一种混合器及流通式光度检测自动化分析仪的制作方法
【专利摘要】一种混合器和流通式光度检测自动化分析仪，用于溶液中特定组分的测定或化学反应动力学研究，混合器包括进液管、混合体及与混合体内腔连通的上出液管和下出液管，该进液管一端由下而上竖直插入混合体并与其内腔连通，该上出液管与混合体顶部相连，该下出液管与混合体底部相连。自动化分析仪还包括混合器，自动进样阀、试剂选择阀、三通阀、试剂泵、水样泵、多通道切换阀、试剂定量环、分光检测装置和控制电路。本发明的光度检测不受流路中气泡的干扰，自动化程度高，结合了自动进样和在线混合，无需重复添加试剂，有效地提高了试剂的利用率，运行灵活，可以通过调整混合时间来控制反应程度，调整仪器的灵敏度，以满足不同浓度目标物的测定需求。
【专利说明】一种混合器及流通式光度检测自动化分析仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及分光光度检测的化学分析仪设备，特别是一种用于溶液中特定组分的测定或化学反应动力学的研究，全自动、高准确度、不受流路中气泡影响、可实现多种分析检测功能的混合器及具有该混合器的流通式光度检测自动化分析仪。
【背景技术】
[0002]为节约劳动力资源并满足样品化学参数快速分析测试的需求，国内外研究者研发了多种自动化快速分析仪器。上世纪50年代,美国Technicon等公司根据Skeggs提出的气泡间隔式连续流动分析原理，开发了名为Auto-Analyzer的自动分析仪,开创性地把试样、试剂及分析操作从传统的试管和烧杯等容器中转入管道中，推动化学分析中溶液处理方式的变革。Ruzicka和Hansen在1975年首次提出了流动注射分析技术，打破了分析化学反应必须在物理化学平衡条件下完成的传统观念，引发了化学实验室中基本操作技术的又一次根本性的变革。Lachat Instruments和FIAlab Instruments等公司相继推出了基于流动注射分析的仪器，在环境、临床医学、农林、冶金地质、食品等诸多领域中得到广泛的应用。近年来，顺序注射分析和阀上实验室等新型分析技术和仪器的推出，体现了分析仪器朝向微型化、集成化和自动化的方向发展。
[0003]但是，目前这些分析仪器还均存在一些不足，主要包括:在气泡间隔式连续流动分析和流动注射分析中，试剂和试样通常都是连续不断地流动，试剂和试样利用率低、浪费严重；现有的顺序注射分析和阀上实验室需要用到精密的注射泵，其价格昂贵，操作也较为复杂，试样和试剂难以完全混合；更重要的是，流路中经常产生的气泡对最常用的分光光度检测产生严重干扰。环境监测和科研中，实时监视目标物变化、获得不稳定目标物的真实浓度及其变化规律等，均需要现场自动连续检测系统。然而，现有流通式分析仪存在的不足导致其难以胜任现场长期自动连续监测的工作。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述不足，提出一种用于各种水体中目标物的测定或化学反应动力学过程的研究，试剂消耗少、准确高、不受气泡影响且具有多重功能的混合器及流通式光度检测自动化分析仪。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]一种混合器，用于光度检测中实现试剂和水样的混合并消除流路中的气泡对分光光度检测的影响，其特征在于:包括进液管、混合体及与混合体内腔连通的上出液管和下出液管，该进液管一端由下而上竖直插入混合体并与其内腔连通，该上出液管与混合体顶部相连，该下出液管与混合体底部相连；该混合体内径为上大下小。
[0007]进一步的，所述混合体为圆锥形混合体。
