气相-色谱质谱仪的自动进样装置及自动进样方法

本发明属于检测装置领域，涉及一种气相-色谱质谱仪的自动进样装置及自动进样方法。

背景技术：

1、气相-色谱质谱仪在高真空条件下将多组分混合物气相色谱气化、分离，各组分进入质谱仪后形成系列不同质荷比的带电离子，进而经质量分析器分离，最后由检测器检测离子束流转变的电信号，再由计算机分析获得物质谱图，实现对复杂组份的分离与鉴定。气相色谱质谱仪具有高分辨率、高灵敏度、信息量大、分析速度快等优点，业已成为分析化学、生物医药、环境监测等现代科学分析领域中必不可少的仪器之一。

2、然而，现有的气相-色谱质谱仪存在诸多问题，尤其是气相色谱质谱仪的进样过程。在实验操作时，操作人员大多手动地将进样针插入质谱仪的进样口中，这种手动进样的方式无法保证进样针在进样口的角度、深度、按压力度完全一致，从而导致进样量的不均匀和不稳定，影响检测精度。此外，手动进样使得操作过程十分繁琐，不适用于高通量的检测场景。

3、诚然，目前已出现用于气相-色谱质谱仪的自动进样装置以精准控制进样参数，从而提高重复操作的准确性和便捷性。然而，现有的自动进样装置所提供的夹持力无法自动适应针筒的不同管径，这可能导致夹持不稳、夹持过当而损坏样本等情况发生，因此操作人员只能对不同规格的进样针样本设定不同的夹持参数。不仅如此，现有的自动进样装置还不具备调节进样针夹持姿态的能力，尤其是无法自动控制进样针的夹持高度和夹持角度，甚至需要操作人员手动保持进样针在置入自动进样装置时的高度和角度一致。可见，现有的自动进样装置仍然存在操作不便的缺陷，在对样品进行高通量分析时依然存在较大的局限性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气相-色谱质谱仪的自动进样装置及自动进样方法，以自动适应不同规格的进样针并自动调节进样针姿态，提高检测效率和操作便捷性。

2、为达到上述目的，本发明提供一种气相-色谱质谱仪自动进样装置，布置于质谱仪的进样口上方，用于将进样针定位至进样口正中心。

3、优选地，自动进样装置包括用于搭载各机构的支撑机构，其包括升降机架、底板和控制面板。底板设置于进样口上方，其上开设与质谱仪的进样口大小相同的通孔，以使得进样口得以从通孔中露出。升降机架垂直连接于底板，控制面板设置在底板与升降机架相对的一侧并面向操作人员。进一步地，自动进样装置的主控制器设置于控制面板中，操作人员通过控制面板控制自动进样装置的启闭及调节进样参数。

4、优选地，自动进样装置包括升降机架以及设置在其上的夹持保持机构、针筒纠偏机构和针尖纠偏机构。

5、优选地，用于为进样针提供夹持力的夹持保持机构设置于进样口正上方，用于调节进样针进样姿态的针筒纠偏机构和针尖纠偏机构分别设置于夹持保持机构的正上方和正下方。

6、优选地，夹持保持机构包括第一夹板和以沿第一方向靠近或远离第一夹板的方式设置的第二夹板，第一夹板和第二夹板端部设置有第一压力传感器和第二压力传感器以检测第一夹板和第二夹板为进样针提供的夹持力。

7、进一步地，第一触头和第二触头通过第一压簧和第二压簧弹力连接于第一夹板和第二夹板端部，第一压力传感器和第二压力传感器分别与第一压簧和第二压簧相连以检测第一夹板和第二夹板为进样针提供的夹持力。

8、在初始状态(即装置未开启的状态)下，第一夹板和第二夹板在第一方向上的距离最远。当进样针被置于第一触头和第二触头之间时，第一夹板和第二夹板彼此靠近，使得第一触头和第二触头逐渐靠近并夹住进样针。在第一触头和第二触头夹紧进样针的过程中，第一压簧和第二压簧被逐渐压缩，第一压力传感器和第二压力传感器实时检测压簧压力，压力也即第一夹板和第二夹板为进样针提供的夹持力。当夹持力达到预设值时，第一夹板和第二夹板停止运动并保持当前的夹持状态。

