CN107548458B - 具有汞循环系统和污染物清除的可更新的汞弯月电极 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于汞电极的伏安测量系统。为了最小化汞的消耗和/或处置，所公开的系统包括再循环系统和用于清洗汞的机构，其准许在几乎无限期的基础上回收、纯化和再利用汞。可选实施例提供了一种模块化设计，其包括特别设计的测量单元、并且提供有助于这些目的的自动化控制系统。

Description

具有汞循环系统和污染物清除的可更新的汞弯月电极

优先权声明和技术领域

本申请根据35USC§371被提交作为于2016年4月27日提交的PCT申请号PCT/IB2016/000776的国家阶段进入。本申请和前述的PCT专利申请代表发明人VladimirDozortsev要求于2015年4月29日提交的“RENEWABLE M ERCURY MENISCUS ELECTRODE WITHMERCURY CIRCULATION SYSTEM AND CONTAM INANT REMOVAL”的美国临时专利申请号62/154407的权益。上述PCT专利申请和US临时专利申请通过引用并入本文。

本公开涉及汞弯月(meniscus)电极的使用，以及相关方法、部件、设备、系统和应用。在一个实施例中，基于所公开的原理的自动化测量系统可以用来在远程或规则(即，计划间歇))的基础上自动执行样本测量。

背景技术

汞弯月电极表示许多测量系统的黄金标准；这就是说，对于期望测量物质的电化学性质以检测物质中的特定分析物的痕量的应用，汞弯月电极通常是选择的检测机构。其原因是在大多数分析环境下，金属汞是液态的，通常是非常纯的(因此对痕量的特定分析物的检测非常敏感)，并且具有非常高的表面张力，使得其弯月(和形状)可以容易地被控制以呈现可重复的可控电极表面积。存在汞弯月电极的许多应用；为了提供一些非限制性示例，汞弯月电极可以用于检测痕量金属、有机材料、无机材料、致癌物和/或其他特定材料，用于医疗应用或其他目的，并且以其它方式检测特定物质的存在和浓度(例如，体液中的癌症指标)。为了执行测量，将被测量的物质以水性溶液形式接收或转化为水性溶液形式，然后添加缓冲溶液以有效选择和分离将被测量的特定分析物。例如，可以添加特定缓冲溶液以使化学成分适合于检测水中的铜浓度。与正在被测量的分析物结合的化学成分促进水性溶液中电荷输运的机构，并且依靠所测量的电流来确定所需分析物或物质的浓度。用于该分析的伏安系统通常包括两个或更多个电极，尽管通常表现为具有辅助电极、参比电极和工作电极的三个电极系统。在辅助电极和工作电极(后者提供液态汞的表面与水性溶液之间的接触)之间施加电位差，并且测量电流流动以识别所需分析物的浓度。参比电极通常仅用作电位参考，以便准许系统精确地确定电流流动。因为液态汞可以随时间而被破坏(例如，经由将液态汞转化为汞齐的金属的吸光度，并且使液态汞首先不敏感并且最终不再可用)，所以开发出了汞滴电极。这些电极排出汞，以在工作电极的尖端处形成新汞弯月(形成弯月的液态汞通常也与用于电气拾取的工作电极内的导线或其他金属相接触)用作测量表面，即，该聚集结构提供了工作电极。使用汞弯月作为工作电极，以及流出汞并且生成新弯月的能力表示非常重要的发展，因为它使得能够进行非常精细的精确测量，例如，现在能提供检测甚至痕量(例如，在一些同期系统中，十亿分之几)的通过特定测量过程寻求的化合物或材料。

遗憾的是，使用液态汞作为电极存在若干个困难。首先，如所提及的，当测量发生时，液态汞吸收痕量金属从而形成汞齐。其次，对于被测量的许多物质，微粒和其他表面活性剂可以沉淀(在测量系统中的液态汞和其他表面上)，其产生测量噪声，并且再次使得系统不敏感，除非非常频繁地执行严格的清洗(即，这可能需要完整的系统拆卸)。最后，虽然使用汞弯月电极可以准许为每个新测量形成新的汞表面(例如，通过在测量之后排出旧汞)，但是所使用的液态汞是一种极其有毒的物质，并且通常作为废物被丢弃；事实上，即使在单个测量循环中，许多常规系统还可以流出若干克(gram)的经排出的液态汞。然后，必须手动收集这种汞，通常由人类操作员进行，并且进行安全处置。这种处置可能会存在很大的健康和生态危害。

需要一种改进的系统和相关的过程集合，其提供较少的废汞并且使人类暴露于汞最小化，同时维持“理想的”汞弯月电极所需的高可靠度和高测量精度。本发明满足这些需要并且提供进一步的相关优点。

附图说明

图1是示出了伏安测量系统以及相关方法和设备的一个实施例的框图。

图2是示出了与依据添加到溶液中的缓冲剂选择的化学成分以及根据溶液中所需分析物的存在和浓度测量水性溶液的电化学性质相关联的步骤的框图。

图3A是示出了现场清洗液态汞的一种示例性方法的框图。

图3B是示出了现场清洗液态汞的另一示例性方法的框图。

图3C是示出了现场清洗液态汞的另一示例性方法的框图。

图4是示出了在图4所呈现的示例中适于根据所需时间表或日历对饮用水供应403进行定期测量的自动化测量系统的说明图。

图5是示出了伏安测量系统的实施例的示意图。

图6A示出了可以气密地密封(或以其他方式模块地耦合到其他系统元件)的预制测量单元。

图6B示出了从图6A中的线B-B的方向观察到的测量单元的第二体积(即，来自图6A的区域606)的特写。

图6C是汞弯月电极(可再用汞电极表面，其被配置成产生具有小的可重复的表面积的稳定的汞弯月)的特写视图；例如，在一些实施例中，该弯月形成为液态汞的半球，其将接触待电化学测量的物质，其中该半球的体积通常小于3.50微升。

图7是根据本文中所公开的技术的用于伏安测量系统的电子控制系统的框图。

图8是示出了伏安测量系统(例如，适于自动测量应用的伏安测量系统)的各种模块化部件和子系统的说明图。

图9A是示出了一个采样机构或样本提取机构的图。

图9B是示出了另一采样机构或样本提取机构的图。

图10是与自动测量应用相关联的方法框图(例如，用于在线地测量饮用水、废水、空气或任何其他所需物质)。

图11是用于解释远程监控一个或多个现场机构的方法的系统图1101。

通过参考以下应当结合附图解读的具体实施方式可以更好地理解由所枚举的权利要求限定的主题。下文所列出的一个或多个具体实施例的描述是为了使得能够构建并且使用权利要求所阐述的技术的各种实现方式，并不旨在限制所列举的权利要求，而是为了举例说明其应用。在不限制前述内容的情况下，本公开提供了用于在汞弯月电极系统中回收液态汞的技术的几种不同示例，以及适用于该目的的相关部件。各种技术还可以被实现为用于执行这些技术的软件，或以计算机或运行这样的软件的其他设备的形式来实现。尽管呈现了特定示例，但是本文中所描述的原理还可以应用于其他方法、部件、设备、系统和应用。

具体实施方式

在本公开中呈现的实施例中的几个实施例提供了基于使用液态汞作为电极表面(“汞弯月电极”或“汞电极”)的伏安测量系统。为了解决上文以及本公开的其他部分所阐述的问题和目的，这些实施例中的几个实施例使用汞再循环系统，其提供非常低的总体液态汞体积，以及回收、现场清洗和更新/再循环液态汞。这促进了可以在较长的使用期内反复使用的汞源，即，没有过多的汞废物，并且不会使操作员暴露于汞或其他有害化学成分；在下文给出的实施例中的几个实施例中，汞的总系统体积可以保持在小于二百五十微升，并且在一些实施例中小于一百微升甚至五十微升。该公开的结构有助于液态汞的无限次或几乎无限次的再利用，几乎不含废汞，从而解决了上文所提及的健康和生态危害；它还提供潜在的更便宜和更可靠的电极以及相关系统操作。下文对实现这些目的的技术进行讨论。

一般来说，本公开提供了若干个不同的实现方式，包括伏安测量系统(即，具有依赖于伏安法的两个或多个电极的测量系统)，基于这种测量设备的自动化测量系统(即，其中测量水性样品以确定电化学性质、液态汞清洗和更新以及制备用于测量水性样品的测量元件的步骤的循环的测量)，以及相关方法、部件、设备、系统和应用，所有这些都可以通过发布权利要求来阐述。

I.伏安测量系统以及汞更新机构

常规伏安测量系统使用两个电极或三个电极来测量水性溶液的电化学性质(通常为电流)，以推断材料(即，感兴趣的分析物)的存在和浓度。可以根据所需应用来使用许多不同的电极材料。为了执行测量，将电极浸入已经加入缓冲剂的水性溶液中以提供针对特定分析物的检测而定制的化学成分。控制电位差的应用通常由恒电位仪提供，其中随着电位差的变化，测量所需电化学性质的改变。如之前所指出的，部分地因为汞在化学上是惰性的，因为导电性优异并且提供超低的检测限，因为液态汞提供高的析氢过电压(即，宽电位窗)并且提供超低检测限，并且因为液态汞的表面张力允许高度可重复的表面结构(因此高度可重复的电极表面积)，所以一些系统利用液态汞作为电极(即，作为大致半球状的汞弯月)。这些特征准许汞用于测量许多分析物的痕量(例如，百万分之几或十亿分之几)。

因为重复测量可能损坏工作电极并且可以产生沉淀物或其他微粒作为吸收层，所以在可以再次执行测量之前，基于固体(即，非汞)电极的常规系统通常需要大量手动清洗过程(例如，擦洗或超声波)。对于液态汞电极，由于液态汞的不稳定性，所以清洗通常是不实际的，结果是汞经常被视为消耗品。

本公开提供了将汞用作可更新的资源，即，其中液态汞不被处置，而是被清洗和重复使用，并且以使人-汞相互作用最小化的方式。根据实施例，若干种设计技术有助于这些目的。一般来说，测量系统包括两个或更多个电极、以及一种用于再循环和/或回收汞的系统，其中一个电极是汞电极(例如，滴汞电极、悬挂汞电极、汞弯月电极、或依赖于液态汞的其他电极)。在测量发生时，泵用于更新汞电极尖端处的汞弯月，从而在加压汞的力下从电极的尖端排出一定数量的“用过的”汞，并且提供新的汞弯月用于随后测量。从电极尖端流出或剪切的用过的汞然后被捕集阱(trap)重力地收集，并且提供给泵，以最终重新供应给汞电极来提供未来更新的液态汞表面。在这个汞回路中的某个点处，现场清洗机构用于从液态汞中清洗污染物，从而提供用过的回收的汞，而不需要汞处置。可以对系统中的任何点的液态汞执行这种清洗，其中下文对若干个特定清洗机构进行举例说明。应当清楚的是，该设计提供了大大减少的汞废物，并且迄今为止尚未经历过的一定程度的自动化。因为液态汞可以例如使用自动机构进行现场清洗，所以在需要服务之前，基于汞电极的伏安系统可以完全自动化并且用于远程(或重复)测量，具有高可靠度和数百次或数千个测量或更多的生命周期。下文将对这些技术的许多应用进行讨论。

