CN213364644U - 一种用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器，包括样品池、观察窗、第一接口和第二接口，所述样品池包括样品池腔体和样品池壁，在所述样品池腔体内设有活塞，所述活塞包括中空状第二接口，所述第二接口延展至所述样品池底部之外，所述活塞上面活动固定设有样品台，所述样品台呈锥形，所述样品台上面设有滤膜，所述滤膜贴附于所述样品台，所述滤膜上面的所述样品池壁上设有第一接口，所述第一接口上面设有成像观察窗；该装置的体积可根据需要通过活塞非常方便地控制，减小了检测过程的死体积，且十分便于后续的成分检测。

Description

一种用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器

技术领域

本实用新型涉及分析设备技术领域，特别是涉及一种用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器。

背景技术

稀土元素因其独特的光、电、磁性能，在众多高新技术产业领域具有重要的应用，是一种重要的战略资源。快速分析稀土矿中稀土的组成及元素形态对于稀土开采效率的提高具有重要意义。

稀土原矿由多种组分通过强弱不同的物理和/或化学作用混杂交互叠积在一起，其中稀土元素赋存形态繁杂。

由于稀土原矿的特殊复杂性，当前一般都需要采用样品预处理步骤，将样品中的各待测元素先分离再进行检测。常用的形态分析方法主要有BCR法、 Tessier法以及在此方法基础上的改进方法，在这些方法中，稀土矿样通常需经过多步地样品预处理过程，包括化学反应、超声溶解、振荡、消解、过滤、定容等，然后制备好待测溶液样品，该待测溶液再经原子吸收光谱法(AAS)、原子发射光谱法(AES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等进行分析，单个分析流程至少需要4个小时，总耗时需4-5天。该过程不但增加了分析时间，更重要的是可能会丢失相关的关键信息，还可能因繁杂的样品处理过程而增加结果的不确定性。

近年来，随着直接质谱分析技术的发展，无需样品预处理也可以获得复杂基体样品中待测物的分子种类及含量信息，推动了现代质谱分析的快速发展。但直接质谱分析技术仍以有机组分的快速检测为主，对无机组分，尤其是无机盐、金属氧化物、矿石中金属元素分析应用较少。厦门大学杭纬教授等提出了无需标准样品，通过增加激发能量的方式，实现了直接定量测量岩石矿物中金属元素含量的方法，在国际同行中引起了强烈反响。但仅通过增加激发能量，测定的是某种元素的总量，对样品中的不同种类金属单质之间以及金属单质、金属盐与金属氧化物之间不能进行有效区分。

从目前所掌握的文献调研情况看，国内外都还没有发现能够对矿石样品中元素不同赋存形态的直接分析的原理构想，也没有发现类似仪器的设计或研制报道。

实用新型内容

为此，本实用新型的目的在于提出一种用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器，以在无需复杂的样品预处理的条件下，得到了矿样在分子层次不同组分的分子结构(M)、丰度含量(A)以及空间分布(D)等信息。

本实用新型提供一种用于稀土矿样分析的仪器，包括样品池装置，所述样品池装置包括样品池、观察窗、第一接口和第二接口，所述样品池包括样品池腔体和样品池壁，在所述样品池腔体内设有活塞，所述活塞包括中空状第二接口，所述第二接口延展至所述样品池底部之外，所述活塞上面活动固定设有样品台，所述样品台呈锥形，所述样品台上面设有滤膜，所述滤膜贴附于所述样品台，所述滤膜上面的所述样品池壁上设有第一接口，所述第一接口上面设有成像观察窗。

该样品池装置的体积可根据需要通过活塞非常方便地控制，减小了检测过程的死体积，且十分便于后续的成分检测。

所述样品池装置通过微量液体布局输送系统实现试剂定量添加与混配系统和特殊高效电离系统之间的连接，场能量耦合与调控系统用于在所述时序触发与智能控制系统的控制下，对所述样品池装置进行加热或冷却处理，所述显微形貌分析系统用于在时序触发与智能控制系统的控制下对样品池装置中发生的反应过程进行全程监控，获取样品池装置中样品的形貌与尺寸变化信息。

本实用新型提供的用于稀土矿样分析的仪器可在无需样品预处理条件下，获得原矿样品中不同组分的成分、含量及分布信息，具有自动化、快速(小于1 h)、灵敏(小于1ppb)等特点，可为稀土勘探、开采、加工提供重要的技术支持。矿样中不同空间和形态组分在不同的试剂及能量作用下发生顺次提取。该样品池的体积可根据需要通过活塞非常方便地控制，尽量减小检测过程的死体积。在进行样品分析时，不同形状矿样(粉末或块状)首先放置于滤膜上；选定的试剂在试剂混配系统和布输系统的帮助下，经由第一接口流入样品池中，在样品池装置中与矿样进行作用，将矿样中的组分提取出来；提取的组分随着试剂通过滤膜由第二接口流出，再进入特殊高效电离系统进行离子化，然后进入质谱检测装置进行检测；在检测过程中，显微镜可对矿样溶解过程的微观形貌变化进行实时成像分析；将显微成像信息与质谱结果耦合后，可获得矿样中成分的分布情况。