9、优选地，针筒纠偏机构包括第一推板、第二推板和第三推板，其中，第一推板、第二推板和第三推板一端由楔形板连接，第三推板的另一端连接至动力源以带动第一推板和第二推板在第一方向上彼此靠近或远离，动力源优选为电机，尤其是直线电机。进一步地，第一推板、第二推板的另一端分别接有第二拉力传感器和第一拉力传感器以检测第一推板和第二推板为进样针提供的矫正力。

10、若进样针完全垂直于进样口，则进样针与第一推板和第二推板端头的接触力仅为第一推板和第二推板提供的沿第一方向垂直于进样针轴线的压力。若进样针在第二方向上发生偏转，则进样针本身的重力将有一部分作用在第一推板和第二推板的端头上，为保持夹持平衡，第一推板和第二推板对进样针施加的压力将增加。第一推板和第二推板对进样针的压力变化将体现在第一拉簧和第二拉簧的弹力变化上，拉簧的弹力即为第一推板和第二推板为进样针提供的矫正力。在不断扶正进样针的过程中，第一拉簧和第二拉簧的弹力不断减小，直至进样针被完全扶正，第一拉簧和第二拉簧的弹力将稳定在某一特定值。由于不同管径的进样针对第一拉簧和第二拉簧的压缩程度不同，因此以第一拉簧和第二拉簧的弹力变化值为纠偏判断标准更为准确，当第一拉力传感器和第二拉力传感器检测到的矫正力变化值小于或等于预设变化值时，表明进样针被完全扶正。

11、优选地，针尖纠偏机构包括竖直滑动的纠偏推座，纠偏推座表面水平地伸出纠偏梳板，纠偏梳板的尖端开设用于容置进样针针尖的通槽。当针筒纠偏机构完成动作后，纠偏推座垂直向下运动，纠偏推座上的纠偏梳板在向下运动的过程中梳正进样针的针尖，以确保进样针的针尖为竖直状态。

12、优选地，在纠偏梳板尖端附近设置第一距离传感器以监测自身与进样针针尖的距离。

13、当纠正梳板刚好掠过针尖时，第一距离传感器监测值突然增大，此时纠正推座停止运动，将纠正推座的运动距离记为d1，由于纠正推座与进样口的设计距离为d0，d0-d1即为进样针针尖与进样口的实际距离。

14、优选地，自动进样装置还包括竖直地布置于夹持保持机构正上方的夹持按压机构，其包括竖直运动的按压支架以及用于夹持或按压进样针的活塞棒的第一夹臂和第二夹臂。

15、优选地，第一夹臂和第二夹臂铰接于按压支架的两侧，当按压支架向下运动第一距离时，第一夹臂和第二夹臂向内旋转以夹住进样针的活塞棒；当按压支架继续向下运动第二距离时，第一夹臂和第二夹臂按压活进样针的活塞棒以推动进样针内的样品进入进样口中。

16、优选地，若检测样品为气体样品，则进样针采用气动进样针。第一夹臂和第二夹臂夹住进样针的活塞棒后，升降机架整体向下运动d2以使得进样针的针尖与进样口接触，此时d2＝d0-d1。而后按压支架整体向下运动第二距离以按压进样针的活塞棒，使得进样针内的金属丝从针尖伸入进样口中，从而将附着在金属丝上的样品推入进样口中。

17、优选地，若检测样品为液体样品，则进样针采用微量注射器。第一夹臂和第二夹臂夹住进样针的活塞棒后，升降机架整体向下运动d2以达到设定的进样深度，此时d2≥d0-d1，设定的进样深度为d2-d0-d1。而后按压支架整体向下运动第二距离以按压进样针的活塞棒，使得进样针内的液体被注入进样口中。

18、优选地，自动进样装置还包括设置于进样口旁侧的预夹持机构，预夹持机构包括至少两组成对布置的第一滑块以为进样针提供分段夹持力。由于预夹持机构提供了分段夹持力，操作人员无需寻找针筒上的夹持平衡点便可使进样针稳定地被夹持，使得操作人员的操作流程更简单、更方便。

