水質(zhì)分析多樣品自動(dòng)制備系統(tǒng)研究

尹衛(wèi)萍，劉秀寧，韓憲文

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036;2.南京賽佳環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210046)

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)分析自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

隨著中國環(huán)境管理工作的深入和力度的增大，環(huán)境監(jiān)測(cè)分析工作任務(wù)越來越繁重，樣品監(jiān)測(cè)分析的種類、數(shù)量大幅增多。因此，環(huán)境檢測(cè)分析化驗(yàn)工作的自動(dòng)化、現(xiàn)代化提上了日程。自動(dòng)分析化驗(yàn)是將分析技術(shù)人員從日常繁重復(fù)雜重復(fù)的工作中解脫出來的唯一途徑，是環(huán)境監(jiān)測(cè)工作發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)(laboratory automation systems，簡稱LAS)在國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門還是空白，目前從國家到各省市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、站尚無多樣品連續(xù)自動(dòng)分析能力，全國環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有一臺(tái)多樣品自動(dòng)分析儀器設(shè)備。環(huán)境監(jiān)測(cè)LAS的開端，是一項(xiàng)革命性轉(zhuǎn)變的起點(diǎn)，走出第一步是非常重要的。

一個(gè)典型的樣品分析過程，一般有4個(gè)步驟：樣品采集、樣品制備(預(yù)處理)、樣品測(cè)量、結(jié)果計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)室分析自動(dòng)化涵蓋的范圍很廣，一步完成全程自動(dòng)化并不現(xiàn)實(shí)，LAS一般都是通過分階段、分步驟實(shí)現(xiàn)的。樣品制備過程是正常分析過程中勞動(dòng)力最密集的一步，在分步實(shí)現(xiàn)LAS過程中，該過程自動(dòng)化是重要環(huán)節(jié)。

樣品制備包含較多內(nèi)容，而移液加液是其最基本的功能操作。現(xiàn)有國外樣品制備與定量移液產(chǎn)品一次只能加入一種藥液，且加液量偏少，一般為μL級(jí)。在用于環(huán)境常規(guī)指標(biāo)分析時(shí)，樣品容器常為大容量的錐形瓶，加液種類不止一項(xiàng)，加液量可能多達(dá)數(shù)十mL，這些特點(diǎn)使現(xiàn)有國外產(chǎn)品的應(yīng)用受到限制。筆者研發(fā)的多樣品自動(dòng)制備系統(tǒng)一次可自動(dòng)加入3種藥劑，定量加液量最大可達(dá)50 mL;樣品容器選用250 mL錐形瓶一次可制備30組，選用50 mL試管則可達(dá)208個(gè)。該產(chǎn)品的售價(jià)僅為同類進(jìn)口設(shè)備的十分之一，更適用于國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)分析。

2 多樣品自動(dòng)制備系統(tǒng)構(gòu)成

SGM—SP型多樣品自動(dòng)制備系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)全自動(dòng)移液工作站，工作站由三維工作平臺(tái)、定量加液器、盛液容器和控制系統(tǒng)4部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 制備系統(tǒng)原理

系統(tǒng)核心是一個(gè)機(jī)器人操作平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人的3個(gè)最常見的定位方式是：三維坐標(biāo)方式(笛卡爾型三個(gè)相互垂直的軸)、極軸坐標(biāo)方式(圍繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn))和擬人化方式(根據(jù)對(duì)象幾何特征進(jìn)行分析判斷的類似人類方式)。該設(shè)計(jì)采用的是笛卡爾坐標(biāo)系的三維工作平臺(tái)。

2.1 三維工作平臺(tái)

三維工作平臺(tái)是一個(gè)基于空間X軸、Y軸、Z軸移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。機(jī)械手操控加液頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移液加液操作。機(jī)械手X軸方向最大位移量為380 mm，Y軸方向最大位移量550 mm，Z軸方向最大位移量75 mm。特制的多孔平板被定位后放置在平臺(tái)上，多孔平板上放置若干錐形瓶(或試管)，其位置亦是固定的?？刂茩C(jī)械手的空間動(dòng)作，將加液頭準(zhǔn)確定位到平臺(tái)的需要位置，進(jìn)行移液加液操作。設(shè)計(jì)的X、Y、Z軸由4頭絲桿驅(qū)動(dòng)，絲桿螺距為2mm，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿，步進(jìn)電機(jī)步距角1.8°/脈沖，通過驅(qū)動(dòng)器細(xì)分輸出脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)為8時(shí)，位置控制精度即可達(dá)到0.005 mm，用于控制對(duì)置于平臺(tái)上的錐形瓶(或試管)加液，該機(jī)械手精度綽綽有余。

2.2 定量加液器

定量加液器完成從盛液容器中獲取一定量的液體(藥劑)轉(zhuǎn)移到樣品瓶(或樣品試管)中。定量加液器的物理位置居于盛液容器與樣品容器中間，巧妙地利用了盛液容器與樣品容器間液位差，通過電磁閥控制，不需外加動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加液。溶液定量的設(shè)計(jì)則利用了化學(xué)分析常用的胖肚吸管定量原理，定量標(biāo)線定在收縮管頸處，其精度可準(zhǔn)確到0.01 mL。加液器定量標(biāo)線在玻璃管收縮區(qū)，在該區(qū)進(jìn)行溶液液面光電檢測(cè)，液位信號(hào)控制電磁閥啟閉，實(shí)現(xiàn)精確定量。溶液定量在1～50 mL區(qū)間可任意設(shè)定，甚至可以定量到任意非整數(shù)值。定量加液器考慮了藥液的強(qiáng)腐蝕性與強(qiáng)氧化性，其輸送單元與管路采用的材料具有良好的隔離性能和抗腐蝕抗氧化性能。

