专利名称：深海微量离子浓度原位探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及深海探测机电装备领域，尤其涉及一种可长期驻留在深海环境下原位探测海水离子浓度的深海微量离子浓度原位探测系统。
背景技术：
深海海水中铁、锰、铜、钴、铝等微量元素的浓度变化可以影响海水中叶绿体光和作用、动植物呼吸作用、生物合成以及还原硝酸盐、亚硝酸盐等过程，从而影响海洋生态平衡以及全球环境中的碳循环，探测深海海水中微量元素的浓度成为国际海洋界关注的焦点。传统的海水微量元素的探测方法是利用调查船定时或不定时进行采样，对样本进行预处理后密封低温储存，然后转移至陆地实验室进行化学检测；或者采集样本后在海船上进行检测。两种方法都需要投入大量的人力和物力，同时样本的采样、预处理、储存环节中可能引入污染物，沾污样本从而不能反映离子浓度真实值；此两种方法的另一个不足是只能获得离散有限的数据而无法获得高空间和时间分辨率的实时数据。此外，由于海水中微量元素极低的含量，传统方法在检测时需要对样本进行预浓缩或预富集处理，增加了检测的操作环节，需要消耗大量的海水样本，且检测效率也不高。因此，研究操作简单、分析快速、 灵敏度高、检测限低的深海微量元素原位探测系统是海洋地球化学探测的发展方向。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种深海微量离子浓度原位探测系统，本发明操作简单，分析快速，灵敏度高，检测限低，具有自维护冲洗和标定功能，可长期驻留在深海环境下原位探测海水微量离子浓度。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种深海微量离子浓度原位探测系统，它包括液路系统和控制系统；其中，
所述液路系统包括七个试剂袋、八个过滤网、八个电磁阀、电磁阀座、三个计量泵、二个化学反应线圈、二个光液耦合器、液芯波导管、检测仪和光源等；其中，第一试剂袋I与第一电磁阀的入口相连，第二试剂袋与第二电磁阀的入口相连，第三试剂袋与第三电磁阀的入口相连，第四试剂袋与第五电磁阀的入口相连，第五试剂袋与第六电磁阀的入口相连，第六试剂袋与第七电磁阀的入口相连，第七试剂袋与第八电磁阀的入口相连，每个电磁阀的入口处均装有过滤网，第一电磁阀和第二电磁阀的出口均与第一计量泵的入口相连，第三电磁阀的出口与第二计量泵的入口相连，第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀和第八电磁阀的出口均与第三计量泵的入口相连，八个电磁阀都安装在电磁阀座上；第二计量泵和第三计量泵的出口均与第一化学反应线圈的一端相连，第一化学反应线圈的另一端和第一计量泵的出口均与第二化学反应线圈的一端相连，第二化学反应线圈的另一端与第一光液稱合器、液芯波导管、第二光液稱合器依次相连，第一光液稱合器通过光纤与光源相连，第二光液耦合器通过光纤与检测仪相连；
所述控制系统包括控制器单元、实时时钟、存储卡、数字采集卡、供能模块、电源转换模块和泵阀控制板等；所述供能模块通过电源转换模块向控制器单元和泵阀控制板供电， 实时时钟和存储卡均与控制器单元相连，液路系统的光源、八个电磁阀和三个计量泵均与泵阀控制板相连，泵阀控制板与数字采集卡相连，数字采集卡和液路系统的检测仪均通过 USB接口与控制器单元相连。本发明的有益效果在于本发明的深海微量离子浓度原位探测系统采用液芯波导管增加光线的光程长度，大幅度提高样本检测的灵敏度以及降低检测限而无需传统探测方法的预浓缩或预富集环节，简化了液路系统设计，提高了样本处理量；采用流动注射分析技术作为自动化连续流动分析方法，具有标定、探测、冲洗、待机四个工作模式，使系统具有自维护冲洗和标定功能，可长期驻留在深海环境下进行探测。