19、进一步地，第一滑块成对布置于第一安装座上，一对第一滑块彼此靠近的侧边垂直于第一安装座板面向外弯折以形成用于夹持进样针的预夹持夹板。

20、预夹持机构的第一安装座上安装有若干根第一导轨，第一滑块成对地滑动连接至第一导轨上。进一步地，弹簧挡块固设在第一导轨的尽头以限制第一滑块在第一导轨上的最远运动距离。弹簧一端与第一滑块相连，另一端与弹簧挡块相连。在初始状态下，两个第一滑块彼此贴靠，当操作人员将进样针卡入两个第一滑块形成的预夹持夹板中时，两个第一滑块在第一导轨上滑动并互相远离，同时使得弹簧被压缩。在弹簧提供的回弹力作用下，位于进样针两侧的第一滑块夹住进样针，进样针能够被保持于预夹持夹板中。

21、优选地，自动进样装置还包括转运机构，转运机构包括用于容置预夹持机构和进给机构的转盘上板和转盘下板。

22、优选地，预夹持机构连接于转盘上板和转盘下板之间并随二者同步旋转，进给机构的第二直线电机设置在转盘下板上，其输出轴连接至预夹持机构以将预夹持机构推送至进样口上方。

23、优选地，转盘上板和转盘下板均开设容置凹槽，以便于操作人员沿容置凹槽将进样针卡入预夹持机构中。在初始状态下，预夹持机构面向操作人员，当操作人员将进样针卡入预夹持机构后，转盘上板和转盘下板同步旋转，以将进样针从面向操作人员的一侧旋转至面向进样口的一侧。

24、优选地，转运机构设置于进样口旁侧，转运机构的转盘下板旁侧设置有沿转盘下板径向运动的纠偏导块，转盘下板边缘设置有定位凹槽，纠偏导块端部形状与定位凹槽形状相对应。进一步地，纠偏导块的端部嵌入至少一个沿纠偏导块边缘分布的纠偏滚柱以校准调节转盘下板的旋转角度。

25、更进一步地，容置凹槽优选设置在转盘下板的第一对称轴上，定位凹槽优选设置在与第一对称轴成45°夹角的第二对称轴上。

26、操作人员将进样针置入预夹持机构后，转盘旋转180°以使得进样针大致对准进样口。而后纠偏导块沿第二对称轴向前运动直至完全进入定位凹槽中。若容置凹槽并未精准对齐进样口，纠偏导块则无法完全进入定位凹槽中，也即纠偏导块在第二对称轴上的行程未达到预设。此时，纠偏导块对转盘下板的施加的沿第二对称轴的推力转换为每一个纠偏滚柱与定位凹槽接触面的切向力，进而推动转盘下板发生微小的旋转，直至纠偏导块和定位凹槽的轴线完全重合，纠偏导块完全嵌入定位凹槽中，此时纠偏导块在第二对称轴上的行程达到预设，表明转盘下板完成精准定位。

27、优选地，进给机构设置于预夹持机构旁侧，其通过第二直线电机的输出轴连接至预夹持机构的第一安装座。进给机构包括分列于转盘上板和转盘下板的相对的侧面的若干根第三导轨，预夹持机构的第一安装座滑动连接于第三导轨上，第三导轨沿第一对称轴方向延伸出转盘上板和转盘下板直至进样口的中心，以使得在预夹持机构上的进样针能够沿第三导轨被推送至进样口的正上方。

28、本发明还提供一种气相-色谱质谱仪的自动进样方法，应用于前述的自动进样装置，包括以下步骤：

29、s1：将进样针卡入预夹持机构的预夹持夹板中；

30、s2：转运机构旋转以将进样针对正进样口中心；

31、s21：转运机构旋转180°以使得进样针基本对准进样口中心；

32、s22：纠偏导块沿转盘下板的径向向前运动直至其端部完全嵌入定位凹槽，纠偏滚柱校准转盘下板的旋转角度以使得进样针对正进样口中心，纠偏导块的运动方向优选为转盘下板的第二对称轴方向。