本公开还提供了若干种不同的改进的机构、方法、设备和系统，其中每个都应当被认为相对于任何其他是“可选的”。例如，虽然一个实施例提供了具有汞电极的伏安测量系统，但是另一实施例提供了一种测量单元设计，其适合于(a)用于与供应线的模块化连接(例如，用于接收并且处置将被测量的溶液、缓冲剂、清洗剂等等)和(b)用于液态汞的注入、清洗和回收。测量单元可以独立于伏安系统元件制作，使用或出售(即，在这种系统中可选使用)，并且类似地，伏安系统可以可选地使用测量单元和下文给出的其他特定设计。类似地，本公开还在自动基础上或以其他方式提供了样品收集机构(现场或其他方式)，全部可选地与本文中所描述的伏安系统和相关方法、部件、设备、系统和应用一起使用。尽管下文对若干个特定实施例进行了描述，但是一般来说，各种元件、特征和功能可以相互混合并且匹配以适应所需配置，并且没有一个元件被认为是整个系统操作的“必要条件”。

图1示出了总体上用数字101表示的第一实施例。基于使用两个或多个电极103的伏安测量系统接收待测量的水性溶液105，以检测与所需分析物相关联的参数。如数字107所指示的，伏安测量系统通常测量将被处理以确定所需分析物是否存在的电化学性质，和/或这种分析物的浓度。例如，在稍后讨论的一个具体实现方式中，可以使用伏安测量系统来进行饮用水处理，以检测饮用水中的各种有毒金属物质(即，诸如砷、铅、铜、铬、铍、镉、铝、镍、铀、硒、锌等之类的金属)的存在和浓度。如数字109所指示的，电极(通常为工作电极或主电极)中的一个电极是提供与水性溶液接触以用于提供电流流动和相关联的电化学测量的液态汞表面的汞电极；例如包括泵111和汞回路或路径113的汞再循环系统用于收集从工作电极流出的使用过的液态汞或失效的液态汞，并且用于回收该液态汞以供更新使用。也就是说，例如，在已经测量水性溶液之后，它不会与失效的汞一起扔掉，而是从水性溶液中获得液态汞并且被回收。清洗115可以在汞回路中的任何点处(即，在沿着液态汞流动路径的任何点处，无论是作为测量混合物或溶液的一部分，作为电极的一部分，还是在再循环路径中)发生。

A.用于自动测量的机构

图2提供了更特定的实现方式的附加细节，其中液态汞被重新使用，并且对测量系统的控制将至少部分地被自动化。该实施例通常由数字201指示。

更具体地，该方法从203开始，其中接收特定体积的水性样品用于测量。注意，水性溶液可以以许多不同的方式制备或获得，例如，天然地作为将被直接测量的物质(例如，饮用水或废水、血液、或实际上任何其他类型的液体)或者以第一形式(例如，空气)的其他方式来接收，其中作为样品制备步骤的一部分，特定物质(例如，污染物)被洗脱到或转移到水性溶液。无论使用哪种制备方法，如数字205所指示的，然后向该水性溶液中加入缓冲剂以选择将作为测量对象的特定化学成分(例如，由特定分析物提供的电荷输送)并且产生混合物。注意，在一些实施例中，混合步骤还可以用于确保均匀混合物的测量，并且在其他实施例中，混合物可以在测量之前被加热、冷却或以其他方式处理或允许以反应任何所需程度，如适合于所选化学成分。在诸如水计量应用之类的典型应用中，可以添加缓冲溶液以强调将被测量的特定材料(例如，特定金属)，以在电位差的影响下促进涉及所需分析物的离子或其他电荷输送。该测量通过采用水性溶液和混合物的电化学性质(即，通常为电流流动)的第一伏安测量来实现。

在实验室设置中，测量系统可能是频繁系统校准(即，电极灵敏度)的对象，使得当稍后测量感兴趣物质(例如，作为该第一测量)时，所测量的电化学性质可以立即使用所存储的校准结果进行处理，以直接产生分析物浓度。在所描绘的实施例中，没有使用这样的先进工艺；相反，为了便于对特定的感兴趣物质(例如，饮用水供应中的铜浓度)进行重复的自动测量，执行“尖峰测试”(211)，其中刚刚引用的第一测量然后利用在混合物中加入已知的特定体积的标准物之后的一个或多个附加测量来补充(209)。因为标准物的添加将改变测量结果，并且因为标准物中分析物的存在与所测量的标准物的电化学性质之间的关系是已知的，所以水性溶液中分析物的浓度可以依据水性溶液以及每种所添加的标准物的电化学性质和相对体积的附加测量的结果来确定。在一个实施例中，仅执行一个这样的尖峰测试，而在另一实施例中，执行多个尖峰测试并且用于评估结果的线性(即，用于诊断或其他目的)。一旦执行了所需数量的测量，然后按照数字215和219执行清洗，则汞会重力地从溶液中沉降出来并且被收集，而且溶液被丢弃。可选地，如数字213和221所指示的，系统可以在这样的清洗之前或之后被冲洗或漂洗。注意，由于汞被得到，所以丢弃溶液中几乎没有溶解的汞。这与一些常规系统显著不同，其中几克的汞金属可以是每次测量迭代的废品；本技术依据实现方式准许以无限期或几乎无限期的方式来回收汞，几乎不需要汞替换或维护。

还应当注意，如图2所指示的，在所描绘的实施例中，执行两种不同的现场清洗操作；按照数字215，执行第一电镀清洗(即，其中使得伏安系统反转电极之间的电位差，以将汞齐(溶解在汞中的金属)引回到水性溶液中的离子物质中)，以及执行第二清洗(219)，以从测量系统内的表面(包括一个或多个液态汞表面)清除沉淀物(例如，固体、吸收的物质)。在各种实施例中，可以执行一个、两个或者实际上任何数量的现场清洗操作；该实施例说明了两个特定的清洗过程。

关于这些描绘的清洗过程中的第一清洗过程，如之前所指出的，金属物质的吸光度可以形成汞齐，其是不期望的。因此，为了进行电镀清洗，电极电位的反转将杂散金属沿相反方向从液态汞中引出，使得如果分析物金属离子在测量期间被吸引到汞，则电位差用于将那些离子从汞块体抽回，从而帮助清洗液态汞并且反转汞齐形成。在这方面，在两个或三个电极系统中，铂有利地用作辅助电极和用作电镀线以用于这种工艺；铂在化学上比较惰性和稳定。还可以使用其他金属或导电材料，其中那些材料相对于将在测量中使用的化学成分具有足够的惰性和稳定性。注意，当适用于特定化学成分时，本领域普通技术人员可以确定电位差的量和施加该差的时间。还有，虽然图2图示了作为所描绘的测量循环的组成部分的电镀清洗过程(即，对于每个测量周期，在测量之后立即执行，以避免汞齐快速扩散到汞块体中)，在其他实施例中，并不必须如此(例如，清洗可以作为特定清洗循环的一部分，一旦已经达到检测到的降解水平则在专设(ad hoc)的基础上，或者每隔几个测量循环一次，或者每天的开始，或在另一期望基础上来执行)。在很大程度上是为了确保测量到测量的结果的一致性并且在所描绘的实施例中将液态汞尽可能维持在初始状态，在一个所设想的实施例中，在每次测量之后执行电镀清洗(伏安扫描)。还要注意，因为电镀清洗利用电压极性的反转，所以对于仍然在汞电极的尖端的液态汞而言是最有效的，即，这种类型的清洗通常在流出失效的汞或用过的汞以及更新汞弯月之前执行，以便随后的测量循环。

关于所描绘的第二清洗过程，应当注意，许多溶液具有多种污染物的特征，其中仅一个是给定测量的对象，并且污染物可以采取包括可能随着时间的推移而累积的沉淀物在内的多种形式，并且有助于测量噪声(从而提高随后测量的检测限)。例如，一些金属(诸如硒)或其他有机材料或无机材料可以产生沉积物，其如果没有特殊措施，会随着时间的推移而累积。如下文将进一步讨论的那样，在所描绘的实施例中，若干种特征组合以在相应的溶液的测量之间提供一种对这种沉积物的有效化学清洗。首先，在一个实施例中，在使用特定水性溶液剥离或以其他方式溶解表面微粒之后，加入清洗溶液；这样的溶液可以采取螯合剂、酸、碱、试剂、去离子水、或溶解或以其他方式从测量单元和从收集的液态汞的表面清除感兴趣的表面污染物的其他物质的形式。最佳清洗剂根据测量化学成分而变化，并且其选择完全在熟练化学家的能力范围内。有利地选择清洗剂，以便在假定的人接触的情况下不会有害或有毒，并且不需要特殊处置过程。例如，在使用硝酸(给定特定的测量化学成分)的情况下，通常选择清洗剂以具有相对低的酸浓度(例如，0.1摩尔)，以提供相对低的pH和令人满意的剥离性能。

从随后的讨论中还可以看出，在一些实施例中，测量发生在测量单元中，其中失效的汞或用过的汞被流出，重力流过该测量单元并且经过溶液，而且在汞捕集阱中收集和聚结；通过提供收集和引导失效的汞的相对较小的区域，并且因此提供用于收集的液态汞池的浓缩表面，并且通过在该表面附近添加清洗剂(即，在污染物沉淀或以其他方式浓缩的情况下)，便于污染物清除。在下文进一步讨论的一个实施例中，公开了一种特殊测量单元，其准许将液态汞汇集在捕集阱或柱中(例如，直径小于5.0毫米)，其中为此目的使用局部清洗溶液注入。因为沉积物可能随着时间的推移而累积，并且最终可能潜在地进入汞再循环系统以降低电极性能，所以在每个测量循环中还执行了所描绘的实施例中的清洗步骤，但是在将失效的汞从电极流出之后(217)。

虽然已经公开了两种清洗过程，这些清洗过程清除可能干扰液态汞所提供的性能的污染物，但是实际上还有可以在现场选择性地应用的更多的清洗过程，附加于或替代刚刚提及的那些。例如，如下文所讨论的，另一现场清洗过程涉及反冲洗汞再循环系统以将清洗溶液吸入汞电极(即，进入用于向电极尖端提供液态汞的通道)，并且将该溶液泵入通过泵并且进入汞捕集阱；这种过程可以潜在地补救汞再循环系统中的堵塞问题，以及从再循环系统内部(例如，用于输送液态汞的泵或管中)清除污染物。本领域技术人员还可以想到其他现场清洗过程。

