问题，满足了更多行业用户的需要。

本发明提供了一种便携式吹扫捕集采样器，用于液体样品中挥发性组分的采集。具有以下结构特征：基于内置微控制系统(7)为核心，独立控制一抽气泵(19)和上游端经管路(6)连接的气体质量流量控制装置(8)；该质量流量控制装置上游端与气体压力调节装置(21)相连，下游端通过管路与具有温控功能(3)(4)的液体样品盛装容器(5)相连；气体压力调节装置上游端连接气体在线过滤装置(10)；气体过滤装置上游端通过快速接头I(20)连接一进气管路；一“T”形三通连接装置(2)，其三位阀端(2a)与一多位切换阀装置(1)出口端相连，“U”形管端(2c)与液体样品盛装容器出气端相连，采样端(2d)与气体富集部件相连,一内置可充电电源(12)为整个系统供电。

本发明的便携式吹扫捕集采样器，采样端的富集部件采用填装有选择性吸附剂的富集针或富集管，极大地简化了仪器的结构，可以实现在样品吹扫盛装容器的出气口处吸附目标组分，可以解决组分扩散严重的问题；同时，富集针尺寸很小，一般直径约0.7mm，长度50-70mm；富集管直径4mm,长度50mm,且吸附剂颗粒细小，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，减少了杂质的吸附，净化时，只需要几分钟的时间，大幅缩短仪器准备时间；再者，富集针/富集管采样完成后便于储存运输，其成本很低。因整体装置的结构极为简化，因此，显著降低了使用者的成本。

本发明提供了一种新型的“T”形三通连接装置，使得采样时富集针/富集管的另一端处于开路状态，挥发性的组分中的水蒸气与其它不吸附的组分被直接放空到外面空气中，因此，水蒸气的含量及其微量。同时，更换不同种类的富集针/富集管时，操作简单，大大提高工作效率。

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，大幅度降低了装置的制造成本；在电源的供给上，采用了高能可充电电源，实现了野外现场采样。

附图说明：

图1为传统在线吹扫捕集采样进样器的整体结构例的模式图。

图2为示出本发明的一个实施方式的整体结构例的模式图。

图3为示出本发明的一个实施方式的“T”形特殊三通的示意图。

图4为示出本发明的一个实施方式的富集针和富集管的示意图。

其中附图说明如下：

(1)三位阀 (2)“T”形三通连接装置

(3)样品盛装容器加热装置 (4)温控器

(5)样品盛装容器 (6)四位阀(带温控)

(7)微控制系统 (8)气体质量流量控制装置

(9)电磁阀 (10)在线过滤装置

(11)氮气或氦气源连接螺母 (12)电源

(13)耐腐蚀管路 (14)六位阀(带温控)

