CN109541010A - 海水微量元素自动分离富集系统及icp-ms测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水微量元素自动分离富集系统及ICP‑MS测定方法，所述系统包括外壳、离心转盘、动力部、进样部、取样部和单片机，所述离心转盘设置在外壳内部，所述离心转盘的回转轴与动力部的输出轴连接，所述动力部包括第一转轴、第二转轴、第一电机、第二电机和超越离合器，所述第一转轴与离心转盘的回转轴固定连接，所述第一转轴与第二转轴通过动力传输装置传动连接，所述测定方法采用前述系统。本海水微量元素自动分离富集系统能够自动实现滴定液的加注、样品离心和样品提取，实现样品内部微量元素的自动分离和富集，全程基本无需人工干预，且无需进行样品转移，避免样品被污染造成的检测结果不准确。

Description

海水微量元素自动分离富集系统及ICP-MS测定方法

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，具体为一种海水微量元素自动分离富集系统。

背景技术

海水中含有大量的化学元素，对海水中元素进行准确测定是人们利用和开发海水元素的基础。电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)的出现，解决了以往海水元素分析中需针对不同元素采取不同方法和仪器的缺点，它能够实现多元素同时测定，精密度高，线性范围宽，准确性好，检出限低（ng/L~μg/L）。然而，海水基体成份非常复杂，ICP-MS会受到高盐基体形成的分子离子如ArCl⁺,ArO⁺, ArMg⁺, ArNa⁺, ClO⁺等的严重干扰，大大限制了ICP-MS在海水元素分析中的应用。

共沉淀法指直接向海水中加入高纯的氢氧化钠溶液，使海水形成沉淀析出，并在沉淀过程中吸附待测元素，从而达到去除海水基体干扰，实现待测微量元素的分离富集的目的。然而在共沉淀法操作过程中，需要多次添加试剂和转移溶液，现有操作方式存在着操作环节繁多，人为干扰大，操作人员劳动强度大，定量不甚准确，易受空气和周边环境沾污的缺点，导致测定结果不准确。

对于海洋环境调查和海洋监测来说，样品的测定通常要求在短时间内测定完毕，这就要求测定方法必须快速、准确。因此，急需一种能够对海水中微量元素自动分离、富集的装置，以降低实验人员工作强度，降低人为因素干扰，实现海水微量元素的快速准确测定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种便于控制的海水微量元素自动分离富集系统，以及提供一种能快速测定的海水微量元素ICP-MS测定方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种海水微量元素自动分离富集系统，包括外壳、离心转盘、动力部、进样部、取样部和单片机，所述离心转盘设置在外壳内部，所述离心转盘的回转轴与动力部的输出轴连接，所述动力部包括第一转轴、第二转轴、第一电机、第二电机和超越离合器，所述第一转轴与离心转盘的回转轴固定连接，所述第一转轴与第二转轴通过动力传输装置传动连接，且第一转轴和第二转轴分别通过超越离合器与第一电机和第二电机的输出轴连接，所述第一电机和第二电机分别与单片机电连接，所述离心转盘上端的外壳表面设置进样部和取样部，所述进样部和取样部分别与单片机电连接，所述单片机与外置电源电连接，第一电机和第二电机的机座均固定在外壳内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述进样部包括电动伸缩杆和多个蠕动泵，所述电动伸缩杆的自由端端部固定设置取样针，所述取样针通过软管分别与所有蠕动泵连通，所述电动伸缩杆的固定端与外壳连接，所述电动伸缩杆和蠕动泵与单片机电连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述进样部还包括第三电机，所述第三电机的输出轴端部固定设置安装座，所述电动伸缩杆的固定端与安装座固定安装，且电动伸缩杆与第三电机的输出轴不同轴，所述第三电机与单片机电连接，通过第三电机的旋转，使电动伸缩杆能够与试管同轴，方便取样针进入到试管内部，且在对取样针进行清洗后，方便调整取样针的角度，使清洗液排入指定位置。

作为本发明的一种优选技术方案，所述取样部的结构与进样部的结构相同，方便取样，且能够在取样前对取样设备进行清洗，避免相互交叉造成的结果不准确。

作为本发明的一种优选技术方案，所述离心转盘为锥形盘，且内部均匀设置试管安装座，所述试管安装座均倾斜布置，且试管安装座的上端回转半径小于下端，通过离心转盘的高速旋转，且试管下端的线速度大于上端的线速度，从而使样品内部的悬浮物在离心力的作用下沉淀在底部。