还有，注意，在一些实施例中，各种形式的传感器或测量(例如，伏安测量)可以用于验证适当的系统操作并且采取补救措施来提高性能。例如，如上文所引用的线性度测试(和/或其他测试，诸如电气连续性测试)如果被执行并且被确定以产生阈值误差量，则可以用于触发刚刚所讨论的反冲洗。可替代地，图像传感器(例如，相机或其他传感器)可以用于测量汞的性质(例如，纯度、体积等)，并且如果存在问题，则提醒操作员。下文还将结合系统诊断的讨论对这些措施进行进一步讨论。

最后，如每个数字221所指示的，一旦完成清洗，则可以冲洗测量单元(例如，用清洗剂或去离子水，如果单元尚未被漂洗)。注意，对于具有汞电极、典型的辅助电极结构(铂)和参比电极(如果有的话，例如，绝缘的银/氯化银电极)的系统，即使在测量单元排干之后提供的湿度通常足以将电极保存在测量之间。在自动化测量系统中，如果只是非常不频繁地执行测量(例如，每天一次或更少频率)，则测量单元(或面积)可以可选地填充有防腐剂(例如，诸如清洗剂或去离子水)，以保持电极健康，如数字223和227所指示的。按照数字225，测量系统可以根据需要重新用于新的测量，作为新的测量循环的一部分。

清楚的是，图2呈现了使用伏安测量系统的自动化测量系统采用的方法。所表示的过程可以是自动化的，在这个意义上讲，无论是通过命令还是以其他方式，在样本被接收之后，在电子控制系统的治理下，“自动”执行一系列顺序步骤；这些步骤以不需要手动干预的顺序进行，并且通常包括汞清洗和汞电极更新。可选地，响应于检测到另一专设的“触发”(诸如检测到所监控的特定条件)或在自动化历算(例如“每小时”)的基础上，可以根据需要(例如，任何时候来自人类操作员的命令)来执行这种自动循环。

B.一些示例性的现场的汞清洗技术

图3A至图3B提供了依据实施例可以执行的现场汞清洗的几个示例。本领域技术人员还想到使用某种类型的现场处理从液态汞中清除污染物或以其他方式保持液态汞纯净的其他机构。在一个实施例中，通过作为伏安测量系统或自动化测量系统的一部分的清洗系统来应用单个这样的技术；在其他实施例中，可以以任何期望次序组合和/或执行多个这样的技术。

更具体地，图3A示出了刚刚引入的与剥离过程301相关联的元件。在一个实施例中，按照数字303，运动控制的注射器或泵在控制信号的影响下起作用，其使得注射器或泵将期望的清洗溶液注入到测量系统的测量单元中。这样的溶液可以适当地采取任何数量的形式来清除由测量溶液或特定化学成分贡献的特定污染物；例如，这样的清洗溶液可以是溶剂、酸、碱、螯合剂、剥离剂、去离子水、或剥离、溶解或以其他方式帮助清除表面微粒的其他材料(按照数字307)。在一个实施例中，首先收集失效的液态汞并且允许聚结，其中表面污染物由汞捕集阱中收集和汇集的汞来重力地支撑(即，漂浮在顶部上)；然后将清洗溶液合理地注入该表面附近并且用于清除特定污染物。清除过程可以根据具体清洗过程和清洗溶液而变化；由于污染物漂浮(聚集)在收集在捕集阱中的相对较重的汞的顶部上，所以剥离可以用于溶解污染物、与污染物反应、或以其他方式清除污染物。通过汇集汞，便于这种剥离并且使其更有效，以便将特定汞引导到适于处理的较小的表面积。注意，在期望使废汞的数量最小化的典型应用中，优选使用非湍流方法(例如，清除污染物而不搅拌所收集的液态汞)。按照数字309，一旦达到所期望的清洗时间，并且期望用任何收集的微粒来清除清洗溶液，则运动控制的注射器或泵然后用于从汞的存在中清除溶液，从而带走吸收或溶解的污染物。再次，如所描绘的，可以根据所接收到的控制信号来选择性地且自动地执行该操作。

按照图3B和附图标记321，还可以执行电镀清洗过程或催化清洗过程。

电镀过程使用电极之间的电位差来将不期望的污染物引向特定电极(例如，远离和离开汞电极的尖端处或附近的液态汞进入测量单元中的溶液中)。也就是说，在测量期间，汞可以吸收某些物质，诸如可以产生汞齐的金属；通过以受控方式反转极性(323)，伏安测量系统尝试反转这种金属迁移，从而将那些金属拉回溶液。该可选过程由数字325表示。注意，对于一些常规系统(例如，常规HMDE和DM E系统等)，由于电极尖端处的液态汞的不稳定性，所以这种类型的清洗可能是困难的(如果不是不可能)。根据本文中所公开的技术，与溶液接触的液态汞的表面可以可选地保持非常小(324)，并且因此对于这些过程保持相对稳定，例如，通过将汞弯月的尺寸约束到半球不超过约2.0微升；在一个实施例中，该尺寸被约束为1.0微升，从而提高了对这种电镀清洗过程的完整性。将进一步提出技术，其有助于汞再循环系统的这种尺寸以及完整性和操作，例如，通过将汞电极的汞流动通道的直径约束至不大于1.00毫米至1.20毫米直径(优选地更小)，并且通过使用最小宽度的相对平滑的均质通道直径(例如，直径不小于约0.50毫米)，以便有助于汞系统泵操作，而没有不必要阻塞或阻力(即，由于液态汞的表面张力，毛细作用所产生的)。使用小的汞弯月尺寸和适当的电极控制，用作测量表面的暴露的汞保持完整，从而使汞浸入溶液中最小化，同时提供从任何吸收的杂质中浸出(327)。再次，在可选实施例中，用作不需要的物质的吸引剂的电镀线是铂线，或者可以制成伏安系统的辅助电极。

图3B还表示在一些实施例中使用的催化清洗过程。也就是说，通过将液态汞的暴露表面浸入从液态汞吸收不期望的金属离子的流体中，可以将所吸收的金属从汞中被动地浸出；遗憾的是，这种过程如果在理论上应用，通常需要过多的时间并且对于将以任何频率重复使用的任何测量设备可能是不切实际的。然而，通过使用与液态汞和水性溶液(或另一溶液适合接收所吸收的金属物质)接触的导电线形式的催化剂(具有较低的析氢过电压的材料，诸如铂)，可以大大加速污染物的浸出。注意，在测量期间不期望任何这样的线与汞电极和水性溶液接触，因为这样的线可能使得测量结果不可预测。因此，在一个实施例中，这样的线可以以其他方式将所收集的液态汞(例如，在汞捕集阱中)与溶液耦合的方式提供，并且因此帮助将期望的物质吸回溶液中(即，正如一旦所连接的负载被清除，则电池中的电荷输送机构就会恢复平衡)。该清洗过程可以附加于电镀清洗工艺或代替电镀清洗工艺来应用，并且不需要由恒电位仪进行专门控制以进行操作(即，除了清除测量电压之外)。与电镀过程一样，线(诸如铂线、或根据特定化学成分选择的其他耐腐蚀导体)被用于便于提取由汞吸收的污染物。

图3C表示依据实施例可以应用的又一清洗过程(351)。如果不经常执行适当的清洗，可能会将污染物引入汞再循环系统中，并且干扰液态汞向汞电极的尖端流动，以及损坏或甚至断开从汞电极的电拾取。在一个实施例中，响应于可选的问题检测触发器(353)，汞再循环系统可以被反冲洗，以从再循环系统中提取液态汞，并且使用清洗溶液(例如，诸如按照步骤355如之前所引用的酸、碱、溶剂、去离子水或其他清洗剂)来剥离再循环系统内的任何污染物、微粒或障碍物。注意，通过迄今为止所引入的设计(下文所详细阐述的)，失效的液态汞从汞电极中排出，并且在通过溶液掉入之后重力地沉降到捕集阱中。汞是一种重物质，因此所收集的液态汞在这个捕集阱中取代了溶液。当期望反冲洗该系统(357)时，泵被反向操作，最后通过汞电极和泵向后吸入清洗剂，并且将清洗剂“鼓泡”进入捕集阱底部中并且通过所汇集的液态汞。该过程帮助清除可能影响液态汞在再循环系统中流动的一些物质，诸如可能被捕集在该再循环系统中的气泡、沉淀物或微粒；如数字359所指示的，可以在使用或不使用新鲜清洗剂的情况下重复该清洗循环，随后通常在将汞再循环系统用液态汞再启动(361，即，通过再次向前运行泵，以再次从捕集阱中吸入汞)之前进行去离子水漂洗。

注意，虽然已经描述了四个清洗机构，但是本领域技术人员还将想到其他清洗机构。这些清洗机构可以以任何期望的组合、置换或顺序来使用。在一个实施例中，仅使用单个清洗机构，由伏安测量设备的清洗子系统实现(该子系统可以与其他系统共享元件，诸如汞再循环泵、电极、捕集阱、电子控制系统、各种流体和/或其他元件)。在一个特定设想的实施例中，响应于所检测到的问题，四个所描述的机构中的每个机构被一致使用，前三个(化学、电镀和催化)作为每个测量循环的一部分，并且后者(汞系统的反冲洗)在更不经常的周期性(例如，“每日”)的基础上或在专设的基础上。

上面的讨论已经举例说明了用于维持汞电极系统的健康的几种不同的过程；本领域技术人员还将想到许多其他过程。本公开现在将重点关注特定系统的设计，包括如上文所介绍的非常适合于回收和清洗液态汞的测量单元。

II.示例性系统的设计

A.基本示例-测量用于痕量金属的饮用水供应

图4是示出了完整测量系统的一个实施例401的示意图。更具体地，图4表示自动伏安测量系统的一种可能应用，即，饮用水供应403的在线测量，其中不仅测量过程和清洗过程，而且样品提取和重新测量都是完全自动化的。自然地，存在许多类似的应用，其没有涉及饮用水(例如，可以对废水执行相同类型的测量，诸如采矿径流、河流/湖泊/海水、空气或废气的处理、以及几乎任何其他类型的物质、固体、气体或液体)；潜在应用甚至可以包括遗传学应用或生物医学应用，例如，患者的血液可以静脉内自动提取并且进行自动化处理。

如数字405所指示的，待测量的物质首先在自动化样品提取机构407的支持下在样品容器405中接收。注意，图4将该机构描绘为在图4中由运行合适的指令逻辑427的一个或多个处理器(计算机图形425)表示的电子控制系统406管控。这就是说，在一个实施例中，样本提取还根据来自电子控制系统的命令信号而被自动化；样本提取可以是专设的(基于例如经由本地输入或经由因特网传送的来自人类操作员的远程命令来提取样本，或者响应于某个阈值条件的检测)，或者可以根据预先确定的时间表(例如，间歇性地，周期性地或以其他方式，诸如每小时，每天，上午6:00以及下午3:00等等)来执行。在对水源进行在线采样的情况下，样品提取机构通常包括阀门和传感器，该阀门和传感器配合以从水源中取出预先确定的体积的水(例如“0.250升”)，并且将期望的量转移到样品容器405；一旦取出期望的体积，阀门就随后被关闭(直到在以后获得另一样品的时间为止)。还有，在电子控制系统406的控制下，系统再次转移用于处理或测量的感兴趣样本，如数字408所引用的。