[0008]进一步的，还包括T型三通，其一端与所述混合体底部连通，一端与下出液管连通，一端供所述进液管插入。[0009]一种流通式光度检测自动化分析仪，包括机箱，其特征在于:还包括设置于机箱上的混合器，及自动进样阀、试剂选择阀、三通阀、试剂泵、水样泵、多通道切换阀、试剂定量环、分光检测装置和控制电路；自动进样阀的各个水样入口分别用于连接各个待测水样，中间的公共通道与多通道切换阀的第二连接口连接；水样泵的入口和出口分别与多通道切换阀的第一连接口和混合器的进液管连接；混合器的上出液管直接连至三通阀的第一连接口，下出液管连接至分光检测装置的液体入口，分光检测装置的液体出口连接至三通阀的第二连接口，三通阀的公共接口再连接至多通道切换阀的第四接口 ；多通道切换阀的第三接口用于连接废液瓶，试剂定量环的两端分别与多通道切换阀的第五、第八接口连接；试剂选择阀的各个试剂入口分别用于连接各个试剂瓶，其公共通道与多通道切换阀的第七接口连接；试剂泵的入口连接至多通道切换阀的第六接口，出口再连接至废液瓶。
[0010]进一步的，所述自动进样阀和所述试剂选择阀可采用四位、八位或十六位选择阀，所述多通道切换阀采用八通阀。
[0011]进一步的，所述分光检测装置包括光源、光电检测器和流通池；所述混合器的下出液管连接至流通池的液体入口，流通池的液体出口连接至三通阀的第二连接口，所述流通池的光学入口和出口分别连接至光源和光电检测器。
[0012]进一步的，所述流通池为Z型或U型的流通池，其光程为lcm-15cm。
[0013]进一步的，所述流通池为液芯波导长光程流通池，其光程为20cm-1000cm。
[0014]进一步的，所述试剂定量环为环形管，用于量取并储存固定体积的试剂，其内径为
0.25mm-2mm,长度为 3cm_30cm。
[0015]进一步的，所述控制电路包括微处理器、蠕动泵控制模块、多通道切换阀控制模块、多位阀控制模块、三通阀控制模块、通信模块、数据存储模块、光源和检测器模块；蠕动泵控制模块与所述试剂泵和水样泵相连；多通道切换阀控制模块与所述多通道切换阀相连，多位阀控制模块与所述自动进样阀和试剂选择阀相连，三通阀控制模块与所述三通阀相连；光源和检测器模块与所述分光检测装置相连；微处理器的输入端分别与通信模块、数据存储模块、光源和检测器模块连接；微处理器的输出端分别与蠕动泵控制模块、多通道切换阀控制模块、多位阀控制模块、三通阀控制模块和数据存储模块连接。
[0016]由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0017](I)自动化程度高，结合了自动进样和在线混合，整个分析过程无需人为干预。
[0018](2)本发明的光度检测不受流路中气泡的干扰。
[0019](3)消耗的试剂量极少，且无需重复添加试剂，有效地提高了试剂的利用率，节省了试剂的使用量，因而降低了分析测试的成本。
[0020](4)运行灵活，可以通过调整混合时间来控制反应程度，从而调整仪器的灵敏度，以满足不同浓度目标物的测定需求。
[0021](5)测样速度快，抽取一次水样即可满足不同形态目标物的测定需求；且具有良好的准确度和精密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1a为本发明混合器的结构示意图；
[0023]图1b为本发明流通式光度检测自动化分析仪实施例一的结构示意图；[0024]图2为本发明流通式光度检测自动化分析仪的控制电路组成框图；
[0025]图3为本发明流通式光度检测自动化分析仪的控制电路的电路组成原理图；
[0026]图4为本发明一种流通式光度检测自动化分析仪处于进样状态的结构示意图(实施例一);
[0027]图5为本发明一种流通式光度检测自动化分析仪处于混合/检测状态的结构示意图(实施例一);
[0028]图6为本发明实施使用液芯波导长光程流通池且八通阀处于进样状态的结构示意图(实施例二、实施例三);
[0029]图7为本发明实施例使用液芯波导长光程流通池且八通阀处于混合/检测状态的结构示意图(实施例二、实施例三);
[0030]图8为本发明配有3个试剂瓶且八通阀处于进样状态的结构示意图(实施例四)；
[0031]图9为本发明配有3个试剂瓶且八通阀处于混合/检测状态的结构示意图(实施例四)。
【具体实施方式】
[0032]以下通过【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