进一步地，在所述成像观察窗上靠近样品池腔体内侧设有电极，所述滤膜上涂覆导电层形成导电滤膜，通过外接电源形成电场使得矿样更易溶解。

进一步地，所述导电层的材料为至少下列材质之一：聚3,4-乙烯二氧噻吩/ 聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)，石墨烯、碳纳米管、金纳米线、聚苯胺。

本实用新型提供的用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器用于稀土矿样分析的样品池装置及仪器工作原理为：待测稀土原矿样品装载进入到样品池装置中，先用显微形貌分析系统观测其形貌并获得尺寸形貌信息(S1)；将该信息存储备用；其次，根据需要，通过试剂定量添加与混配系统，制备所需的非极性、弱极性、中等极性、强极性、酸、碱或其组合形成的已知试剂，选择一种试剂 (如醋酸铵)，将该试剂作为选定的载体试剂通入微型样品池系统；同时通过场能量耦合与调控系统，将特定形式的能量(如电场、温度、微波、超声波)施加到样品池，使载体试剂与复杂基体的稀土原矿样品进行作用，由于载体试剂 (如醋酸铵)选择性地与样品中稀土元某种赋存形态作用，将把样品中某种赋存形态(P1)溶解，而合适的温度、超声波、微波辐照等条件将有利于该过程的进行，溶解的赋存形态(P1)将随着载体试剂进入溶液相而与稀土原矿样品分离；残余的矿样将再次通过显微形貌分析系统进行尺寸及形貌观测，获得尺寸形貌信息(S2)；两次观测的结果进行对照(即S1～S2)可以获得所移除的组分在样品中所处的位置及相关空间分布信息；已溶解赋存形态(P1)直接进行进入ICP-MS进行分析；如果获得了所溶解的赋存形态(P1)的质谱信号，则可以从分析结果中获得该形态的信息。除了选择新的化学试剂外，需要增加能量调节，比如在一定温度和一定能量场(微波、超声波等)作用下促进溶解，从而将稀土原矿样品不同赋存形态逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测。如此反复进行，则将对稀土样品进行多种赋存形态的顺次电离。以上过程通过时序与智能控制系统进行控制调节。

根据本实用新型提供的用于稀土矿样分析的仪器，利用该仪器可实现稀土原矿的低样品耗量、短分析时间的分析，获得稀土原矿样品中十五种稀土元素的五种形态数据，在国际上率先突破矿石原样的分析方法。

根据本实用新型提供的用于稀土矿样分析的仪器具有样品用量少、分析时间短、获取信息丰富、低碳环保等优点，是当前稀土分析先进的分析仪器，未来可拓展至材料科学、能源科学、地球科学、环境科学、生命科学等领域典型矿样的形态分析，不但对深入了解该样品本身的理化性状、形成机理、构效关系等有帮助，还可望为相关领域某些重要关键科学与技术问题的深入研究提供前所未有的分析工具。当前目标市场为稀土开采等领域，市场预估值近百亿元；后续目标市场是其他各种矿石开采、冶炼等领域，市场规模可达千亿元量级。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型的样品池装置的结构示意图；

图2是本实用新型的用于稀土矿样分析仪器的工作流程示意图；

图3为使用该实用新型提供的稀土矿样分析仪器分析的稀土矿样组分浓度随时间变化的趋势图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

基于上述内容，请参阅图1，本实用新型一实施例提供的用于稀土矿样的分析仪器，包括样品池装置，所述样品池装置包括样品池、观察窗41、第一接口 43和第二接口48，所述样品池包括样品池腔体和样品池壁47，在所述样品池腔体内设有活塞46，所述活塞46包括中空状第二接口48，所述第二接口48延展至所述样品池底部之外，所述活塞46上面活动固定设有样品台45，所述样品台 45呈锥形，所述样品台45上面设有滤膜44，所述滤膜44贴附于所述样品台45，所述滤膜44上面的所述样品池壁上设有第一接口43，所述第一接口43上面设有成像观察窗41。

所述成像观察窗用于连接所述显微形貌分析系统，用于实时观测样品形貌的变化。

进一步地，所述滤膜呈圆形，贴附于所述样品台上，可耐酸耐碱耐有机溶剂，如聚醚砜膜或聚四氟乙烯等材质，孔径为200～300nm，优选为250nm，然后在滤膜表面涂覆一层PEDOT：PSS(聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸)，使其成为导电滤膜，检测过程中可通过施加电压，促进矿样中组分的溶出。