注意，图4描绘了分析物捕集阱、过滤器或其他处理409的可选使用；在一些情况下，不期望将所捕获的物质直接进行分析，而是对从其中洗脱或衍生的材料进行分析。例如，在与大气测量相关联的应用中，捕集阱可以是空气或其他气体吹过的过滤器，其中过滤器清除待测量的感兴趣分析物(例如，化学品或微粒)；在这种情况下，过滤器或分析物捕集阱用于从空气中清除化学品或微粒，并且将其转移到水性溶液(例如，在分析物被捕集之后，溶液可以通过捕集阱将所收集的分析物转移到溶液)。依据具体化学成分，除了固相萃取之外，挥发性或化学转移过程也是可能的。还注意，在许多实例中，还可能有利于对流体执行某种提取或转移过程；在医学应用中，可能期望在自动基础上从患者的血流中清除血液，并且将特定物质转移到不同的溶液中。可替代地，可能期望将吸出的物质(例如，血液)供给到离心机或其他形式的处理中，以便提取感兴趣材料，或以其他方式过滤或化学处理物质以产生所需的分析物)；数字409表示这些过程中的每个过程，并且任何其他形式的中间处理作为样品制备的一部分。如方法步骤415所指示的，一旦任何期望的处理完成，则再次清除感兴趣的分析物(即，将被测量的分析物)，并且将其作为水性溶液转移到测量单元413中以供测量。此时，如数字418所指示的，将期望的缓冲溶液混入水性溶液中，以通过选择用于伏安测量的合适化学成分来强调感兴趣分析物；例如，如果期望测量铜的存在，如先前所引用的，缓冲溶液被选择以产生化学环境，其中铜离子(或依据铜存在的化合物)将在施加由伏安测量系统的电极施加的电位差下迁移。

如数字419所暗示的，在一个实施例中，测量系统被设计成支持许多不同的备选化学成分，并且对应地被设计成“手头”具有许多备选缓冲剂、试剂和清洗溶液。为了提供示例，如果期望测量饮用水中存在5种不同重金属中的每种重金属，则该系统可以包括5种或更多种不同的缓冲剂和清洗溶液。自动化样品提取机构在5个不同的测量循环内抽取足够的水，然后在第一测量(例如，使用缓冲溶液中的第一缓冲溶液测量铅浓度)中使用所抽取的水中的一部分。在该测量之后，系统漂洗测量单元并且清洗和更新汞电极(420)，然后在连续循环中抽取更多的水并且使用不同的缓冲剂(例如，以测量硒浓度)等。除非另有说明，否则自动化测量系统可以提供有多个备选缓冲剂、试剂和清洗剂，并且它包括足以测量和处理多个感兴趣分析物的指令逻辑，全部根据电子控制系统406的时间表。按照数字421，当所提取的样品的测量完成时，样品容器和测量单元被清空并且漂洗(如之前所描述的，或适当时以其他方式保存)，以便稍后准备接收随后的样品(例如，根据电子控制系统的编程，到测量系统的专设命令输入，或经由广域网连接接收到的命令)。

注意，图4还示出了一些附加特征。首先，如之前所指出的，电子控制系统可以包括用于系统控制所必需或期望的元件，诸如具有一个或多个处理器的计算机、合适软件、广域网连接(例如，有线或无线因特网连接或蜂窝无线连接)、用户输入(例如，键盘、显示器、触摸屏显示器、鼠标或其他输入设备)、电源、传感器和控件、以及适合控制自动化测量系统的各种元件的其他电子机构。

尽管使用“软盘”图标427进行了描绘，但是该图标象征性地表示用于存储指令逻辑的任何非暂态机器可读介质。一般来说，本文中所讨论的过程或方法中的任一过程或方法可以以存储在非暂态机器可读介质上的指令形式实现，例如，作为软件。“非暂态机器可读介质”是指任何有形(即，物理)存储介质，不管该介质上的数据如何被存储，包括但不限于随机存取存储器、硬盘存储器、光学存储器、软盘、DVD或CD、服务器存储装置、易失性存储器和其他有形机构，其中随后可以由机器取回指令。机器可读介质可以采用独立形式(例如，程序盘)或被实现为较大机构的一部分，例如，膝上型计算机、便携式设备、服务器、网络、打印机或其他一个或多个设备的集合。指令可以以不同格式实现，例如，作为当被调用时有效调用某个动作的元数据、Java代码或脚本处理、以特定编程语言(例如，作为C++代码、“Java”、“JavaScript”、“ActiveX”、“VBScript”、“Apex”或其他语言)编写的代码、或处理器特定指令集合、或采用其他形式；依据实施例，指令还可以由相同的处理器或不同的处理器执行。例如，在一个实现方式中，关于非暂态机器可读介质的指令可以由单个计算机执行，并且在如所指出的其他情况下，可以例如使用一个或多个服务器、便携式设备(例如，智能手机或平板电脑)、网络客户端或应用专用设备在分布式基础上进行存储和/或执行。这样的指令或其部分还可以通过如众所周知的传输介质(例如，通过因特网或从其他服务器)从软件源传送并且下载，或者使用还如众所周知的任何通信介质和协议(例如，TCP/IP、HTTP、HTTPS、以太网等)通过如众所周知的任何其他常规网络连接(例如，外部网、VPN、LAN等)传送。因此，上文所引用的技术的一个实施例是作为存储在非暂态机器可读介质上的指令；指令当被安装和执行时使得机器(例如，至少一个处理器)实际上用作专用机器。该软件可以已经嵌入在设备(例如，智能电话、笔记本电脑、工作站或嵌入式系统)上，或者可以被下载到这种设备(例如，作为将由操作员选择性启动的应用或经由另一形式)。在一个实施例中，软件可以提供“自动更新”，而相关联地下载新固件或软件(428)。在一个设想的实现方式中，测量结果(例如，自动化，饮用水供应的每小时测量)存储在自动化系统本地的数据库中；可替代地，按照数字429，软件可以使得(例如，在远程服务器处)远程传送或记录结果。在又一变型中，一些或所有软件可以存储在远程服务器上并且在远程服务器上执行；例如，在一个实施例中，(例如，原始电流值的)伏安测量可以传送到这样的服务器，其中导出分析物浓度，并且服务器然后发出之前所描述的命令，例如，用于另一测量循环，或者用于特定清洗过程(例如，按功能431)。在另一实施例中，如所提及的，上文所引入的技术被实现在智能手机或平板电脑中，例如，可从各种制造商获得并且适于与测量系统无线交互的“iPhone”、“Android”或“Windows”设备，例如，作为有选择地下载的app。这些实施例并非穷尽的，并且存在许多其他的实现方式变化。

图5提供了关于与测量系统相关联的物理元件的更多细节。更具体地，图5提供了示意图501，其示出了预制测量单元503、汞再循环系统(包括泵513和相关联的管道511)、旋转选择器521、运动控制的注射器523、脱气单元529、以及各种溶液535、537、539、541和543。注意，图5设想了许多不同形式的样品(水性溶液)接收，其与该图的所描绘的测量系统的设计无关。还应当假设测量系统先前已经“准备”用于测量(例如，使得汞电极已经被更新，系统已经被漂洗等等)，尽管对于所有实施例不需要这样。首先，水性溶液作为图中左侧所描绘的“样品入”而被接收，并且经由旋转选择器的端口“B”而被运动控制的注射器523吸入。运动控制的注射器的体积可以被校准或以其他方式具有传感器(例如，524)，其向电子控制系统(图中未示出)提供关于何时达到所需体积的反馈。控制信号然后将旋转选择器改变为端口“C”，并且使得运动控制的注射器推动所抽取的水性溶液通过脱气系统529，以使溶液脱氧(例如，氧通常产生大量测量噪声，并且有利地被清除，用于许多感兴趣应用)。脱气系统包括产生湍流的线圈，并且所注入的溶液通过三通阀527，在该三通阀527处注入氮气(或另一合适的气体)，以在系统通过线圈时，帮助迫使氧流出系统；氮气注入类似地由通过电子控制系统(图中也未示出)而提供给三通阀的控制信号(未示出)来控制。水性溶液经由端口515进入测量单元503，并且气体使用所描绘的通风口来除去，两者均由测量单元的顶盖505来支撑。

所描绘的测量单元被设计成密封(但是对于所描绘的端口和开口)的非反应性单元，其使注入溶液混合，同时提供溶液和汞中的每一种的分离以及后者的选择性清除和/或回收。在一个实施例中，单元由诸如透明丙烯酸酯之类的塑料形成，作为单个加工部件，其中盖(505)附接到其上作为垫圈和螺钉的器件。如本公开的所描述的，测量单元必要时提供具有精确尺寸和容差的流体室，以支持汞回收和清洗。如图5所描绘的，测量单元提供三个流体体积或室506、507和508，每个流体体积或室的直径越来越小。最顶层室506足够大以接收将被测量的所有混合物，包括水性溶液、任何所需的缓冲剂或试剂、以及一个或多个标准物，例如，作为测量循环的一部分的执行任何所期望的尖峰试验所必需的。为了混合这些流体，适当时，运动控制的注射器523反向操作，从而通过脱气单元抽回任何所注入的溶液(其帮助混合上部体积中的所有流体)，然后再次向前操作以将流体重新注入测量单元中。例如，运动控制的注射器523可以由电子控制系统依次控制，以首先注入水性溶液，然后再注入所需体积的缓冲剂，同时注入氮气以使相应的流体脱氧；运动控制的注射器然后被致动以在必要时使用来回过程将依次注入的流体一起抽出，以使流体通过线圈执行混合；然后，注射器最终将混合物推回到测量单元中以供测量。当注入任何标准物时，可以应用相同的过程，例如，在用于一个或多个“尖峰测试”的标准物中混合。