[0033]参照图la，本发明提出一种混合器，用于光度检测中实现试剂和水样的混合并消除流路中的气泡对分光光度检测的影响，包括进液管1、τ型三通5、混合体4及与混合体内腔连通的上出液管2和下出液管3。该进液管I 一端由下而上竖直插入混合体4并与其内腔连通，该上出液管2与混合体4顶部相连，该下出液管3与混合体4底部相连；该混合体4为内径上大下小的圆锥形混合体。图1a中的实线箭头指示混合状态时溶液的流动方向，虚线箭头为检测状态时溶液的流动方向。进液管I和出液管均为聚四氟乙烯管，内径0.75mm、外径1.6_。混合体4为一个聚乙烯材质的圆锥,其两端的分别开有直径为8mm和3_的孔，并在较细的一端连接聚乙烯材质的T型三通5。进液管I经T型三通5从底部伸入混合体4，直至其出口离腔体顶端5-10mm ;混合体4的顶端接上出液管2，T型三通5的另一端接下出液管3。
[0034]本发明的混合器应用于光度检测分析仪时，参照图lb，上出液管2的另一端可用于连接分析仪的三通阀14，下出液管3的另一端则接至分析仪的流通池12，经流通池12后再连接到三通阀14。当进行混合反应操作时，分析仪管路中的溶液从进液管I流入混合体4，在此经历流路管径的突变以实现水样和试剂的混合；切换三通阀14、进入混合/检测状态时，从进液管I流入混合体4的溶液只能从下出液管3流出，进入分析仪的流通池12进行分光检测。此时流路中若出现气泡，气泡在浮力的作用下自然上升而停留在混合体4顶部，从而避免气泡进入流通池12而影响分光检测。停留在混合体4顶部的气泡在分析仪切换至进样状态时随废液排除。
[0035]本发明还提出一种流通式光度检测自动化分析仪，并装配了上述的混合器，列举下述几个实施例。
[0036]实施例一
[0037]—种流通式光度检测自动化分析仪，包括上述的混合器、自动进样阀6、试剂选择阀17、三通阀14、试剂泵18、水样泵10、多通道切换阀、试剂定量环19、分光检测装置和控制电路。自动进样阀6的各个水样入口分别用于连接各个待测水样，中间的公共通道8与多通道切换阀的第二连接口连接。水样泵10的入口和出口分别与多通道切换阀的第一连接口和混合器的进液管I连接。分光检测装置包括光源11、光电检测器13和流通池12。混合器的上出液管2直接连至三通阀14的第一连接口，混合器的下出液管3连接至流通池12的液体入口，流通池12的液体出口连接至三通阀14的第二连接口，流通池12的光学入口和出口分别连接至光源11和光电检测器13。三通阀14的公共接口再连接至多通道切换阀的第四接口。多通道切换阀的第三接口作为废液出口 20用于连接废液瓶，试剂定量环19的两端分别与多通道切换阀的第五、第八接口连接。试剂选择阀17的各个试剂入口 15分别用于连接各个试剂瓶，其公共通道16与多通道切换阀的第七接口连接。试剂泵18的入口连接至多通道切换阀的第六接口，出口作为废液出口 20再连接至废液瓶。
[0038]本发明中的流通池12采用Z型流通池。自动进样阀6和试剂选择阀17可采用四位、八位或十六位选择阀，本发明采用八位选择阀。多通道切换阀可采用八通阀9。试剂定量环19为环形管,用于量取并储存固定体积的试剂,其内径为0.25mm-2mm,长度为3cm_30cm。可以用流通时光度检测自动化分析及水中可溶态铁的测定。
[0039]控制电路密封于机箱内部，泵、阀、混合器、试剂瓶(袋)和分光检测装置亦均装配于机箱内部或固定于机箱外壳上，液体流通管路及其接口均置于机箱外部。参照图2、图3，具体的控制电路包括微处理器Ul、蠕动泵控制模块、多通道切换阀控制模块、多位阀控制模块、三通阀控制模块、通信模块、数据存储模块、光源和检测器模块。蠕动泵控制模块包括第一功率模块Q21和RS485接口芯片U2分别连接控制两蠕动泵B21、B22(水样泵10和试剂泵18)。多通道切换阀控制模块与多通道切换阀相连包括第二功率模块Q22和第三功率模块Q23，从微处理器Ul发出的信号经该第二功率模块Q22和第三功率模块Q23控制多通道切换阀的切换。多位阀控制模块与自动进样阀6和试剂选择阀17相连，包括RS232接口芯片U3,经过此RS232接口芯片U3实现对两个多位阀P3、P4(自动进样阀6和试剂选择阀17)的控制。