33、s3：进给机构将进样针推送至进样口的正上方；

34、s4：夹持保持机构接收进样针并按照设定的夹持力夹持进样针；

35、s41：第一夹头和第二夹头靠近进样针以使得第一压簧和第二压簧被压缩；

36、s42：当第一压力传感器、第二压力传感器检测到的夹持力达到预设值时，夹持保持机构停止动作。

37、s5：针筒纠偏机构扶正进样针的针筒，当第一拉力传感器和第二拉力传感器检测到的矫正力变化值小于或等于预设变化值时停止动作；

38、s6：针尖纠偏机构保持进样针的针尖竖直并测定针尖与进样口的距离；

39、s61：纠偏推座竖直向下运动以使得其上的纠偏梳板竖直向下梳正进样针的针尖，从而保持进样针的针尖为竖直状态；

40、s62：基于第一距离传感器的监测值增大时刻纠正推座的运动距离d1，获得进样针针尖与进样口的实际距离d0-d1，d1为纠正推座与进样口的设计距离。

41、s7：按照设定的进样参数将样品注入进样口中；

42、s71：升降机架整体向下运动d2以使得进样针的针尖与进样口接触或进入进样口内，d2≥d0-d1；

43、s72：按压支架整体向下运动第二距离，使得样品被注入进样口中；

44、若检测样品为气体样品，升降机架整体向下运动d2以使得进样针的针尖与进样口接触，此时d2＝d0-d1；

45、若检测样品为液体样品，升降机架整体向下运动d2以使得进样针以进入进样口内，此时d2＞d0-d1。需说明的是，d2由操作人员根据实际检测需求而设定，也即d2在阈值范围内可被无极调节，以使得进样针在进样口中的实际位置可以被精准设定并被无极控制。

46、s8：气相-色谱质谱仪开始检测，所有执行机构按照相反的操作顺序出样并回归其各自的原始位置。

47、本发明的有益效果在于：

48、使用本发明提供的自动进样装置和自动进样方法时，操作人员无需在使用不同规格的进样针时更换相应尺寸的夹持零件或设定相应的夹持参数，在预夹持机构、夹持机构、针筒纠偏机构和针尖纠偏机构的配合作用下就能够实现对不同管径、不同长度的进样针的自适应夹持，提高检测效率和操作便捷性。

49、再者，操作人员无需考虑将进样针置入预夹持机构时的置入高度，针尖纠偏机构和按压机构能够根据传感器实测的数据精准控制按压深度(即进样量)和进样深度，以实现统一的、精确的进样操作，通过这种机械精准控制的方式，不仅能极大提高实验效率，也能尽量避免了人工误差，保证了更优良、更统一的检测结果，满足高精度检测的要求。

50、另外，夹持保持机构和针筒纠偏机构从第一方向和第二方向共同保持进样针针筒的竖直度，针尖纠偏机构则进一步保证进样针针尖竖直对齐进样口。因此，相较于现有的自动进样装置，本发明的自动进样装置从不同方向对进样针的不同部位进行了多级定位，使得进样针保持标准的进样姿态，从而进一步提高了实验结果的准确性和可靠性。

51、除此之外，夹持按压机构能够精准地无极调节进样针的进样深度、进样速度和进样量。尤其是对于液体样本来说，进样针的针筒刻度显示的体积并非针筒内容纳的全部液体体积，当进样针被推到刻度0时，针头内部仍然残存少量的液体。在气相色谱质谱仪进样时，当进样针针头插入进样口后，针头残存的液体也会受热气化，从而导致实际注入的样品存在误差。而误差程度则取决于受热时间，进样针的进样速度越慢，针头内部残存的液体气化量越大，进入质谱仪的样品组成与原始样品的偏差越大。因此，只有保证进样针针头在进样口内停留的时间足够短，才能尽可能地避免样品失真。而本发明的夹持按压机构能够精准控制进样针的插入速度、推注速度和拔出速度，使得进样操作精准规范，极大地减小样品误差，从而提高实验精度。

52、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。