使用伏安测量系统的电极在第二较窄的测量体积507中进行测量；在该系统中描绘了三个电极，分别标记为X(汞电极)、Y(辅助电极，铂)以及Z(参比电极，涂覆有氯化银的绝缘银电极)。汞流动通道进入并且离开绘图页面，并且由表示汞弯月的泪珠形状509象征性地表示(注意，实际上，汞弯月将是半球形的，而非泪珠形，由于汞的性质以及汞流动通道的尺寸非常小且可控)。一般来说，例如，在典型实施例中，期望将三个电极尽可能彼此靠近放置在空间内，使得所有三个电极的直径都为5.00毫米或更小。这种接近(或更接近)使流体电阻最小化，并且提供对感兴趣分析物的敏感性的增强。测量发生后，当在509处期望更新汞弯月时，汞再循环系统的泵被致动并且使得缓慢供应足够量的液态汞，以从汞电极的尖端排出一定量的“用过的”汞，并且使得形成新的汞弯月(即，作为从汞电极流动通道突出的半球)。排出后，已经从电极流出的用过的汞通过测量溶液从由509指示的位置重力地下落，并且被收集在柱(或捕集阱)中，该柱被描绘为测量单元的第三体积308。在一个实施例中，该体积被约束为在垂直于重力的方向上具有1.00毫米至5.00毫米(或更小范围，例如，2.00毫米至3.00毫米)的直径；这种结构使得小体积(例如，1.0微升)的失效的液态汞进入捕集阱并且聚结或汇集。该第三体积的直径应当足够大，以便如果存在汞的表面张力(例如，直径应当至少为1.0mm)则也不会抑制汞的进入，但是该直径应当足够小以有效集中所汇集的液态汞的暴露表面(如箭头510所示的)；这促进了将表面微粒集中到相对较小的区域中，其中所收集的微粒漂浮在相对重的液态汞的顶部上。注意，理想地，包括所描绘的捕集阱或第三体积508、管道511、泵(即，微流蠕动泵)和汞电极流动通道的整个汞回路的内部以避免汞流动干扰的方式而理想地被制成平滑，其中直径足以避免过大的流动阻力，并且没有不会捕集微粒、气泡或污染物的不连续性或障碍物。为此，第三体积可以可选地逐渐减小到足以使汞流动的尺寸，但足够小以使液态汞在系统中的总体积最小化(例如，为了将该体积保持在250微升以下，并且在特定设想的实施例中，小于100微升或50微升)；在一个实施例中，所描绘的管道，蠕动泵的内部布线、以及汞电极内的流动通道的直径各自小于0.80毫米，理想地在0.30毫米至0.70毫米的范围内。所收集的液态汞比测量单元中的溶液显著地更重，通过泵被从第三单元的重力体积“抽吸”，并且被回收回到汞电极。

反映回到之前描述的清洗过程中，在一个实施例中，在509处，可以对汞执行电镀清洗，并且在失效的汞被剪切之后，可以对捕集阱或第三体积508内的汇集的液态汞执行化学清洗和/或电镀清洗。在连续或间歇的基础上，必要时，捕集阱底部的“清洗后”的液态汞通过泵被回收到汞电极“X”。

如已经指出的，汞再循环系统还可以被反冲洗以清洗内部管道511、汞电极内的汞流动通道、泵513、以及捕集阱或第三体积508。因为捕集阱和所汇集的汞在510处重力地位于所描绘的汞弯月509下方，并且因为液态汞比正在被测量的流体重得多，当泵被反转时，在509处的汞弯月被抽吸回到管道511中之后的某个时刻，泵513开始抽取水性溶液，该水性溶液然后被推动通过系统并且进入捕集阱508的底部。有利地选择汞电极内的流动通道、管道511和泵513的小直径(即，毛细尺寸)以允许这种情况发生，而不会在再循环系统中留下液态汞，即，使得液态汞的表面张力相对于流动通道直径足够高，其中流体不能“鼓泡通过”仍然在泵513或管道511中的汞，相反，仅在将液态汞从再循环系统排出到捕集阱508中之后，流体才进入这些元件。如所提及的，这些流动通道直径还优选地被制成彼此一致，以增强流体流动并且使系统中的总体汞体积最小化。可选地，传感器(诸如之前所提及的图像传感器518)可以用于提供关于汞再循环系统健康的反馈；其他传感器(包括液位传感器)甚至伏安测量结果还可以用于此目的。

注意，如图中所描绘的，测量单元被设计成在三个不同体积之间具有锥形过渡514，即，以促进表面微粒重力地向捕集阱中的汇集的汞的表面迁移以供清洗。

当是从测量单元排干测量混合物的时候，这是通过与旋转选择器521的端口“D”耦合的另一流体端口516完成的。这就是说，旋转选择器521和运动控制的注射器由电子控制系统(未示出)自动控制以将溶液从测量单元中抽出，并且可选地然后将抽出的溶液引导出旋转选择器的端口“J”到排水管533；注意，在许多实施例中，排水管是废物处置单元，在该废物处置单元中，失效的流体被收集然后以环境友好的方式被丢弃。旋转选择器的端口“D”还可以用于将清洗溶液(例如，溶剂、去离子水或任何期望的溶液)注入测量单元的接近所汇集的液态汞的流体端口516中，以便清除所收集的微粒，作为可选的清洗循环中的一个清洗循环的一部分。

图5示出了若干种溶液或流体535、537、539、541和543。如先前所提及的，在一个实施例中，存在多于五种溶液，即，测量系统包括一系列或一排的不同缓冲剂、试剂或清洗剂，以提供备选化学成分，每种化学成分耦合至旋转选择器的不同端口。为了执行测量，指导电子控制系统的软件选择将被测量的感兴趣分析物，选择正确的溶液、缓冲剂和标准物以及相关联的体积，并且控制旋转选择器521和运动控制的注射器523以便将正确的顺序和组合注入到测量单元中。而图5描绘了五种溶液，该描述应当被理解为符号地表示任何所需数量的溶液、标准物、清洗剂、缓冲剂等、或它们的组合。对于所描绘的实施例，假设仅测量单个分析物，则溶液包括：(a)用于选择感兴趣化学成分的缓冲剂535；(b)用于尖峰测试或多个测试的标准物537；(c)一种或多种清洗溶液539和541，以清除感兴趣微粒或多个感兴趣微粒；以及(d)用于漂洗各种流体组分的去离子水543。当被耗尽时，这些溶液中的每种溶液被收集在排水管533(经受任何适当的处置要求)。如之前所指出的，典型的清洗剂可以包括酸、碱、溶剂、螯合剂、水、盐水或几乎任何其他合适的材料；由于这些材料将由操作员或服务人员定期更换(例如，安装新的清洗溶液供应)，这些清洗剂被选择为温和的，例如，0.1摩尔硝酸(而非较高浓度，其可能处理时有危险或产生有害烟雾)。

反映到刚刚描述的系统上，所描绘的设计(特别地，测量单元503的设计)使汞作为废物处理的需要最小化，并且帮助促进非常长的系统寿命。因为液态汞非常重并且测量单元被设计/控制以避免湍流，所以所处置的溶液几乎没有任何汞，其反而由捕集阱508重力地收集以便回收。该系统被设计成使用非常小体积(例如，每更新循环1.50，1.00或更少微升体积)的汞，其中总体的汞体积保持相当低(例如，如已经描述的，理想地小于50微升)。预计这样的系统可以循环数百到数千次(即，理想情况下，无限地)，而不需要清除、替换或以其他方式手动维修汞或汞再循环系统。在一个实施例中，各种部件被制成模块化或独立的，即，使得不会发生人类与汞接触，或者使得系统可以容易地由客户装配或以其他方式现场填充，然后离开进行完全自动化或远程控制操作。

B.模块化(闭合)汞回路的测量单元设计和使用

图6A至图6C提供了关于测量单元的设计和配置、其相应体积和汞电极的附加细节。

具体地，图6A以一方式提供了测量单元601的特写视图，以便图示其各种元件和结构。如前所述，测量单元包括优选地制为整体件的主体602以及盖603。在该实施例中，测量单元再次被选择为非反应性材料，其可以优选地被制造成非常严格的容差和内部被制成光滑(即，没有显著的表面粗糙度)，其中化学稳定性良好(例如，惰性)。这些性质便于测量单元的长寿命和易于清洗，因为没有表面粗糙度会有助于确保微粒不会被捕集在测量单元内部并且可能会破坏未来测量。在一个实施例中，测量单元601可以完全由诸如丙烯酸之类的塑料制成，但是满足上述原理或以其他方式适于所需化学成分的任何材料将是可接受的。盖603通过螺钉609被密封到主体602，并且还提供用于流体供应611和排气口612的连接机构以清除不想要的气体。这些中的每个可以通过螺栓或其他紧固件613永久地连接到系统，并且每个都提供了可以与软管同轴连接的连接短柱，例如，用于溶液交换和将排放的气体输送到排气管或处置单元。在一个实施例中，测量单元601被制造并且组装为闭合单元，并且通过简单地连接其他模块化元件(例如，诸如汞再循环系统，经由螺口式或卡扣式或其他容易安装的连接器)来在客户现场组装。

如前所述，测量单元包括由主体602限定的三个体积，包括第一体积605、第二体积606和第三体积607。第一体积605优选地足够大以保持最大样品体积(例如，在区域604中)，其将用于任何期望的测量化学成分；该体积可以用于顺序地接收用于尖峰测试的水性溶液、缓冲剂/试剂和标准物，并且便于它们的混合。还有，体积605的上部用作相分离器，其中脱氧后的样品与过量的惰性气体(氮等)分离，而样品积聚在体积605的下部，惰性气体通过所描绘的通风口被排放。还有，优选地，测量单元材料是透明塑料或丙烯酸，以便准许对测量体积的清洗度(即，通过透明材料)进行外部视觉评估。还有，如前所述，第二体积606在区域615中具有小得多的直径，使得用于测量的所有三个电极相对于彼此在5.0毫米或更小的范围内。注意，图6A没有示出如图5所示的电极存在，即，图6示出了螺纹母连接器617和619，其分别适于配合辅助电极和参比电极的插入。所描绘的螺纹连接有助于确保流体密封，例如，插入这些孔中的阳螺纹电极各自都可以具有垫圈或者依靠材料弹性，以消除任何渗漏的可能性。工作(汞)电极被插入到所描绘的测量单元的背侧，其中孔621与有效地从绘图页面后的方向朝观察者插入的探针尖端相对应；工作电极的电子引线以及汞供应管由虚线623示意性地示出，以表示这些元件在测量单元后面运行。第四孔618还提供用于流体供应和清除的连接器的螺纹插入，该连接器与先前结合图5讨论的端口516相对应。数字607标识单元601的第三体积606，其如前所述，在垂直于重力的平面中的直径优选为2.0毫米至4.0毫米，并且用于收集或捕集失效的液态汞，其从孔621中逐出。注意，图6A还描绘了如之前所讨论的催化线，即，以便于金属离子输送以维持原始汞状态。该线可以是0.2毫米的铂线或其他化学惰性导体，被配置成将所收集的液态汞与汞弯月上方的水性溶液电连接，从而有助于浸出可能已被吸收到汞中的金属污染物。虽然该线在图中被描绘成嵌入塑料中，但是它还可以被配置为金属惰行，其将第二体积和第三体积的内部的一部分排成一行，以便电连接它们(但是在距离用于测量的电极更远的区域中)。如前所述，第三体积607限定捕集阱或柱，在该捕集阱或柱中，失效的汞聚结并且置换水性溶液。第三体积终止于螺纹母连接器，适于向从测量单元的底部抽取进入汞再循环系统的汞提供尽可能少的湍流或收缩。