作为本发明的一种优选技术方案，所述动力传输装置包括皮带和两个皮带轮，所述皮带轮分别与第一转轴和第二转轴配合安装，且两个皮带轮通过皮带连接，通过皮带进行动力传输，使第一转轴和第二转轴能够同步转动，且通过改变两个皮带轮的回转直径，能够改变第一转轴和第二转轴的传动比，从而能够更加精准的控制离心转盘的步进精度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第一电机为直流高速电机，所述第二电机为步进电机。

作为本发明的一种优选技术方案，所述离心转盘的回转轴与外壳之间加装编码器，所述编码器与单片机电连接，结合步进电机实现闭环控制，保证离心转盘的步进精度。

本发明海水微量元素ICP-MS测定方法，采用前述的海水微量元素自动分离富集系统，进样部设有三个所述的蠕动泵，进样部的三个蠕动泵的分别连接纯水瓶、NaOH溶液瓶和硝酸溶液试剂瓶，取样部设有三个所述的蠕动泵，取样部的三个蠕动泵的分别连接电感耦合等离子体质谱、废液收集桶和纯水瓶；

所述方法包括如下步聚：a、移取等量海水至试管中，将试管放置在离心转盘的试管安装座内部，单片机控制进样部的蠕动泵从NaOH溶液瓶自动吸取适量NaOH溶液至第一个试管中，单片机控制第二电机旋转，带动离心转盘步进一格，使取样针对准第二个试管，注入NaOH溶液，随后重复进行上述步骤，依次转动一格并注入NaOH溶液，直至全部试管内均注有相同等量的NaOH溶液；

b、清洗取样针：单片机控制进样部的第三电机及电动伸缩杆使取样针退出试管，将取样针直接或通过软管接至废液收集桶，控制进样部相应蠕动泵开启，取样针从纯水瓶吸取清水清洗取样针内残余NaOH溶液至废液收集桶，随后取样针回位对准试管；

c、单片机控制第一电机旋转，带动离心转盘往复转动，使试管内的液体混合完全，液体混合完全后控制第一电机高速旋转带动离心转盘离心运动，使试管内白色沉淀汇集于试管底部；

d、单片机控制取样部的取样针自动插入试管中，且取样部的蠕动泵开启，抽取试管内上层液体至废液收集桶，保留底部沉淀，单片机控制第二电机旋转，带动离心转盘步进一格，取样部的取样针插入第二个试管中并抽取试管内上层液体至取样废液收集桶中，随后重复进行上述步骤，依次转动一格并抽取试管内上层液体至废液收集桶中，直至每个试管中液体均抽取完毕，抽取量等于试管中加入的海水量；依照步骤b的方法清洗取样部的取样针；

e、单片机控制进样部的另一个蠕动泵开启，抽取硝酸溶液经取样针至试管中，试管内沉淀溶解；

f、单片机控制第二电机旋转，带动离心转盘步进一格，使取样针对准第二个试管，注入硝酸溶液；随后重复进行上述步骤，依次转动一格并注入硝酸溶液，直至全部试管内均注有相同等量的硝酸溶液；

g、单片机控制第一电机旋转，带动离心转盘往复转动，使试管内的液体混合完全，沉淀完全溶解；

h、单片机控制下，取样部的取样针插入试管中，在取样部的另一个蠕动泵作用下，抽取试管内液体进入ICP-MS进行测定；

i、依照步骤b的方法清洗取样部的取样针；

j、单片机控制第二电机旋转，带动离心转盘步进一格，使取样部的取样针对准第二个试管，执行步骤h、i；

k、重复执行步骤j，直至全部测定完毕。

所述的步骤a中：每个试管加入的海水是50ml已加入不同浓度的同一微量元素标准溶液的海水，微量元素是La或Ce，每个试管中加入的NaOH溶液是0.2ml质量含量为10%的NaOH溶液，步骤f中：注入硝酸溶液是5ml 质量含量为0.5%的硝酸溶液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本海水微量元素自动分离富集系统的动力部采用双电机进行动力输入，其中一个用于提供高速输入，与离心转盘协同作用，实现样品的快速离心，另一个电机用于高精度的转动角度控制，使离心转盘能够实现步进，便于依次对每个试管进行加注和取样，整个操作过程自动进行，基本无需人工干预，且无需进行样品转移，提升工作效率，且保证结果的准确性。本发明海水微量元素ICP-MS测定方法测定速度快，避免样品被污染造成的检测结果不准确。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖视图；