(15)除水阱 (16)冷聚焦部件

(17)样品吸附阱 (18)温控硅钢转移管路

(19)抽气泵 (20)快速接头I

(21)气体压力调节装置 (22)吸附管

(23)捕集针

a排液位 b上样位 c洗液位

2a“T”形三通连接三位阀端 2b“T”形三通连接四位阀端

2c“T”三通连接“U”形管端 2d“T”形三通采样端连接

2e“O”形密封圈 2f不锈钢螺帽 2g密封垫

具体实施方式

请参考图2、图3、图4所示，(13)为连接外源吹扫气的管路，管路的材质要求耐化学腐蚀、且化学惰性，以及最好具有柔软性，外源吹扫气由此进入。本实施例采用了聚四氟乙烯材质管路。该管路安装在氮气或氦气源连接头I(20)上，为满足便携式装备中部件的便于经常性拆卸的需要，本发明采用了快速接头式连接，材质为耐化学腐蚀的高分子聚合物，也可以采用不锈钢或PEEK螺帽接头。通过连接I，采用相同规格相同材质的管路与在线气体过滤装置(10)连接，以除去毫微米级的机械颗粒物，防止进入到下游的气体质量流量控制装置中损坏流量计，在线过滤装置具有一定的使用寿命，可方便更换。(21)为气体压力调节装置，用以初步控制外界具有一定压力的吹扫载气，使之压力维持在一个适宜的工作范围内，本实施例中提供了两种可选方案，数控式或手动式压力调节装置，实际压力显示通过LED屏或机械表头显示。(8)为精密的气体质量流量控制装置，其通过内部的CPU单元、传感器等实现气体流量的精确测定与控制，CPU中输入有相应的控制程序。采样时，启动电源，采样速率和采样体积经控制系统的面板工作键输入，系统的CPU将这些数值进行换算，并传递到气体质量流量控制装置，该模块通过压力传感器检测吹扫气的流量并作出结果判定，并启动计时器计时，当达到设定吹扫体积时，即结束吹扫采样。(13)为连接抽气泵与样品盛装容器进气口的管路，吹扫载气由此进入液体类样品盛装容器，吹扫出液体中的挥发性组分，该管路除材质要求耐化学腐蚀、化学惰性以外，要求柔韧性能好，多次折压不会断裂。本实施例中，为了便于现场野外作业，将所有单元模块放置在一个较小的手提箱内部，同时在空间布局上，将样品吹扫管件、目标组分富集部件、“T”形三通连接装置、多位切换阀分布在箱盖内部空间区域，所有其它控制器部件及充电电源分布在箱底空间区域内，当箱盖经常开闭时，管路(13)也不会折断。本实施例中以此为例加以说明本发明的技术思想和精神，但在实际实施中，各部件的布局不仅局限于此例。

图2所示为液体类样品盛装容器(3)，本实施例以一侧具有滤板结构的“U”形管加以揭示，但本发明的精神不以此为局限，如平底试管以及长形瓶(后二者内部的进气管末端具有大截面的多孔状滤头装置，使吹扫载气的吹扫面积最大化)；进气口和出气口的两端连接通过耐腐蚀的可拆卸密封连接件连接。被吹扫载气吹出的挥发性组分随同吹扫载气由出气口出来进入“T”形三通连接装置，(3)为样品盛装容器加热器，如金属加热和加热丝加热，此加热器用于对清洗后的容器加热，快速烘烤干燥其中的水分以及残留物，以备下个样品进样；(4)为数显温控器，加热所需温度由此面板输入，其内部的温度传感器会实时监测温度并反馈控制系统进行调控，实时温度显示在其显示屏上，(2)为“T”形三通连接装置，材质为耐化学腐蚀和化学惰性，如不锈钢、PEEK、聚四氟乙烯等；(b)为加液管路，上样后的液体类样品经此管路被输送到样品盛装容器内。本实施例中可采用PEEK或不锈钢材质，其与“T”形三通连接装置和三位切换阀的连接是通过PEEK材料的螺帽结构密封连接，(1)为多位切换阀装置，本实施例中以三位切换阀为例，但并非局限于此，阀体采用耐腐蚀的不锈钢、聚四氟乙烯、陶瓷等材质，(1b)阀位供连接进样器加液用，液体类样品上样时，进样器抽取样品定量后，与此阀位经锁口螺母锁定密封，样品被加入；(1b)、(1c)阀位连接排废液管路和洗液管路，样品被设定体积的吹扫载气吹扫采样结束后，留下的液体即为废液，此时旋动旋钮将阀位切换至排废液管路位，在容器内压作用下，废液即被排出；之后，将阀位旋切到洗液管路阀位，洗液即被加入到样品盛装容器，进行清洗过程，清洗完毕后，排废液，再加热烘烤；(2d)为采样端连接，本实施例中用不锈钢螺帽和有机硅橡胶密封垫连接样品富集针以及用不锈钢螺帽和硅橡胶或石墨密封圈连接样品富集管。被吹扫出的挥发性组分在此处，经富集针的针孔一端进入针内，被吸附剂吸附，不被吸附的组分被排出空气中，同样如采用富集管吸附，过程相似。至此，吹扫捕集采样全程完成，富集针或富集管被拿去进行分析检测，或两端密封放入包装盒内暂时储存或运输。