C.汞电极设计与连接

图6B示出了沿图6A中的线B-B截取的第二体积606的特写视图。图6A用于示出汞电极653一旦与测量单元601配合接合的连接。在图6B中，还在图6A中描绘的元件以类似的附图标记表示，诸如数字602，其指示测量单元的主体。在该图中，相对(非常)较大的参比电极的孔由数字619描绘，其中组装被执行使得参比电极从读者的角度被拧入到绘图页面中。汞电极653的带螺纹的圆柱形外部壳体从右侧拧入主体602(即，进入丙烯酸树脂)，以将电极尖端655放置在第二体积附近，并且使得汞弯月在由数字627指示的位置处产生。该尖端655是不导电的(例如，塑料，具有良好的平滑特点)，并且具有大约0.50毫米至0.80毫米的内部(流动通道)直径，从而提供低汞体积、流畅流动以及具有所需尺寸和形状特点的汞弯月。汞电极653优选地具有阻挡件656，其限制电极插入到主体602中并且有助于电极尖端655的精确放置。反过来，汞经由邻近阻挡件的供给管657供应到电极，并且使用与汞电极653的主体内而非绝缘电极尖端655处的液态汞电耦合的导电线659来执行伏安感测。注意，图6B还示出了催化线625，其将捕集阱627中的所收集的液态汞与体积606中的溶液电耦合。

图6C用于示出汞电极653的更多细节。更特定地，导线659连接到限定孔663的导电同轴套661。由管657供应的汞通过非导电连接器665，并且然后进入该孔，从而提供探针尖端651处的液态汞和线659之间的直接电气连通。在来自汞泵的压力下的汞通过第二非导电连接器提供连续连接并且进入电极的尖端655中，从而最终在电极653的尖端处产生呈半球形弯月形式的汞。因为电极的尖端是不导电的，所以由伏安系统感测的任何电流将仅是通过同轴保持在电极的中心孔内的液态汞流过汞弯月(接触表面)651、并且经由导电护套661和导线659被电性拾取的电流。汞电极可以作为汞再循环系统的组成部分而供给，使得它只需要“拧入”到测量单元中以流体地闭合汞回路(并且类似地，这还可以针对汞管和螺纹连接器而进行，该螺纹连接器将汞泵与测量单元内的位置629处的汞捕集阱连接)。注意，如先前所提及的，由提供汞供应路径的汞电极和管道提供的孔优选地具有非常光滑的表面，同时最小化可以增加汞泵遇到的流体阻力的表面扰动或不连续性。除了导电护套661和导电线之外，汞电极可以类似地再次由容易加工而不产生表面粗糙度的塑料(诸如丙烯酸树脂)制成。

D.电子控制系统示例性设计与功能

图7示出了电子控制系统的一个实施例701，其由测量系统的一个实施例使用以帮助自动化某些任务。这些任务也通常在图7的底部列出。更具体地，电子控制系统包括一个或多个处理器，例如，被配置为一个或多个现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)、多核处理器、或必要时运行合适的软件、脚本处理和/或固件的独立设备。如之前所指出的，该指令逻辑配置通用机器，以便必须具有功能并且作为专用电路进行操作；在所公开的实施例的情况下，这包括自动生成控制信号，例如，以向系统提供自动化处理任务的顺序，这些任务包括用于伏安法的材料的样品测量和清洗(适当时包括汞清洗和/或更新)。指令逻辑可以存储在板载存储器或远程存储器中；该存储器还提供用于存储操作参数、测量数据和记录结果的空间。为了提供非限制性示例，可以如之前所描述的对指令逻辑进行编码，以便使得一个或多个处理器实现恒电位仪功能并且存储作为所选择的化学成分的结果而被测量的伏安结果。事实上，依据实施例，电子控制系统及其相关联的指令逻辑可以做得比这更多，从而提供无数个可选功能，诸如自动控制样品捕获和转移，从过滤器或浓缩介质洗脱，控制汞循环系统和汞清洗，自动计算分析物浓度，以及本地或远程记录结果，化学成分选择以及实现任何所需测量时间表，全部如图7的左下方所示。类似地，电子控制系统可以提供诊断功能(例如，依据每天一次的自检或可选的校准)，并且可以提供远程控制功能，远程维修，期望的操作员警报和通知，补救功能(诸如特殊清洗过程和汞反冲洗)，与远程数据库的交互，以及可以下载到电子控制系统的无数个脚本或命令的执行。除了(多个)处理器之外，用于执行这些功能的硬件可以包括本地存储器(诸如随机存取存储器或“RAM”、闪速存储器、用于连接到有线或无线广域网(“WAN”)或局域网(“LAN”)的调制解调器、以及用于向软件提供反馈的传感器，该反馈可以用于评估健康、解释结果并且采取纠正措施，这些传感器可以包括但不限于图像传感器(例如，静态相机或视频相机，其被定位成捕获汞弯月或收集在捕集阱中的液态汞)以及各种液位传感器或其他传感器。在一个实施例中，电子控制系统板载的软件自动屏蔽数据以检测问题(例如，诸如经由之前所描述的线性度或电导率测试)；在另一实施例中，数据可以被传送到远程服务中心，例如，如果被该实施例支持，则与图像一起传送到远程服务中心，其中远程服务中心会解释结果。在一个实施例中，电子控制系统可以从这样的远程服务中心接收命令或脚本，以采取所选择的专设措施，诸如冲洗汞再循环系统或执行选择附加系统或样本测试。可以通过所描绘的调制解调器经由有线连接或无线连接来接收这样的命令或脚本，并且将其馈送到指令逻辑以进行处理。在一个实施例中，如所提及的，该系统包括一个或多个本地输入设备，用于在视觉上向人类操作员显示结果或接收本地输入的命令。在另一实施例中，电子控制系统可以与另一设备(例如，智能电话或其他无线设备)配对，其中所下载的选择性启动的应用用于远程控制和数据监控。许多示例是可能的，并且将是本领域技术人员容易想到的。

F.零部件以及供应

图8是用于帮助演示各种部件如何被制成模块化或以其他方式供应的说明性视图。交互模块或部件的系统的一般实施例通常由数字801表示。更具体地，机壳803包括大部分系统部件，其包括流体供应单元805、电子控制系统807、以及其他支持电路、硬件连接和控件。流体供应单元可以包括如之前所描述的旋转选择器、以及运动控制的注射器或泵，并且以安装到机壳上的关系而被销售和运输。在一个实施例中，流体供应系统包括配合连接器的集合(如图形803所描绘的)，其适于连接到预先确定的尺寸范围的消耗品瓶，例如，可以使用可重复使用的虹吸管和永久连接到流体供应系统的帽来打开、连接、使用并且更换的16盎司的清洗剂容器。在另一实施例中，整个系统可以包括许多可选的端口或连接器，用于安装一系列预先确定的或可变化的化学品(即，缓冲剂、试剂、清洗剂等，视感兴趣化学成分或多个感兴趣化学成分而定)；如所提及的，一个实施例可以支持在电子控制系统之间自动选择的多个备选化学成分，例如，以执行一系列测量来检测相应的金属。软件809可以与系统一起提供或者可以远程下载，并且可以具有适合特定类型的化学成分的可选模块，或设计者脚本处理接口(其准许客户设计自己的化学成分和相关联的处理功能)。为了提供示例，可以经由供应服务器获得软件库，其中系统客户端可以免费或者付费下载感兴趣的软件模块；一个软件库选择可能具有脚本处理以准许客户来编程用于自动计算特殊金属(例如，“铜”)或一套材料的浓度的参数，而另一库选择可能针对复杂有机物的测量而定制，用于生物医学应用或遗传学应用。显然，存在许多可能性。除了包括壳体、电子控制系统807、以及原始出售或安装的流体供应系统805之外，所描绘的机壳803通常还包括电源和相关电子装置、密封的汞系统和测量单元813、样本捕获系统817、以及用于支持各种应用和化学成分的各种消耗品819(诸如缓冲剂、试剂、清洗溶液和漂洗剂)。在一个实施例中，诸如由图形823所描绘的测量单元可以独立地作为替换部件供应，如同汞再循环系统也可以一样(例如，作为封闭或封盖单元，以与为打印机供应替换墨盒的方式大致相同的方式)，如数字825和827所指示的。以这种方式，作为示例，如果应该遇到泄漏的、脏的或损坏的测量单元，则无论什么原因，都可以提供原始替换部件(例如，821/823)以便轻松改装成现有系统。类似地，如果汞再循环系统遇到问题，则可以供应该原始替换部件(825/827)，以便轻松改装成现有系统。

III.重新审视的应用；水性溶液的接收/形成以及相关方法

图9A、图9B和图10用于讨论样品捕获。如之前略微提及的，在一个实施例中，使用伏安测量技术和汞电极的测量系统可以被实现为一台式装备，例如，支持手动样品插入，具有或没有随后的过程自动化。在另一实施例中，测量系统可以被设计成用于在线样本捕获或其他自动形式的样本捕获。

图9A图示了适于自动在线测量诸如水源之类的流体的样品捕获机构901。注意，即使这样的应用仅限于水，也存在许多不同的测试方法论和模型，包括在城市水源中安装用于间歇测试饮用水中的金属或其他有机材料或无机材料的水平，测试废水或径流水(例如，采矿径流)，测试海水、湖水或河流水污染物等；这些示例是说明性的而非限制性的。在一个装置中，样品容器909经由一组阀门905和907连接到样品源(例如，饮用水供应903)。这些阀门被电子致动(例如，通过电子控制系统)以执行自动化样品捕获。可选地，传感器908可以用于提供对样本体积的反馈，以便使得能够进行精确的样品控制。样品容器还可选地包括流体(气体或液体)供应输入911和通风口912。输入911准许在测量之前将取样的物质稀释或以其他方式与另一种物质混合(例如，用于在测量之前使用的反应，或以其他方式预处理分析物以便于检测)。样品容器还包括输出913，其例如连接到用于选择性地提取样品容器中的流体的旋转选择器(图9A中未示出)。旋转选择器可以被选择性地致动以从样品容器909中抽取所需量的溶液，具有如之前所描述的传感器反馈。一旦样品完成，为了准备另一样品的系统，样品容器909可以连接到排水管911，并且用清洗剂或去离子水冲洗(例如，使用输入911和/或输出913经由来自旋转选择器和运动控制的注射器的注入)。