图3为本发明取样针装配示意图；

图4为本发明原理示意图。

图中：1外壳、2离心转盘、3动力部、301第一电机、302第二电机、303超越离合器、304皮带、305编码器、4进样部、401取样针、402电动伸缩杆、403第三电机、404蠕动泵、5取样部、6单片机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种海水微量元素自动分离富集系统，包括外壳1、离心转盘2、动力部3、进样部4、取样部5和单片机6，所述离心转盘2设置在外壳1内部，离心转盘2的回转轴与动力部3的输出轴连接，动力部3包括第一转轴、第二转轴、第一电机301、第二电机302和超越离合器303，第一转轴与离心转盘2的回转轴固定连接，第一转轴与第二转轴通过动力传输装置传动连接，且第一转轴和第二转轴分别通过超越离合器303与第一电机301和第二电机302的输出轴连接，采用超越离合器303的结构设计，使第一电机301和第二电机302在单独工作时，相互不会干涉，从而保证旋转精度，第一电机301和第二电机302分别与单片机6电连接，离心转盘2上端的外壳1表面设置进样部4和取样部5，进样部4和取样部5分别与单片机6电连接，单片机6与外置电源电连接，第一电机301和第二电机302的机座均固定在外壳1内。

进样部4包括电动伸缩杆402和三个的蠕动泵404，电动伸缩杆402的自由端端部固定设置取样针401，取样针401通过软管分别与三蠕动泵404连通，电动伸缩杆402的固定端与外壳1连接，电动伸缩杆402和蠕动泵404与单片机6电连接，通过电动伸缩杆402的伸缩作用，使取样针401能够伸入试管内部，避免滴定液与试管壁接触，且通过蠕动泵404工作，实现滴定液的自动加注。

进样部4还包括第三电机403，第三电机403的输出轴端部固定设置安装座，电动伸缩杆402的固定端与安装座固定安装，且电动伸缩杆402与第三电机403的输出轴不同轴，第三电机403与单片机6电连接，通过第三电机403的旋转，使电动伸缩杆402能够与试管同轴，方便取样针401进入到试管内部，且在对取样针401进行清洗后，方便调整取样针401的角度，使清洗液排入指定位置。

取样部5的结构与进样部4的结构相同，方便取样，且能够在取样前对取样设备进行清洗，避免相互交叉造成的结果不准确。

离心转盘2为锥形盘，且内部均匀设置试管安装座，试管安装座均倾斜布置，且试管安装座的上端回转半径小于下端，通过离心转盘2的高速旋转，且试管下端的线速度大于上端的线速度，从而使样品内部的悬浮物在离心力的作用下沉淀在底部。

动力传输装置包括皮带304和两个皮带轮，皮带轮分别与第一转轴和第二转轴配合安装，且两个皮带轮通过皮带304连接，通过皮带304进行动力传输，使第一转轴和第二转轴能够同步转动，且通过改变两个皮带轮的回转直径，能够改变第一转轴和第二转轴的传动比，从而能够更加精准的控制离心转盘2的步进精度。

第一电机301为直流高速电机，高速是指最大速度应大于4000 r/min，第二电机302为步进电机。

离心转盘2的回转轴与外壳1之间加装编码器305，编码器305与单片机6电连接，结合步进电机实现闭环控制，保证离心转盘2的步进精度。

单片机6优先采用西门子6ES7216-2AD23-0XB8型PLC控制器，且单片机6控制相关电子元件的方式为现有技术中的常见方式。

采用前述的海水微量元素自动分离富集系统的海水微量元素ICP-MS测定方法，进样部4的三个蠕动泵404的分别连接纯水瓶、NaOH溶液瓶和硝酸溶液试剂瓶，取样部5的三个蠕动泵的分别连接ICP-MS、废液收集桶和纯水瓶；

实施例1：以加标回收的方法确定本系统对微量元素La的有效性。所述方法包括如下步聚：a、移取已知不同浓度微量元素La的50ml海水，将试管放置在离心转盘2的试管安装座内部，单片机6控制进样部4的蠕动泵404从NaOH溶液瓶自动吸取0.2ml 质量含量为10% NaOH溶液至第一个试管中，单片机6控制第二电机302旋转，带动离心转盘2步进一格，使取样针401对准第二个试管，注入NaOH溶液，随后重复进行上述步骤，依次转动一格并注入NaOH溶液，直至全部试管内均注有相同等量的NaOH溶液；

b、清洗取样针：单片机6控制进样部４的第三电机403及电动伸缩杆402使取样针401退出试管，将取样针401直接或通过软管接至废液收集桶，控制进样部4相应蠕动泵404开启，取样针401从纯水瓶吸取清水清洗取样针401内残余NaOH溶液至废液收集桶，随后取样针401回位对准试管；