三通阀控制模块与三通阀14相连包括第四功率模块Q24，从微处理器Ul发出信号经过第四功率模块Q24控制三通阀14 (图3中的P5)的切换。通信模块由USB接口 Pl组成，经过此USB接口实现仪器与外界的通信。数据存储模块由2GTF卡存储器U4组成，用来存储检测数据。光源和检测器模块由光电检测器13 (芯片U5)、恒流源U6和发光二极管(LI)组成，其中光电检测器13检测光强变化，输出不同频率的方波到微处理器Ul。发射波长为558nm的发光二极管作为光源11，由恒流源U6驱动。微处理器Ul还有内置程序存储器，用来储存仪器的控制程序。微处理器Ul的输入端分别与通信模块、数据存储模块、光源和检测器模块连接。微处理器Ul的输出端分别与蠕动泵控制模块、多通道切换阀控制模块、多位阀控制模块、三通阀控制模块和数据存储模块连接。各器件和原件的代号、参考型号及
参数如下:u1-微处理器 STM32F103VBT6 ；U2-RS485 接 口芯片 SP3485 ；U3-RS232
接口芯片MAX3232 ；U4——Kingston2GTF卡存储器；U5——可编程光频转换器TSL230RD ；Q21, Q22, Q23, Q24——第一至第四功率模块 IRFM210A ；P1——USB 通信口 min1-USB-B ；B21——保定兰格蠕动泵0EMBJ60-01/WX10 ；B22——保定兰格蠕动泵BT100-2J ；P2——八通阀 C22Z-3188H1 ;P3、P4-多位选择阀 C25Z-3188EMH ；P5-三通阀 100T3MP12-62。
[0040]八位选择阀作为自动进样阀6，其各个水样入口 7分别连接至各个待测水样或标准溶液，以自动选择待测的水样。水样在测定之前，不经过滤、直接加入盐酸酸化至PH值约1.7，并保存24小时，依此预处理测得的即为可溶态总铁，包含溶解态和部分颗粒态的铁。
[0041]所用试剂主要是菲咯嗪溶液和抗坏血酸溶液，分别装于显色剂试剂瓶22和还原剂试剂瓶23。其中，菲咯嗪溶液的浓度为0.01mol/L,配制于pH值为5.5的醋酸-醋酸铵缓冲液中，它能与Fe(II)发生络合显色反应，显色产物在562nm波长处具有最大吸收；抗坏血酸溶液的浓度为0.0Olmol/L，用于将水样中的Fe(III)还原成Fe(II)以测定水样中可溶态总铁的浓度。
[0042]测定水样时，分析仪首先处于图4的进样状态，即八通阀切换接通第一接口和第二接口，第三接口和第四接口，第五接口和第六接口，第七接口和第八接口。启动水样泵10将待测样经水样入口 7泵入分析仪，并通过切换三通阀14，使水样充满整个管路、混合体4和Z型的流通池12，多余的水样经废液出口 20排出，光电检测器13记录此时的光强作为空白光强并调整吸光度为零；与此同时，切换试剂选择阀17的阀位、连接至显色剂试剂瓶22，启动试剂泵18将菲咯嗪溶液泵入分析仪并充满试剂定量环19，多余的试剂经废液出口 20排出。切换八通阀9，使分析仪处于图5的混合/检测状态，即接通第一接口和第八接口，第二接口和第三接口，第四接口和第五接口，第六接口和第七接口。三通阀14连接至混合器上出液管2，启动水样泵10驱动水样与显色剂混合，使水样中的Fe(II)与菲咯嗪发生显色反应，生成紫红色络合物。混合反应60s后，停止水样泵10，切换八通阀9，使分析仪回到图4的进样状态，切换试剂选择阀17的阀位、连接至还原剂试剂瓶23，启动试剂泵18将抗坏血酸溶液泵入分析仪并充满试剂定量环19，多余的试剂经废液出口 20排出。切换八通阀9，分析仪处于图5的混合/检测状态，三通阀14连接至混合器上出液管2，启动水样泵10驱动试样与抗坏血酸混合，则Fe(III)被还原成Fe(II)并与菲咯嗪发生显色反应；混合反应120s后，切换三通阀14使试样从混合器下出液管3流入Z型流通池12，通过光电检测器13记录试样的吸光度，再代入标准工作曲线方程计算，即可确定水样中可溶态总铁的浓度。