图9B示出了当需要对物质进行取样然后将该物质洗脱成另一种形式时可以使用的另一样品提取机构951。作为其一个示例，本文中所描述的技术可以用于大气测量。与先前示例一样，样品容器959与样品源953(例如，从特定位置抽取的“空气”)连接。再次，一组阀门955和957由电子控制系统一起或独立致动以执行样品捕获，例如，在与历算测量事件相关的特定时间。然而，在这种情况下，经由供应线963和电致动阀门(965)通过由电子控制系统提供的选择性电子致动来引入气体或流体。该物质用于将感兴趣分析物从样品容器959输送到分析物捕集阱或柱968中。例如，对于许多感兴趣分析物，可以将气体引入所捕获的样品并且用于通过挥发性方式将感兴趣分析物输送到捕集阱或柱968中，其中分析物被吸收。一旦经过了特定时间量，该过程就停止，并且三通阀966用于将洗脱剂967引入捕集阱或柱中，然后将感兴趣分析物输送到捕集阱或柱之外，并且经由路径971和三通阀门969输送到旋转选择器。样品容器随后可以使用经由三通阀966的排气和经由排水管961的排放的组合而被清空和漂洗。注意，可以单独或与以下各项组合来使用若干种不同的机构：(a)首先将感兴趣分析物与原始样品分离并且将其转移到柱968；以及(b)随后将感兴趣分析物从柱968洗脱或转移到适合于伏安测量的水性溶液的形式。在所描绘的系统中，应当设想，水性溶液可以通过使溶液作为萃取剂通过柱而形成，但气体、热、化学或其他方式可以用于这些方法中的每种方法；另外，可以将感兴趣分析物洗脱到另一捕获容器(例如，提供输出971作为图9A中看到的元件的输入)，然后形成将在其中用于测量的水性溶液(例如，通过使用输入911形成流体混合物，如图9A所示)。

应当领会，图9A和图9B各自示出了不同的样本捕获机构。本领域技术人员将容易想到许多备选方案。在所描绘的元件的情况下，这些元件可以在一个实施例中通过电子控制系统在全自动化的基础上进行控制，例如，在没有人为参与的情况下在历算基础上自动抽取样品。这对于其他实施例而言不是必需的。

图10用于重新审视这些各种机构经由流程图1001如何用于样本捕获。该方法从1003开始，其中生成与专设命令或触发器相对应的事件，以执行测量(例如，由操作员录入或经由网络连接接收)，或者现场生成。例如，这样的触发器可以由检测预先确定的时间量的通过、特定日期和/或时间的发生、或另一阈值条件的发生的电子控制系统来生成。这种事件的发生使得启动样品被首先抽取(1007)的测量循环(1005)，从而可选地使用反馈来确保在指定时间抽取足够样品。样品根据需要以适于伏安测量的水性溶液的形式制备、洗脱、反应并且转移(例如，使用上文结合图9A至图9B讨论的机构)，并且将其脱气以及与合适的缓冲剂化学成分混合(1009)。然后，执行第一伏安测量(1011)，然后经由一个或多个尖峰测试(1013)添加已知标准物。如之前所讨论的，标准物提供已知数量，然后可以加上随后引入(即，经由水性溶液)分析物以准许导出所需参数1015。期望的参数可选地是水性溶液中的分析物浓度(1017)，并且电子控制系统(如果它计算该参数，而不是存储或传送诸如所测量的电流之类的原始测量数据)可以可选地将所导出的参数与阈值(1019)进行比较，并且生成警报(1021)或根据需要执行诊断(1023)。在这方面，几个示例将是说明性的；例如，如果水中铅存在的限制被确定为以十亿分之几计量的特定水平“K”，则在电子控制系统上运行的软件可以从现场测量中导出当前在水中存在的铅的量，并且可以发出操作员警报(例如，可听警报、电子邮件警报、预先记录的警报，或者向期望的本地或远程目的地提供某种视觉指示符)，或者采取某种其他形式的补救措施(如果存在过多的铅)。在一个实施例中，补救措施可以包括关闭阀门，运行诊断测试，采取新鲜样品和/或重新进行测量，或实际上可以是任何其他期望的动作。如数字1023所示，计算结果还可以与预先确定的度量进行比较，并且用于校准或诊断，即，以测量标准物，进行线性度测试或用于其他目的。如数字1024所示，这些事物中的任一事物都可以在本地或远程控制、存储、报告或管控。

按照数字1025，系统然后可选地记录其获取的所有数据，以用于遵守、监管或其他目的。如刚刚引用的，该日志记录可以是本地的或远程的。例如，定期测量结果的存储可以提供趋势分析或其他有用信息。对于法规或保留数据来提供责任性或取证的其他目的也很重要，或正因为如此，法律才另有要求。

一旦所有测试完成，例如，关于测试次数，感兴趣分析物等等，如之前所描述的，汞在汞电极(1027)中被清洗和/或更新，并且所捕获的样品被丢弃。然后，根据需要漂洗受影响的系统部件(例如，样品捕获容器、相关管道和测量单元)(1029)。如之前所指出的，残留的漂洗流体有利地保持相关管道的内部、测量单元和相关电极湿润，并且如果在测量之间将使用非常长的时间段，则可以可选地添加防腐剂来填充这些部件(即，维持这些元件的健康)。该方法然后结束，即，系统然后被准备到等待下一测量事件的状态。如之前所描述的，在一个实施例中，整个测量循环可以完全自动化，而不需要人类干预。在一个实施例中，该方法可以被实现为实验室过程，一旦获得了样品(例如，用于实验室分析的血液样品)，则由人类操作员在专设的基础上进行调用。人类操作员启动循环，该循环然后由电子控制系统自动处理直至完成。在另一实施例中，执行连续循环，而无需人类操作员的参与(例如，样品提取，漂洗、以及测量事件根据先前供应的编程而完全自动化)。显然，本领域技术人员将想到其他备选方案。

IV.各种实体之间的合作；相关软件和数据交换

从该讨论中可以看出，本文中所呈现的实施例提供了一种新颖的自动化方式来计算每种单独的感兴趣物质。这些机构还提供了多个实体之间的协作，每个实体可以可选地实践之前所描述的技术的“一件”(即，使得一个实体使用准许其与由另一实体可选地使用的软件或系统进行交互的软件)。这包括依据实施例的可以聚集在中央位置或分布的各种控制过程。如之前略微提及的，控制系统可以作为现场设备的一部分、局域网(LAN)的一部分、或通过广域网(“WAN”，例如，因特网))来自动监控感兴趣物质，并且采取补救措施，例如，通过发声或以其他方式触发警报，或通过使用电子控制系统和定期测量提供的反馈。在一个设想的实施例中，这些技术可以应用于饮用水供应；例如，通过这种自动化测量机构，可以立即依据自动化的下游监测而在水卫生过程或其他过程中在上游调整化学处理。响应于所检测到的维护条件，或者在另一专设的基础上，如果污染物超过规定限度，则可以连续运行这种系统，每天24小时，无人值守，具有警告指示或其他动作。

图11提供了用于解释远程监控一个或多个现场机构或设备的方法的系统图1101。再次，使用饮用水供应的测量作为应用示例，但是所公开的技术可以应用于任何其他物质的测量，无论是否完全自动化，以及是否涉及水计量。更具体地，图11被看作分为中间部分、左部分和右部分(1103，1105和1107)，其分别表示(a)在线或其他业务，可以付费自动监控物质(例如，一个或多个水源)；(b)业务的一个或多个客户(例如，一个或多个市政供水公司)；以及(c)要监控结果或接收合规报告的监管机构或其他实体。图11图示了两个假设的客户端1109和1111，其中每个客户端可以用于本示例以作为水务公司，并且每个客户端可以具有一个或多个现场设备1113，用于监控送水网络的具体部分(仅一个现场设备被数字标记以简化说明)。在这方面，应该假定该方法(例如，业务)是为了遵守报告或其他目的的目的而自动和/或远程收集测量数据；为此，业务1103包括监管控制机构1115，其被描绘为运行软件1117的一个或多个计算机(例如，服务器系统)，其中该系统与每个客户端(经由客户端侧web接口1119)以及监管机构1121(经由监管侧接口1123)两者进行接口。在一个实施例中，监管侧web接口可以为监管机构提供门户，用于远程审计当前和过去的个体操作(例如，供水操作)，其中根据需要启动进一步的专设测试，并且如果需要或适当，则业务会代表每个客户端以对每个客户透明的方式与监管机构交互。每个接口1119/1123可以准许不同的访问级别并且呈现不同的认证要求(例如，PKI认证的特定类型或级别)。例如，因为客户端侧接口可以用于与每个现场设备1113的自动化通信，所以每个这样的设备可以被制成具有用于认证目的的嵌入式密码密钥；另一方面，因为监管交互可能涉及总体相对敏感的数据或出于其他安全性原因，二因素或其他认证要求可能被用作远程人类用户对个体访问的谓词。如图11中间所描绘的，无论接口格式如何，监管系统都可以被配置成执行若干种功能，从而减轻客户端1109和1111对它们自己执行这些功能的需要，并且最小化对监管机构现场存在或检查的需要。如附图标记1125所指示的，该方法可以包括：经由客户端侧接口1119周期性地从多个现场设备1113中的每个现场设备接收测试数据；测试数据的每个实例可以表示由特定设备1113启动的自动化过程，和/或监管系统1115还可以选择性地启动测试。例如，如附图标记1125所指示的，如果确定如从测试确定的特定金属离子超出正常界限，则可以由监管控制系统命令专设测试。监管控制系统可以执行数据库管理(1127)，按特定提供者、时间和日期、最后一次已知校准以及任何其他所需数据来索引每个测试数据集合。如框1131、1133、1135和1137所指示的，监管控制系统(或不同的电子控制系统)还可以对维护事件进行测试和/或响应，生成警报或采取过程控制动作，以响应于各种有毒金属或其他特定物质的痕量水平与阈值的比较，并且为监管机构1121或特定客户端1109或1111生成自动合规报告。进一步地，如虚线(可选框1129)所指示的，如果需要，则可以向监管控制系统1115报告原始数据，其中总计和/或单独金属物质计算在远程的基础上由监管控制系统1115执行。

V.结论

应当从本说明书中清楚的是，上文所提供的方法和设备通过便于实时的、相对相同的自动化分析物测量不仅在测量过程中而且在顺应性和责任性方面提供了新的进展，从而可能改变水务公司和监管机构开展业务的方式。更一般地，所公开的技术提供了一种可以用于广泛多种应用的汞电极，包括但不限于汞滴电极或类似系统，其中汞废物最小化，所需要维修较少，操作更安全，成本更低以及其他潜在益处。

本领域技术人员容易想到上述技术的各种备选方案。仅举几个示例，可以使用其他类型的应用、化学成分、分析物或过程来应用上文所提及的技术。还存在许多其他变型。因而，上述讨论旨在仅仅是说明性的；本领域技术人员还会想到还在本公开的精神和范围内的其他设计、用途、备选方案、修改和改进，本公开的精神和范围仅受所附权利要求及其等同物的限制和限定。

Claims (30)

1.一种伏安测量系统，包括：

电极，用于测量水性溶液的电化学性质，其中所述电极中的一个电极用于形成与所述水性溶液接触的液态汞表面；

再循环系统，包括用于收集从所述电极中的所述一个电极流出的液态汞的捕集阱、以及用于将由所述捕集阱收集的所述液态汞再循环回到所述电极中的所述一个电极的泵；以及

清洗系统，在测量所述电化学性质之后从所述液态汞中清除污染物，其中所述清洗系统用于在存在所述捕集阱中收集的所述液态汞的情况下引入螯合剂以便从所收集的汞的表面溶解所述污染物。