2.3 盛液容器及儀器結(jié)構(gòu)

儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3層，盛液容器置于設(shè)備最高一層，用于存放待用藥劑，盛液容器選用棕色玻璃瓶。中間層為定量加液器，底層是分置待測(cè)樣品的錐形瓶(或試管)平板，平板置于三維工作平臺(tái)之上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3組盛液容器，可同時(shí)加置1～3種不同的藥劑，基本滿足一般物質(zhì)分析的樣品制備要求。對(duì)應(yīng)3組盛液容器，中間層有3組定量加液器，加液器出口匯集于收縮的加液頭。加液頭在三維工作平臺(tái)的控制下，可精準(zhǔn)到達(dá)XYZ軸的指定位置，對(duì)置于底層平臺(tái)上的樣品瓶(管)加液，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定量移液與加液操作。多孔平板為一矩形雙層平板，分為二種規(guī)格。一種是可以放置30個(gè)250 mL錐形瓶的30孔平板，一種是可放置208個(gè)50 mL玻璃試管的208孔平板，當(dāng)然也可以定制其他規(guī)格的樣品容器平臺(tái)。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心由西門子S 200系列的PLC和人機(jī)界面觸摸屏組成?？刂葡到y(tǒng)主要完成位置精準(zhǔn)定位和藥液精確定量兩大任務(wù)。

原點(diǎn)定位通過位置開關(guān)將控制系統(tǒng)的起始位置讀入PLC。每一個(gè)加液點(diǎn)的空間位置則由PLC輸出給X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)控制，由于其位置控制精度可達(dá)到0.005 mm，可精準(zhǔn)地完成加液頭向樣品瓶(管)的加液控制。平板XY軸放置的樣品瓶(管)數(shù)量、位置是可以任意的，在觸摸屏設(shè)置菜單中可設(shè)定全部放滿，也可設(shè)定任意間隔、數(shù)量放置。通過人機(jī)界面，PLC可獲得設(shè)定信息，控制加液頭在預(yù)定位置準(zhǔn)確加液。

定量加液也是通過PLC控制實(shí)現(xiàn)的。在定量加液器的上下部收縮管區(qū)設(shè)計(jì)放置了液面光電檢測(cè)器，將檢測(cè)到的液面變化信號(hào)讀入PLC，PLC控制開關(guān)相應(yīng)的電磁閥，實(shí)現(xiàn)藥液精確定量和自動(dòng)加置。PLC程序還設(shè)計(jì)了各種系統(tǒng)故障檢測(cè)處理功能。

3 系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用

目前，水質(zhì)COD、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮指標(biāo)是環(huán)境檢測(cè)監(jiān)控最重要的指標(biāo)，監(jiān)測(cè)站每日需要檢測(cè)分析的樣品數(shù)多達(dá)數(shù)十、數(shù)百個(gè)，甚至更多，這類常規(guī)指標(biāo)參數(shù)的分析自動(dòng)化是迫切需要解決的問題。

該系統(tǒng)用于水質(zhì) CODCr分析時(shí)，依據(jù) GB 11914—89標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣品制備。配制濃度0.250 mol/L重鉻酸鉀溶液、98%硫酸溶液和硫酸銀溶液，分別裝入盛液容器中(使用三組中的二組)，30孔平板上可放置盛有待測(cè)樣品的錐形三角燒瓶，系統(tǒng)工作時(shí)可自動(dòng)定量將10 mL重鉻酸鉀溶液和30 mL硫酸—硫酸銀溶液加入到樣品瓶中，一次制備樣品量可達(dá)30組。制備后的樣品再進(jìn)行回流消解與硫酸亞鐵銨溶液滴定測(cè)定操作。

二種藥劑定量移液準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，10次實(shí)驗(yàn)記錄見表1。

表1 二種藥劑定量移液準(zhǔn)確度

二組數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平均誤差分別為0.04 mL和0.14 mL，相對(duì)偏差分別為0.40%和0.47%，可滿足項(xiàng)目分析檢測(cè)要求。

該系統(tǒng)用于高錳酸鹽指數(shù)分析時(shí)，依據(jù)GB 11892—89標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣品制備。高錳酸鉀溶液和1+3硫酸溶液分別裝入盛液容器中(使用三組中的二組)，30孔平板上可放置盛有待測(cè)樣品的250 mL錐形三角燒瓶，系統(tǒng)工作時(shí)可自動(dòng)定量將10 mL高錳酸鉀溶液和5 mL硫酸1+3溶液加入到樣品瓶中，一次制備樣品量可達(dá)30組。制備后的樣品再進(jìn)行水浴加熱與草酸鈉溶液滴定測(cè)定等操作。

該系統(tǒng)亦可用于對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)分析檢測(cè)時(shí)進(jìn)行樣品自動(dòng)制備。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的應(yīng)用將分析人員從日常大量重復(fù)的人工操作中解放出來，大大減少工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省分析時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)能夠減少分析人員接觸有毒或污染溶液的機(jī)會(huì)，幫助實(shí)驗(yàn)人員完成危險(xiǎn)工作。由于是電腦控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量移液加液過程，減少了人為誤差和重復(fù)誤差，提高分析結(jié)果準(zhǔn)確性。且該系統(tǒng)應(yīng)用靈活，可適應(yīng)各種條件的操作，可用于燒瓶、試管等不同樣品容器，可對(duì)整板、單孔、一排、一列、甚至任意放置的樣品容器進(jìn)行移液加液操作。

水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)分析全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的技術(shù)難度很大，該系統(tǒng)的研究作為環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化分析的起步，具有開創(chuàng)性的意義。