[0043]得到的工作曲线 线性方程为A=0.0223C铁-0.0082 (R2=0.9988)，其中A为光电检测器13记录的吸光度，(?为可溶态总铁的浓度，单位ymol/L，线性范围在0.1Oymol/L-45 μ mol/L之间。用该仪器测得九龙江口表层水中可溶态总铁的浓度并与常规的手工添加试剂比色法测得的浓度对比，结果列于表1。拟合二者的线性关系，得y=0.9791x+0.0585(R2=0.9940)，其中y为本分析仪测得的浓度，X为常规比色法测得的浓度，由此可见本分析仪的检测结果与常规比色法的吻合程度良好。
[0044]表1本发明分析仪与常规比色法测定水中可溶态总铁的结果比较
【权利要求】
1.一种混合器，用于光度检测中实现试剂和水样的混合并消除流路中的气泡对分光光度检测的影响，其特征在于:包括进液管、混合体及与混合体内腔连通的上出液管和下出液管，该进液管一端由下而上竖直插入混合体并与其内腔连通，该上出液管与混合体顶部相连，该下出液管与混合体底部相连；该混合体内径为上大下小。
2.如权利要求1所述的一种混合器，其特征在于:所述混合体为圆锥形混合体。
3.如权利要求1所述的一种混合器，其特征在于:还包括T型三通，其一端与所述混合体底部连通，一端与下出液管连通，一端供所述进液管插入。
4.一种流通式光度检测自动化分析仪，包括机箱，其特征在于:还包括设置于机箱上的权利要求1至3所述的任一一种混合器，及自动进样阀、试剂选择阀、三通阀、试剂泵、水样泵、多通道切换阀、试剂定量环、分光检测装置和控制电路；自动进样阀的各个水样入口分别用于连接各个待测水样，中间的公共通道与多通道切换阀的第二连接口连接；水样泵的入口和出口分别与多通道切换阀的第一连接口和混合器的进液管连接；混合器的上出液管直接连至三通阀的第一连接口，下出液管连接至分光检测装置的液体入口，分光检测装置的液体出口连接至三通阀的第二连接口，三通阀的公共接口再连接至多通道切换阀的第四接口 ；多通道切换阀的第三接口用于连接废液瓶，试剂定量环的两端分别与多通道切换阀的第五、第八接口连接；试剂选择阀的各个试剂入口分别用于连接各个试剂瓶，其公共通道与多通道切换阀的第七接口连接；试剂泵的入口连接至多通道切换阀的第六接口，出口再连接至废液瓶。
5.如权利要求4所述的一种流通式光度检测自动化分析仪，其特征在于:所述自动进样阀和所述试剂选择阀可采用四位、八位或十六位选择阀，所述多通道切换阀采用八通阀。
6.如权利要求4所述的一种流通式光度检测自动化分析仪，其特征在于:所述分光检测装置包括光源、光电检测器和流通池；所述混合器的下出液管连接至流通池的液体入口，流通池的液体出口连接至三通阀的第二连接口，所述流通池的光学入口和出口分别连接至光源和光电检测器。
7.如权利要求6所述的一种流通式光度检测自动化分析仪，其特征在于:所述流通池为Z型或U型的流通池，其光程为lcm-15cm。
8.如权利要求6所述的一种流通式光度检测自动化分析仪，其特征在于:所述流通池为液芯波导长光程流通池，其光程为20cm-1000cm。
9.如权利要求4所述的一种流通式光度检测自动化分析仪，其特征在于:所述试剂定量环为环形管，用于量取并储存固定体积的试剂，其内径为0.25mm-2mm，长度为3cm_30cm。
10.如权利要求4所述的一种流通式光度检测自动化分析仪，其特征在于:所述控制电路包括微处理器、蠕动泵控制模块、多通道切换阀控制模块、多位阀控制模块、三通阀控制模块、通信模块、数据存储模块、光源和检测器模块；蠕动泵控制模块与所述试剂泵和水样泵相连；多通道切换阀控制模块与所述多通道切换阀相连，多位阀控制模块与所述自动进样阀和试剂选择阀相连，三通阀控制模块与所述三通阀相连；光源和检测器模块与所述分光检测装置相连；微处理器的输入端分别与通信模块、数据存储模块、光源和检测器模块连接；微处理器的输出端分别与蠕动泵控制模块、多通道切换阀控制模块、多位阀控制模块、三通阀控制模块和数据存储模块连接。
【文档编号】B01F5/00GK103785314SQ201410076336
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】黄勇明, 苏海涛, 袁东星, 李权龙 申请人:厦门大学