2.根据权利要求1所述的伏安测量系统，还包括控制系统，所述控制系统用于：

在所述电极存在的情况下，将待测量的所述水性溶液自动地提供到测量室中；

测量所述电化学性质；以及

在测量所述电化学性能之后，

从所述电极中的所述一个电极排出液态汞，使得所述排出的液态汞收集在所述捕集阱中，

控制所述泵，以便所述电极中的所述一个电极产生新鲜的液态汞表面，以及

接合所述清洗系统，以便从所述捕集阱中收集的所述液态汞中清除所述污染物。

3.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述清洗系统还包括控制电路，所述控制电路用于反转用以测量所述水性溶液的所述电极中的两个电极之间的电流流动的极性，以剥离积聚在所述液态汞中的金属污染物。

4.根据权利要求3所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统还包括与所述水性溶液接触的电镀线，并且其中所述控制电路用于反转所述电镀线与所述电极中的所述一个电极之间的极性，以将所述金属污染物吸引到所述电镀线上，并且从所述液态汞中清除所述金属污染物。

5.根据权利要求3所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统用于间歇地测量水性溶液，使所述水性溶液以从所述电极中的所述一个电极剪切液态汞的方式循环，并且随后用于控制所述泵以便形成新的液态汞表面，以及向所述电极中的所述一个电极提供再循环的液态汞用以随后测量水性溶液。

6.根据权利要求3所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统用于选择性地将清洗溶液施加到收集在所述捕集阱中的使用过的液态汞，以便从收集在所述捕集阱中的使用过的液态汞的表面剥离所收集的表面活性剂，并且其中所述清洗系统用于选择性地从所述捕集阱中的所述使用过的液态汞中清除所述清洗溶液，以便用所述剥离的表面活性剂来清除所述清洗溶液。

7.根据权利要求1所述的伏安测量系统，还包括用于使用催化剂来清洗所述液态汞的器件，其中所述器件包括与所述液态汞和所述水性溶液中的每一个相接触的金属。

8.根据权利要求7所述的伏安测量系统，其中所述金属包括铂线，所述铂线用于将收集在所述捕集阱中的使用过的液态汞与所述水性溶液电耦合。

9.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统还包括用于使所述泵反向运行的器件，以将液态汞从所述电极中的所述一个电极泵送到所述捕集阱中，并且还将水性溶液通过所述电极中的所述一个电极泵送到所述捕集阱中。

10.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统用于施加以下各项中的每项：催化清洗过程，以反转液态汞中的汞齐生成；以及化学过程，以便冲洗所述捕集阱中的使用过的液态汞的表面来清除表面微粒。

11.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述再循环系统包括总体积不超过250微升的液态汞。

12.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述再循环系统包括毛细管，以向所述电极中的所述一个电极提供再循环的液态汞，并且其中所述再循环系统用于对所述毛细管施加正压，以便以各自不超过3.50微升的离散量来从所述电极中的所述一个电极中排出失效的液态汞。

13.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中：

所述伏安测量系统还包括测量单元和运动控制的注射器，以控制向所述测量单元提供水性溶液；

所述电极包括三个电极，包括参比电极、辅助电极和工作电极，所述工作电极是所述电极中的所述一个电极；

所述测量单元包括三个体积，第一体积接收和混合水性溶液和缓冲溶液以形成混合物；第二体积的尺寸小于所述第一体积的尺寸，所述第二体积在所述三个电极存在时接收所述混合物，其中所述三个电极中的任何两个电极之间的距离不大于5.0毫米，并且所述捕集阱作为第三体积，所述第三体积被定位成重力地收集从所述工作电极流出的所述液态汞，所述捕集阱在垂直于重力的平面上的直径不超过5.0毫米，并且适于聚结从所述电极流出的所述液态汞，以便形成具有表面的液态汞池；以及

所述清洗系统用于通过所述伏安测量来间歇地测量水性溶液，使用化学过程来从所述表面清除表面微粒。

14.根据权利要求13所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统还包括：注入端口，用于选择性地将清洗溶液注入到所述第二体积中，以便从所述表面清除所述表面微粒；以及排放端口，用以从所述第二体积中清除所述清洗溶液和所述清除的微粒。

15.根据权利要求14所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统用于在测量之后从所述排放端口清除水性溶液。

16.根据权利要求14所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统还包括旋转选择器，所述旋转选择器耦合到所述运动控制的注射器，所述运动控制的注射器将与所述旋转选择器一起被控制，以选择性地将新鲜水性溶液注入到所述第一体积中，并且从所述第二体积中清除失效的水性溶液。

17.根据权利要求16所述的伏安测量系统，其中所述运动控制的注射器进一步将与所述旋转选择器一起被控制，以选择性地将缓冲溶液注入到所述第一体积中，并且选择性地将清洗溶液注入到所述第一体积或所述第二体积的至少一个中。

18.根据权利要求16所述的伏安测量系统，其中所述运动控制的注射器进一步将与所述旋转选择器一起被控制，以选择性地将标准物注入到所述第一体积中，并且伏安测量系统还包括控制系统，以获得相对于所述电化学性质的至少两个测量值，所述至少两个测量值包括表示水性溶液和缓冲剂的第一混合物的第一测量值、以及表示所述第一混合物与已知体积的所述标准物的组合的第二测量值。

19.根据权利要求18所述的伏安测量系统，其中所述第二测量值与尖峰测试相对应。

20.根据权利要求13所述的伏安测量系统，其中：

所述伏安测量系统被实现为自动化测量系统，并且还包括样品捕获容器；

所述伏安测量系统还包括控制系统，所述控制系统具有至少一个处理器、以及当被执行时使得所述自动化测量系统自动地和间歇地执行测量循环的指令，每个测量循环包括：

对所述样品捕获容器进行控制，以便自动地捕获物质，

将所述捕获的物质作为水性溶液转移到所述第一体积，并且将所述缓冲溶液转移到所述第一体积，以产生混合物，

对所述混合物执行第一伏安测量，

向所述混合物中添加已知体积和已知电化学特性的标准物以产生改性混合物，以及对所述改性混合物执行第二伏安测量，

从所述第一伏安测量和所述第二伏安测量中计算所述物质的性质，以及

控制所述自动化测量系统，以便从所述液态汞中清除污染物，并且向所述电极中的所述一个电极提供再循环的液态汞。

21.根据权利要求20所述的伏安测量系统，其中所述指令当被执行时进一步使得所述至少一个处理器以以下的方式来控制所述自动化测量系统：其中所述测量循环中的每个测量循环还包括：

对所述第二体积中的流体的循环进行控制，以便从所述电极中的所述一个电极剪切液态汞，并且将从所述电极中的所述一个电极剪切的所述液态汞重力地转移到所述捕集阱；以及

在所述第二伏安测量之后，将清洗溶液注入到所述第二体积中，以便从转移到所述捕集阱的所述液态汞的表面清除所述微粒。

22.根据权利要求20所述的伏安测量系统，其中所述自动化测量系统被实现为饮用水测量系统，其中所述样品捕获容器将被在线地安装以便从水源捕获饮用水，并且其中所述控制系统用于以预先定义的间隔自动地从所述水源中在线地捕获样品。

23.根据权利要求20所述的伏安测量系统，其中所述自动化测量系统被实现为废水测量系统，并且其中所述样品捕获容器将被安装成捕获废水。

24.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中：

所述伏安测量系统还包括传感器以及控制系统，所述传感器被安装成感测所述伏安测量系统的性能的至少一个方面；

所述控制系统还包括至少一个处理器、以及当被执行时使得所述伏安测量系统从所述传感器接收感测值并且处理所述感测值的指令；以及

所述指令被配置成依据所述感测值的处理来控制所述伏安测量系统，以采取至少一种补救措施来依据所述感测值来改进系统测量性能。

25.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统还包括广域网(WAN)连接和至少一个处理器，用于经由所述WAN连接向远程位置传送由所述伏安测量系统所取得的测量值。

26.根据权利要求1所述的伏安测量系统，其中所述伏安测量系统还包括存储器和至少一个处理器，以将由所述伏安测量系统取得的测量值序列存储在所述存储器中。

27.根据权利要求26所述的伏安测量系统，其中所述至少一个处理器在经过预先确定的间隔后自动地控制所述伏安测量系统，以便对水性溶液进行新的测量，并且将新的测量值存储在所述存储器中作为所述序列中的附加测量值。

28.一种伏安测量系统，包括：

电极，用于测量水性溶液的电化学性质，其中所述电极中的一个电极用于形成与所述水性溶液接触的液态汞表面；

再循环系统，包括用于收集从所述电极中的所述一个电极流出的液态汞的捕集阱、以及将由所述捕集阱收集的所述液态汞再循环回到所述电极中的所述一个电极的泵；以及

用于在测量所述电化学性质之后清洗所述汞以清除污染物的器件，其中所述器件用于在存在所述捕集阱中收集的所述液态汞的情况下引入螯合剂以便从所收集的汞的表面溶解所述污染物。

29.一种用于测量物质的自动化测量系统，所述自动化测量系统包括：

样品捕获容器，用于捕获所述物质；

伏安测量系统，用于接收水性溶液形式的所述物质并且进行至少一个伏安测量；

控制系统，用于在预先确定的间歇的基础上自动控制所述样品捕获容器对所述物质的捕获；

其中所述伏安测量系统包括：

电极，用于测量所述水性溶液的电化学性质，其中所述电极中的一个电极用于形成与所述水性溶液接触的液态汞表面，以及

再循环系统，包括用于收集失效的液态汞的捕集阱、以及将收集的液态汞从所述捕集阱再循环回到所述电极中的所述一个电极的泵；以及

清洗系统，用于在测量所述电化学性质之后从所述液态汞中清除污染物，其中所述清洗系统用于在存在所述捕集阱中收集的所述液态汞的情况下引入螯合剂以便从所收集的汞的表面溶解所述污染物；

其中所述自动化测量系统进一步将所述物质自动转移到所述伏安测量系统，用以在预先确定的间歇的基础上对所述物质进行自动测量，并且其中所述清洗系统还用于在间歇测量之间从所述液态汞中清除污染物。

30.一种使用汞电极执行伏安测量的方法，所述方法包括：

将水性溶液接收到测量室中；

使用伏安测量系统中的电极来测量所述接收的水性溶液的电化学性质，其中所述电极中的一个电极用于形成与所述水性溶液接触的液态汞表面；

在捕集阱中收集从所述电极中的所述一个电极中流出的液态汞，并且使用泵和再循环系统、通过所述伏安测量系统在水性溶液的测量之间将液态汞从所述捕集阱再循环回到所述电极中的所述一个电极；以及

与通过所述伏安测量来测量水性溶液间歇地控制所述伏安测量系统，以便在存在所述捕集阱中收集的所述液态汞的情况下在所述测量室内使用螯合剂以溶解从所收集的汞的表面污染物来从所述液态汞中清除所述污染物。

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