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浅析注射泵上微型实验平台的研制

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摘要:为了实现控制过程自动化和系统的普适性,研制了一套注射泵上微型实验平台。该平台由上位机、集成控制电路、注射泵、8位选择电磁阀以及相应管路组成,注射泵既作为液流驱动又作为反应及溶液定量稀释的容器。为了提高溶液中混合和反应的速率,在注射泵上添加了磁力搅拌和加热装置。该平台由STM32集成电路进行控制,由LabVIEW编写的上位机程序实现人机交互。通过自制激光二极管诱导荧光(LIF)检测器,以荧光素作为模式目标物,对平台的性能进行测试。实验结果表明,与现有的注射泵上微型实验平台相比,该平台具有稳定性好、集成度高、功能全等优点,适于分析化学和环境检测领域长时间在线检测。

关键词:注射泵上微型实验平台;荧光素;在线检测

顺序注射分析(sequentialinjectionanalysis,简称SIA)是1990年由Ruzicka等[1]在流动注射分析(flowinjectionanalysis,FIA)的基础上提出并发展起来的一种新的溶液处理和分析方法。SIA系统采用注射泵与多通道阀配合工作,通过定量选择试剂和样品在管路中混合、反应,实现化学分析的全过程自动化。相比FIA技术,SIA技术的溶液流动方向更为灵活,可便捷地双向流动,由此获得比FIA更好的混合及反应效果[2-3]。同时,SIA系统具有控制方便、定量精确、重复性好的优点,易于实现系统的集成化和微型化[4-5],且分析过程试剂消耗量和废液产生量少,特别适用于环境等领域的在线监测分析[6-7]。为了获取更为完全的反应条件,并自动实现多相(液-液、气-液)萃取、分离的过程,基于SIA的硬件装置,诞生了新一代的顺序分析方法,即注射泵上实验室(lab-in-syringe,简称LIS)。自动化的LIS以注射泵上的注射器作为反应池,实现溶液的混合、萃取以及化学反应过程[8-11],反应池的容量可调,可以更加灵活地选择反应过程中试剂和样品的用量,极大减少了试剂和样品的浪费。LIS技术被越来越多地用在分析化学领域,Georgia等[12]使用LIS实现微萃取测定氨浓度;Samara等[8]采用LIS系统在线反应测定了柴油和生物柴油共混物中酯的含量;Ivana等[11]将LIS用于饮用水中铅的萃取。LIS系统将样品检测的全过程自动化,提高了检测效率,防止了样品的污染。然而,目前LIS系统有以下2个缺点:无法很好地实现自动控制,在控制过程中还需要人为手动调整;系统结构单一,只能实现特定的化学反应过程。以上2点制约了LIS方法的推广及应用。鉴于此,研制了一套LIS系统,该系统可实现液流输送、荧光检测的基本功能,并在注射泵上添置了搅拌及加热功能,进一步提高了混合和反应的速率。该系统成功应用于一种常用的水环境示踪剂———荧光素的在线稀释及检测。

1微型实验平台设计

1.1元器件微型实验平台使用的器件有:保定兰格恒流泵有限公司的SP1-C1型工业注射泵,上海心扬电气有限公司的智能PID温度控制器,深圳市乐达精密仪器有限公司的LP305DE型恒压源,深圳市远大激光科技有限公司的405nm激光光源,VICI的8位选择电磁阀,Cr20Ni80电热丝,EmantPte的24位数据采集卡,明纬(广州)电子有限公司的NES-150-24型开关电源。

1.2系统结构仪器主要由控制模块、泵上实验平台模块、检测模块和上位机组成,其整体结构框图如图1所示。控制模块以STM32为核心控制器构成集成电路。LabVIEW程序编写的人机交互界面通过USB实现与STM32集成电路串口通信,STM32集成电路通过RS232和RS485串口分别控制注射泵和8位选择电磁阀实现顺序注射过程。泵上实验平台模块由注射泵、8位选择电磁阀、电磁搅拌器、智能PID温度控制仪、Cr20Ni80电热丝和Pt100热敏电阻组成。注射泵和8位选择电磁阀通过聚四氟乙烯管连接实现溶液的流动,将泵上的注射器作为湿化学反应的反应池。在反应池内部放入磁力搅拌子,外部是一个顶端镶嵌磁块的直流电机,控制电机转动,通过磁力的N-S吸附和排斥特性实现磁力搅拌。反应池的外壁缠绕Cr20Ni80电热丝,并用导热硅胶填充缝隙,同时用Pt100热敏电阻作为温度反馈装置,通过温度控制仪控制加热丝的通断,实现恒温加热功能,温度控制仪的温度控制范围为0~300℃,精度为1℃。检测模块可使用分光光度检测器和荧光检测器等,实现不同物质的在线检测。