c、单片机6控制第一电机301旋转，带动离心转盘2往复转动，使试管内的液体混合完全，液体混合完全后控制第一电机301高速旋转带动离心转盘2离心运动，使试管内白色沉淀汇集于试管底部；往复转动5min，往复后稳定20min；离心运动以4000 r/min的转速离心10min。

d、单片机6控制取样部5的取样针自动插入试管中，且取样部5的蠕动泵开启，抽取试管内上层液体至废液收集桶，保留底部沉淀，单片机6控制第二电机302旋转，带动离心转盘2步进一格，取样部5的取样针插入第二个试管中并抽取试管内上层液体至取样废液收集桶中，随后重复进行上述步骤，依次转动一格并抽取试管内上层液体至废液收集桶中，直至每个试管中液体均抽取完毕，每个试管中液体抽取50ml；依照步骤b的方法清洗取样部5的取样针。清洗取样部5的取样针只是依照步骤b的方法，操作的部件都是取样部５的相应部件。

e、单片机6控制进样部4的另一个蠕动泵404开启，抽取5ml质量含量为0.5%的硝酸溶液经取样针401至试管中，试管内沉淀溶解；

f、单片机6控制第二电机302旋转，带动离心转盘2步进一格，使取样针401对准第二个试管，注入硝酸溶液；随后重复进行上述步骤，依次转动一格并注入硝酸溶液，直至全部试管内均注有相同等量的硝酸溶液；

g、单片机6控制第一电机301旋转，带动离心转盘2往复转动5min，使试管内的液体混合完全，沉淀完全溶解；往复转动是指正转反转交叉进行，便于液体混合。

h、单片机6控制下，取样部5的取样针插入试管中，在取样部5的另一个蠕动泵作用下，抽取试管内液体进入ICP-MS进行测定；

i、依照步骤b的方法清洗取样部5的取样针；

j、单片机6控制第二电机302旋转，带动离心转盘2步进一格，使取样部5的取样针对准第二个试管，执行步骤h、i；

k、重复执行步骤j，直至全部测定完毕。

实施例2：以加标回收的方法确定本系统对微量元素Ce的有效性；移取已知不同浓度微量元素Ce的50ml海水，再执行实施例１相同的方法。

测定结果显示，每一个试管中的La元素回收率在85~95%之间，Ce元素的回收率在87~98%之间，满足《海洋监测规范》（GB173178-2007）中“样品中浓度或含量范围低于100μg/L 的元素，回收率应在60%～ 110%”的要求。说明本发明所涉及的海水微量元素分离富集系统具有较好的分离富集效果，可实现海水样品中微量元素Ce的自动分离富集。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种海水微量元素自动分离富集系统，包括外壳（1）、离心转盘（2）、动力部（3）、进样部（4）、取样部（5）和单片机（6），其特征在于：所述离心转盘（2）设置在外壳（1）内部，所述离心转盘（2）的回转轴与动力部（3）的输出轴连接，所述动力部（3）包括第一转轴、第二转轴、第一电机（301）、第二电机（302）和超越离合器（303），所述第一转轴与离心转盘（2）的回转轴固定连接，所述第一转轴与第二转轴通过动力传输装置传动连接，且第一转轴和第二转轴分别通过超越离合器（303）与第一电机（301）和第二电机（302）的输出轴连接，所述第一电机（301）和第二电机（302）分别与单片机（6）电连接，所述离心转盘（2）上端的外壳（1）表面设置进样部（4）和取样部（5），所述进样部（4）和取样部（5）分别与单片机（6）电连接，所述单片机（6）与外置电源电连接，第一电机（301）和第二电机（302）的机座均固定在外壳（1）内。

2.根据权利要求1所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述进样部（4）包括电动伸缩杆（402）和多个蠕动泵（404），所述电动伸缩杆（402）的自由端端部固定设置取样针（401），所述取样针（401）通过软管分别与所有蠕动泵（404）连通，所述电动伸缩杆（402）的固定端与外壳（1）连接，所述电动伸缩杆（402）和蠕动泵（404）与单片机（6）电连接。

3.根据权利要求2所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述进样部（4）还包括第三电机（403），所述第三电机（403）的输出轴端部固定设置安装座，所述电动伸缩杆（402）的固定端与安装座固定安装，且电动伸缩杆（402）与第三电机（403）的输出轴不同轴，所述第三电机（403）与单片机（6）电连接。