图I是本发明的液路系统不意图2是本发明的控制系统示意图中，第一试剂袋I、第二试剂袋2、第三试剂袋3、第四试剂袋4、第五试剂袋5、第六试剂袋6、第七试剂袋7、过滤网8、第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀 12、第五电磁阀13、第六电磁阀14、第七电磁阀15、第八电磁阀16、电磁阀座17、第一计量泵 18、第二计量泵19、第三计量泵20、第一化学反应线圈21、第二化学反应线圈22、液芯波导管23、第一光液稱合器24、第二光液稱合器25、检测仪26、光源27。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细的论述。本发明的深海微量离子浓度原位探测系统包括图I所示的液路系统和图2所示的控制系统。参照图1，液路系统包括七个试剂袋、八个过滤网、八个电磁阀、电磁阀座17、三个计量泵、二个化学反应线圈、二个光液耦合器、液芯波导管23、检测仪26和光源27。其中，第一试剂袋I与第一电磁阀9的入口相连,第二试剂袋2与第二电磁阀10的入口相连, 第三试剂袋3与第三电磁阀11的入口相连，第四试剂袋4与第五电磁阀13的入口相连，第五试剂袋5与第六电磁阀14的入口相连,第六试剂袋6与第七电磁阀15的入口相连,第七试剂袋7与第八电磁阀16的入口相连，每个电磁阀的入口处均装有过滤网8，第一电磁阀9 和第二电磁阀10的出口均与第一计量泵18的入口相连，第三电磁阀11的出口与第二计量泵19的入口相连，第四电磁阀12、第五电磁阀13、第六电磁阀14、第七电磁阀15和第八电磁阀16的出口均与第三计量泵20的入口相连，八个电磁阀都安装在电磁阀座17上，与电磁阀座17 —起实现对试剂和样本的组合和控制，第二计量泵19和第三计量泵20的出口均与第一化学反应线圈21的一端相连，第一化学反应线圈21的另一端和第一计量泵18的出口均与第二化学反应线圈22的一端相连，第二化学反应线圈22的另一端与第一光液耦合器24、液芯波导管23、第二光液稱合器25依次相连,第一光液稱合器24通过光纤与光源27 相连，第二光液耦合器25通过光纤与检测仪26相连。参照图2，控制系统包括控制器单元、实时时钟、存储卡、数字采集卡、供能模块、 电源转换模块和泵阀控制板；供能模块通过电源转换模块向控制器单元和泵阀控制板供电，实时时钟和存储卡均与控制器单元相连，液路系统的光源、八个电磁阀和三个计量泵均与泵阀控制板相连，泵阀控制板与数字采集卡相连，数字采集卡和液路系统的检测仪均通过USB接口与控制器单元相连。控制器单元上具有多个USB接口、多个串口接口和多个网络接口 ；实时时钟提供实时时钟，提供标准的探测时间信息及系统探测的时序定时基准；数字采集卡通过USB接口和控制器单元相连，由控制器单元控制，输出数字信号；检测仪通过USB接口和控制器单元相连，受控制器单元控制并将采集数据储存到存储卡中；泵阀控制板根据数字采集卡的数字信号控制泵、阀、光源的开关以及泵的流量；控制器单元可通过串口协议或网络通讯协议(TCP/IP协议)接收外部控制器的指令，也可将采集到的数据通过串口协议或网络通讯协议传输给外部控制器。下面以检测海水中三价铁离子浓度和亚铁离子浓度为实例阐述本发明的工作过程配比三份标准液，分别装入第五试剂袋5、第六试剂袋6和第七试剂袋7中，第一份标准液中三价铁离子浓度和亚铁离子浓度均为O. lnmol/L，第二份标准液中三价铁离子浓度和亚铁离子浓度均为O. 