2微型实验平台运行流程

2.1上位机控制程序LIS平台以STM32集成电路为核心控制器,通过与上位机之间串口通信实现整个平台的控制。上位机将指令发送到集成控制电路,电路通过RS232和RS485通信协议分别控制8位选择上位机程序的具体功能如下:1)STEP:程序运行步骤,最大可以设置500步,当程序运行到最后一步时,再重新从第1步运行。2)泵1行程:注射泵的行程由注射器规格决定,在同一方向运行的行程不能超过注射器的最大规格,行程的精度为50μL。3)泵1方向:CW为注射泵抽取溶液,CCW为注射泵推出溶液。4)8位选择阀状态:设置范围为1~8位,运行过程中的当前位置与阀中间孔相连。5)三通状态:三通阀公共端恒与注射泵相连,A作为进样口,B作为出样口。6)运行时间:运行时间由注射泵的行程与运行速度决定,注射泵的初始化速度为1.167mL/s。7)运行速度:注射泵的运行速度范围为0.008~4.167mL/s,对应编号为0~40,数值越大注射泵的运行越快,设置时对照注射泵的速度在上位机界面设置最优的运行速度。

2.2泵上实验平台的典型运行流程LIS平台溶液流路如图3所示,运行主要包括管路清洗、试剂导入、检测、试剂排空等步骤。注射泵微型实验平台典型的运行流程如下:1)注射泵抽取纯水到注射泵中,再流入与8位选择阀相连的废液瓶中,清洗注射泵和8位选择阀;2)注射泵抽取试剂溶液,从3口Y型阀与荧光检测器相连口注射到检测器,直到检测器达到稳定状态,此时的检测器检测的值为背景值;3)注射泵抽取定量试剂溶液,再抽取定量样品溶液,打开磁力搅拌和加热装置,使试剂和样品完全反应;4)将泵内检测溶液通过3口Y型阀注入检测器进行检测,并对数据进行处理和存储;5)抽取纯水清洗流路,并排空整个流路残留的纯水。

3注射泵上微型实验平台的应用

3.1荧光检测器的设计为了验证注射泵上微型实验平台的性能,自制了一个荧光检测器,结构如图4所示。检测器主要由恒流源、激光二极管、滤光片、光电传感器、石英管及流通池骨架盒组成。激光二极管由基于LM317芯片的恒流电路驱动(光源用160mA恒电流源供电);流通池骨架盒使用AutoCAD画图软件设计,黑色PLA材料3D打印制作;石英管流通池内径2mm、外径4mm;滤波片选择中心波长为510nm的窄带滤光片。TSL257光电转化器件将光信号转换为电压,通过上位机程序进行采集。

3.2荧光素的在线混合与检测将荧光素作为注射泵微型实验平台的目标检测物质,配置浓度为4.32mg/L荧光素标准使用溶液与浓度为30g/L氯化钠溶液,通过精确控制8位选择阀和注射泵分别抽取荧光素标准使用液和氯化钠溶液,实现溶液在线混合及检测。先后抽取荧光素储备液和氯化钠溶液至注射器中混合,搅拌前后对比如图5所示。由于氯化钠溶液的密度远大于纯水,未搅拌时,在注射器中氯化钠溶液与荧光素溶液有明显的分层,荧光素储备液与氯化钠溶液未完全混合。为了将两者充分混合,在LIS平台上配置了磁力搅拌装置,电机带动搅拌子旋转搅拌,经2min搅拌后,氯化钠溶液与荧光素标准溶液完全混合均匀,溶液中无分层现象。通过平台精确抽取不同体积的4.4mg/L的荧光素溶液和不同体积的30g/L的氯化钠溶液进行混合,在线配制0.88、1.32、1.76、2.2、2.64、3.08mg/L系列荧光素标准溶液,再用自制荧光检测器进行检测,采集搅拌和不搅拌的连续信号。以光电传感器检测到的荧光信号电压为纵坐标,荧光素标准溶液浓度为横坐标,画其关系曲线,如图6所示。从图6可看出,经搅拌后的混合溶液通过检测器所得的荧光信号y=0.01239x+0.01128,相关度R2=0.995,而未经搅拌的溶液信号无明显的线性关系,这表明加装搅拌装置的LIS平台能够明显促进注射器内溶液的混合。

4结束语

研制了一个由上位机、集成控制电路、注射泵、8位选择电磁阀、相应管路以及磁力搅拌和加热装置组成的注射泵上微型实验平台,该平台使用STM32集成电路进行控制,可以实现泵上实验平台的全自动控制。使用LabVIEW程序编写人机交互界面,与集成电路通过USB串口进行信号传输,实现良好的人机交互,对实验运行流程精准的控制。使用5mL的注射器,注射泵的精度达50μL。注射泵上实验平台可以搭载分光光度计、荧光光度计等实现在线检测。泵上实验平台的搅拌可以实现试剂与样品的完全混合,能使反应更加充分。温度控制器可以实现0~300℃的温度控制,精度为1℃。为了验证泵上实验平台的性能,自制激光二极管诱导荧光(LIF)检测器,以荧光素作为模式目标物,对平台的性能进行检验,得到拟合曲线y=0.01239x+0.01128(n=6,R2=0.995)。

参考文献:

[3]严春梅.铵氮的流动注射吸光光度新方法建立及在线检测器研制[D].桂林:桂林电子科技大学,2016:6-16.

[4]韩双来,项光宏,唐小燕,等.基于顺序注射分析技术的总氮在线分析仪[J].中国环境监测,2013,29(3):94-98.

[6]陈旭伟,范世华,王世立.大气中SO2顺序注射光度测定方法的初步研究[J].光谱学与光谱分析,2005,125(15):761-764.

作者:李晓瑜 苏海涛 张敏 梁英 单位:桂林电子科技大学 生命与环境科学学院

桂林电子科技大学学报责任编辑:张雨    阅读:人次