4.根据权利要求3所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述取样部（5）的结构与进样部（4）的结构相同。

5.根据权利要求1所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述离心转盘（2）为锥形盘，且内部均匀设置试管安装座，所述试管安装座均倾斜布置，且试管安装座的上端回转半径小于下端。

6.根据权利要求1所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述动力传输装置包括皮带（304）和两个皮带轮，所述皮带轮分别与第一转轴和第二转轴配合安装，且两个皮带轮通过皮带（304）连接。

7.根据权利要求4所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述第一电机（301）为直流高速电机，所述第二电机（302）为步进电机。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的海水微量元素自动分离富集系统，其特征在于：所述离心转盘（2）的回转轴与外壳（1）之间加装编码器（305），所述编码器（305）与单片机（6）电连接。

9.一种海水微量元素ICP-MS测定方法，其特征在于：采用权利要求８所述的海水微量元素自动分离富集系统，进样部（４）设有三个所述的蠕动泵（404），进样部（4）的三个蠕动泵（404）的分别连接纯水瓶、NaOH溶液瓶和硝酸溶液试剂瓶，取样部（5）设有三个所述的蠕动泵，取样部（5）的三个蠕动泵的分别连接电感耦合等离子体质谱、废液收集桶和纯水瓶；

所述方法包括如下步聚：a、移取等量海水至试管中，将试管放置在离心转盘（2）的试管安装座内部，单片机（6）控制进样部（4）的蠕动泵（404）从NaOH溶液瓶自动吸取适量NaOH溶液至第一个试管中，单片机（6）控制第二电机（302）旋转，带动离心转盘（2）步进一格，使取样针（401）对准第二个试管，注入NaOH溶液，随后重复进行上述步骤，依次转动一格并注入NaOH溶液，直至全部试管内均注有相同等量的NaOH溶液；

b、清洗取样针：单片机（6）控制进样部（４）的第三电机（403）及电动伸缩杆（402）使取样针（401）退出试管，将取样针（401）直接或通过软管接至废液收集桶，控制进样部（4）相应蠕动泵（404）开启，取样针（401）从纯水瓶吸取清水清洗取样针（401）内残余NaOH溶液至废液收集桶，随后取样针（401）回位对准试管；

c、单片机（6）控制第一电机（301）旋转，带动离心转盘（2）往复转动，使试管内的液体混合完全，液体混合完全后控制第一电机（301）高速旋转带动离心转盘（2）离心运动，使试管内白色沉淀汇集于试管底部；

d、单片机（6）控制取样部（5）的取样针自动插入试管中，且取样部（5）的蠕动泵开启，抽取试管内上层液体至废液收集桶，保留底部沉淀，单片机（6）控制第二电机（302）旋转，带动离心转盘（2）步进一格，取样部（5）的取样针插入第二个试管中并抽取试管内上层液体至取样废液收集桶中，随后重复进行上述步骤，依次转动一格并抽取试管内上层液体至废液收集桶中，直至每个试管中液体均抽取完毕，抽取量等于试管中加入的海水量；依照步骤b的方法清洗取样部（5）的取样针；

e、单片机（6）控制进样部（4）的另一个蠕动泵（404）开启，抽取硝酸溶液经取样针（401）至试管中，试管内沉淀溶解；

f、单片机（6）控制第二电机（302）旋转，带动离心转盘（2）步进一格，使取样针（401）对准第二个试管，注入硝酸溶液；随后重复进行上述步骤，依次转动一格并注入硝酸溶液，直至全部试管内均注有相同等量的硝酸溶液；

g、单片机（6）控制第一电机（301）旋转，带动离心转盘（2）往复转动，使试管内的液体混合完全，沉淀完全溶解；

h、单片机（6）控制下，取样部（5）的取样针插入试管中，在取样部（5）的另一个蠕动泵作用下，抽取试管内液体进入ICP-MS进行测定；

i、依照步骤b的方法清洗取样部（5）的取样针；

j、单片机（6）控制第二电机（302）旋转，带动离心转盘（2）步进一格，使取样部（5）的取样针对准第二个试管，执行步骤h、i；

k、重复执行步骤j，直至全部测定完毕。

10.根据权利要求9所述的海水微量元素ICP-MS测定方法，其特征在于：所述的步骤a中：每个试管加入的海水是50ml已加入不同浓度的同一微量元素标准溶液的海水，微量元素是La或Ce，每个试管中加入的NaOH溶液是0.2ml质量含量为10%的NaOH溶液，步骤f中：注入硝酸溶液是5ml 质量含量为0.5%的硝酸溶液。