图4所示为内部填充有化学选择性吸附剂的富集针和富集管，本实施例中以玻璃材质为例，内部的吸附剂如改性后的活性炭、聚二甲氧基硅氧烷等单一或多种混合吸附剂。

本实施例的采样系统控制流程主要有下列5个步骤：

第一步，在控制系统的面板上通过功能键输入采样速率和采样体积；第二步，微处理器将指令进行换算为可监测的压力参数和时间参数，并输出到气体质量流量控制装置和计时器单元；第三步，气体质量流量控制装置根据其内部的压力传感器反馈进行流量判定是否开始采样计时；第四步，调控到正确的设定值时，计时开始，采样开始；第五步，采样完成后，关闭阀门，计时器终止。

综上所述，本发明所提供的便携式吹扫捕集采样器，因采用了富集针或富集管捕集所吹扫出的挥发性组分，大大简化了仪器的构造，即科学地解决了样品扩散严重和水蒸气影响的问题，又大幅度降低了使用成本，且操作简单，并实现了现场野外采样。

Claims (7)

1.一种便携式吹扫捕集采样器，用于液体类样品中挥发性组分的采集，具有以下结构特征：

基于一个内置式微控制系统为控制核心的，其独立控制一个抽气泵和一个气体质量流量控制装置；抽气泵上游端经一管路与气体质量流量控制装置相连接，下游端通过一个连接管路与一个具有温控功能的液体样品盛装容器进气端相连接；气体质量流量控制装置上游端与一个气体压力调节装置相连接，其中的气体压力调节装置上游端连接一个气体在线过滤装置，该气体在线过滤装置的上游端通过快速接头I连接一个进气管路；一个具有多位切换阀装置，其出口端与上游的一个“T”形三通连接装置的三位阀端经管路相连，“T”形三通连接装置的“U”形管端与液体样品盛装容器出气端相连接，“T”形三通连接装置采样端与气体富集部件相连接；一个内置可充电电源为整个系统供电。

2.如权利要求1所述的便携式吹扫捕集采样器，其特征在于，其中的气体质量流量控制装置通过内部的CPU、传感器及输入的内置程序精确控制气体的体积流量，其上游端与气体压力调节装置连接，下游端通过一气路与液体样品盛装容器连接。

3.如权利要求1所述的便携式吹扫捕集采样器，其特征在于，其中的具有温控功能的液体盛装容器为“U”形管状或直形瓶状，其材质耐化学腐蚀且导热良好，开口端具有进气端和出气端，进气端经可拆卸的密封件与连接气体流量控制装置的气体管路相连，出气端经可拆卸的密封件与“T”形三通连接装置相连。

4.如权利要求1所述的便携式吹扫捕集采样器，其特征在于，“T”形三通连接装置采样端与气体富集部件相连接；该连接方式包括三种：一种是“圆片”状的可刺穿的富有弹性的有机高分子聚合材料且化学惰性的密封垫式连接，另一种是“圆台体”状的有机惰性高分子聚合材料或石墨材质的压紧式连接，第三种是“环状”的有机惰性高分子聚合材料或石墨材质的螺帽式连接；三通连接材质耐化学腐蚀且化学惰性。

5.如权利要求1所述的便携式吹扫捕集采样器，其特征在于，其中的气体富集部件内部填装有至少一种吸附剂的特定富集针和富集管，材质具有良好导热性能且化学惰性。

6.如权利要求1所述的便携式吹扫捕集采样器，其特征在于，其中的多位切换阀至少具有3个以上切换阀位和一个出口端，其材质耐化学腐蚀、化学惰性，其中一位为上样位，一位为排液位，一位为洗液位。

7.如权利要求1所述的便携式吹扫捕集采样器，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，一路用于温控加热装置供电，另一路经过该装置中的变压器为气体流量控制装置和抽气泵供电。

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