5nmol/L,第三份标准液中三价铁离子浓度和亚铁离子浓度均为 1.0nmol/L。淋洗液是电阻率为18. 2MΩ *cm的超纯水，装入第四试剂袋4中。第一份试剂是浓度为O. 01mol/L的抗坏血酸，装入第三试剂袋3中，用于还原待测海水中的三价铁离子为亚铁离子。第二份试剂是浓度为0. 005g/ml的菲咯嗪(C20H13N4NA06S2 ·Η20)，装入第二试剂袋2内，缓冲液为醋酸钠与冰醋酸按一定比例混合稀释得到，酸碱度值为ρΗ=5. 5，装入第一试剂袋I内。设定第三计量泵20的流量为0. 8ml/min，第一计量泵18和第二计量泵 19流量为0. 3ml/min。在检测前运用已知三价铁离子和亚铁离子浓度的标准液对系统进行标定，经过数值计算与处理得到标定曲线，然后检测待测海水的三价铁离子和亚铁浓度，且针对检测离子的不同，标定操作的步骤也不同；标定完成后，依照程序设定的操作步骤检测离子浓度；在对每一个样本进行检测完成后都要对系统进行冲洗操作，冲刷留在系统管路壁的样本，减少样本残留带来的检测误差。系统标定标定三价铁离子时，开机打开光源和检测仪并使所有泵阀处于初始状态，开第八电磁阀16、第三电磁阀11、第二计量泵19和第三计量泵20，将第一份标准液和抗坏血酸泵入第一化学反应线圈21混合反应，混合液被泵入到第二化学反应线圈22后开第一电磁阀9、第二电磁阀10和第一计量泵18，将缓冲液和菲咯嗪试剂泵入第二化学反应线圈22与已有混合液混合，当化学反应发生完全后将混合液泵入到液芯波导管23，此时检测仪采集检测信号并储存，系统冲洗完成后使所有泵阀处于初始状态。重复以上过程直至得到三份标准液三价铁离子的检测信号，根据三份标准液的三价铁离子浓度和对应的检测信号，控制器单元绘制标定曲线并保存，三价铁离子标定完成；标定亚铁离子时，开第八电磁阀16和第三计量泵20，将第一份标准液被泵入第二化学反应线圈22后开第一电磁阀9、第二电磁阀10和第一计量泵18，将缓冲液和菲咯嗪试剂泵入第二化学反应线圈22与已有标准液混合，当化学反应发生完全后将混合液泵入到液芯波导管23，此时检测仪采集检测信号并储存，系统冲洗完成后使所有泵阀处于初始状态。重复以上过程直至得到三份标准液亚铁离子的检测信号，根据三份标准液的亚铁离子浓度和对应的检测信号控制器单元绘制标定曲线并保存，亚铁尚子标定完成。系统检测检测三价铁离子浓度时，开第四电磁阀12、第三电磁阀11、第二计量泵19和第三计量泵20，将待测海水和抗坏血酸泵入第一化学反应线圈21混合反应，混合液被泵入到第二化学反应线圈22后开第一电磁阀9、第二电磁阀10和第一计量泵18，将缓冲液和菲咯嗪试剂被泵入第二化学反应线圈22与已有待测海水混合，当化学反应发生完全后将混合液泵入液芯波导管23，此时检测仪采集检测信号，控制器单元根据标定曲线分析得到待测海水中三价铁离子浓度，系统冲洗完成后使所有泵阀处于初始状态。检测亚铁离子浓度时，开第四电磁阀12和第三计量泵20，将待测海水泵入第二化学反应线圈22后开第一电磁阀9、第二电磁阀10和第一计量泵18，将缓冲液和菲咯嗪试剂泵入第二化学反应线圈 22与已有待测海水混合，当化学反应发生完全后将混合液泵入液芯波导管23，此时检测仪采集检测信号，控制器单元根据标定曲线分析得到待测海水中亚铁离子浓度，系统冲洗完成后使所有泵阀处于初始状态。在该实施例中，过滤网8的孔直径为O. 