进一步地，在所述成像观察窗上靠近样品池腔体内侧设有电极，所述电极一般成对设置，材质为Pt，与所述滤膜形成回路。

请参阅图2，本实用新型的用于稀土矿样分析的仪器的工作流程为：

待测稀土原矿样品装载进入到样品池装置中，先用显微形貌分析系统观测其形貌并获得尺寸形貌信息(S1)；将该信息存储备用；其次，根据需要，通过试剂定量添加与混配系统，制备所需的非极性、弱极性、中等极性、强极性、酸、碱或其组合形成的已知试剂，选择一种试剂(如醋酸铵)，将该试剂作为选定的载体试剂通入样品池装置；同时通过场能量耦合与调控系统，将特定形式的能量(如电场、温度、微波、超声波)施加到样品池，使载体试剂与复杂基体的稀土原矿样品进行作用，由于载体试剂(如醋酸铵)选择性地与样品中稀土元某种赋存形态作用，将把样品中某种赋存形态(P1)溶解，而合适的温度、超声波、微波辐照等条件将有利于该过程的进行，溶解的赋存形态(P1)将随着载体试剂进入溶液相而与稀土原矿样品分离；残余的矿样将再次通过显微形貌分析系统进行尺寸及形貌观测，获得尺寸形貌信息(S2)；两次观测的结果进行对照(即S1～S2)可以获得所移除的组分在样品中所处的位置及相关空间分布信息；已溶解赋存形态(P1)直接进行进入ICP-MS进行分析；如果获得了所溶解的赋存形态(P1)的质谱信号，则可以从分析结果中获得该形态的信息。除了选择新的化学试剂外，需要增加能量调节，比如在一定温度和一定能量场 (微波、超声波等)作用下促进溶解，从而将稀土原矿样品不同赋存形态逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测。如此反复进行，则将对稀土样品进行多种赋存形态的顺次电离。以上过程通过时序与智能控制系统进行控制调节。

此时，除了选择新的化学试剂外，需要增加能量调节，比如在电场作用下，即使是合金，也能够在一定电压(0～3kV)、一定温度和一定能量场(微波、超声波等)作用下发生溶解，从而将矿样逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测。如此反复进行，则将对稀土矿样进行各组分的顺次电离，获得该组分在稀土矿样中的物质分子结构(M)、丰度含量(A)、空间分布(D)信息，需要指出的时，以上过程均通过时序触发与智能控制系统进行控制调节。

请参阅图3，图3为使用该实用新型提供的用于稀土矿样的分析仪器分析的稀土矿样组分图。检测过程如下：称取1mg稀土样品放入样品池装置中，然后首先用H₂O进行提取稀土矿样中的水溶性组分，并实时传输到质谱进行检测，通过实时监测稀土元素的离子流图，监测溶出组分的浓度变化；当质谱信号将为零后，改用0.3mM NH₄AC进行提取稀土矿样中的可交换性组分，并实时传输到质谱进行检测；当质谱信号再次降为零后，改用0.1mol/LNH₂OH-HCl进行提取稀土矿样中的可还原性组分，并实时传输到质谱进行检测；当质谱信号再次降为零后，改用0.1mol/L HNO₃+1％H₂O₂进行提取稀土矿样中的可氧化性组分，并实时传输到质谱进行检测；当质谱再次降为零后，再分别用0.1mol/L HF 和1mol/L HNO₃提取稀土矿样中的结晶态组分，并实时传输到质谱进行检测。当质谱信号再次降为零后，检测结束。

图3显示了稀土样品中15种稀土元素成分浓度随时间的变化图。利用该仪器可实现稀土原矿的低样品耗量、短分析时间的分析，获得稀土原矿样品中十五种稀土元素的五种形态数据，在国际上率先突破矿石原样的分析方法，未来更可拓展至材料科学、能源科学、地球科学、环境科学、生命科学等领域典型矿样的实际分析，不但对深入了解该样品本身的理化性状、形成机理、构效关系等有帮助，还可服务于其他各种矿石开采、冶炼等领域，市场规模可达千亿元量级。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种用于稀土矿样分析的样品池装置，其特征在于，包括样品池、观察窗、第一接口和第二接口，所述样品池包括样品池腔体和样品池壁，在所述样品池腔体内设有活塞，所述活塞包括中空状第二接口，所述第二接口延展至所述样品池底部之外，所述活塞上面活动固定设有样品台，所述样品台呈锥形，所述样品台上面设有滤膜，所述滤膜贴附于所述样品台，所述滤膜上面的所述样品池壁上设有第一接口，所述第一接口上面设有成像观察窗。

2.根据权利要求1所述的用于稀土矿样分析的样品池装置，其特征在于，在所述成像观察窗上靠近样品池腔体内侧设有电极。

3.根据权利要求2所述的用于稀土矿样分析的样品池装置，其特征在于，所述滤膜上涂覆导电层。

4.一种用于稀土矿样分析的仪器，其特征在于，包括权利要求1~3中任意权利要求中所述的样品池装置。

Images