45ΜΠ1，小于系统中所有孔的直径，可有效防止海水或试剂中的微小颗粒物进入液路系统，防止阻塞；液芯波导管23为5米长的外层包裹有折射率比水低的特氟龙(Teflon AF 2400)材料的石英管，用来增加光线的光程长度， 灵敏度是传统10厘米宽比色皿的500倍，同时，液芯波导管23的内径仅为550Mm，5米长的液芯波导管的总体积也不过I. 25mL，样本与试剂的消耗量很少；第一化学反应线圈21和第二化学反应线圈22为螺旋环绕的管路，有些内部含玻璃弹珠，是试剂与样本混合与反应的主要场所；第一光液耦合器24和第二光液耦合器25是将混合液与光线同时导入或导出液芯波导管23的连接接口。光纤传递从光源射出的光线和射入到检测仪的光线；所有管路为 FEP 特富龙(Teflon)材料，外径为 I. 58mm (1/16〃)，内径为 O. 57mm (0.03〃)。
权利要求
1.一种深海微量离子浓度原位探测系统，其特征在于，它包括液路系统和控制系统; 其中，所述液路系统包括七个试剂袋、八个过滤网、八个电磁阀、电磁阀座(17)、三个计量泵、二个化学反应线圈、二个光液耦合器、液芯波导管(23)、检测仪(26)和光源(27)等；其中，第一试剂袋I与第一电磁阀(9)的入口相连,第二试剂袋(2)与第二电磁阀(10)的入口相连，第三试剂袋(3)与第三电磁阀(11)的入口相连，第四试剂袋(4)与第五电磁阀(13) 的入口相连，第五试剂袋(5)与第六电磁阀(14)的入口相连，第六试剂袋(6)与第七电磁阀 (15)的入口相连，第七试剂袋(7)与第八电磁阀(16)的入口相连，每个电磁阀的入口处均装有过滤网(8 )，第一电磁阀(9 )和第二电磁阀(10 )的出口均与第一计量泵(18 )的入口相连，第三电磁阀(11)的出口与第二计量泵(19)的入口相连，第四电磁阀(12)、第五电磁阀 (13)、第六电磁阀(14)、第七电磁阀(15)和第八电磁阀(16)的出口均与第三计量泵(20)的入口相连，八个电磁阀都安装在电磁阀座(17)上；第二计量泵(19)和第三计量泵(20)的出口均与第一化学反应线圈(21)的一端相连，第一化学反应线圈(21)的另一端和第一计量泵(18)的出口均与第二化学反应线圈(22)的一端相连，第二化学反应线圈(22)的另一端与第一光液稱合器(24)、液芯波导管(23)、第二光液稱合器(25)依次相连,第一光液I禹合器(24)通过光纤与光源(27)相连，第二光液耦合器(25)通过光纤与检测仪(26)相连；所述控制系统包括控制器单元、实时时钟、存储卡、数字采集卡、供能模块、电源转换模块和泵阀控制板等；所述供能模块通过电源转换模块向控制器单元和泵阀控制板供电，实时时钟和存储卡均与控制器单元相连，液路系统的光源、八个电磁阀和三个计量泵均与泵阀控制板相连，泵阀控制板与数字采集卡相连，数字采集卡和液路系统的检测仪均通过USB接口与控制器单元相连。
全文摘要
本发明涉及深海微量离子浓度原位探测系统，包括液路系统和控制系统两个子系统。该系统采用流动注射分析技术作为自动化连续流动分析方法，实现进样、混合反应、探测的自动化，且系统具有标定、探测、冲洗、待机四个工作模式，实现自维护冲洗和标定，可长期驻留在深海环境下进行原位探测。采用5米长液芯波导管作为系统的检测池，减少传统检测方法中的预浓缩或预富集环节，简化了系统，同时提高检测效率，降低样本消耗量，有效增加系统的灵敏度并降低检测限，适用于检测深海微量元素。
文档编号G01N35/08GK102590540SQ201210033580
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者金波, 陈志伟, 陈鹰 申请人:浙江大学