基于圖像識(shí)別全自動(dòng)真空趕酸儀的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用*

倪晨杰，王欣美，江成徳，吳思霖，陸優(yōu)蘭

(1 上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司，上海 201108；2 上海市食品藥品檢驗(yàn)研究院，國(guó)家藥監(jiān)局化妝品監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

濕法消解是元素分析中常用的手段，經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸消解后的樣品在引入后端儀器分析前需要對(duì)酸度進(jìn)行控制。利用電加熱板常壓趕酸是常用的降低樣品酸度的手段。不充分的趕酸不僅會(huì)導(dǎo)致元素測(cè)試時(shí)背景過(guò)高，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，同時(shí)也會(huì)降低后端分析儀器的使用壽命。不同的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)趕酸終點(diǎn)的要求的也不盡相同，例如：在食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)重金屬檢測(cè)中，要求定容前將樣品趕酸至1 mL左右[1]；而在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中則要求樣品在消解完成后，在溫控加熱設(shè)備上以微沸的狀態(tài)對(duì)樣品進(jìn)行趕酸處理，直至粘稠狀[2]。常壓趕酸有許多缺點(diǎn)，例如耗時(shí)、高溫趕酸易導(dǎo)致元素?fù)p失，終點(diǎn)判斷困難、對(duì)環(huán)境不友好等。

近年來(lái)圖像識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生活以及科研等領(lǐng)域中[3]，通過(guò)建立相應(yīng)的算法模型，可以將過(guò)去需要依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)處理的步驟轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)處理；這不僅可以顯著提升判斷的準(zhǔn)確度還能節(jié)省人力[4]。對(duì)于常壓趕酸耗時(shí)，容易造成元素?fù)p失等缺點(diǎn)，則可以通過(guò)提高真空度，即在負(fù)壓下完成趕酸來(lái)解決。負(fù)壓可顯著降低化合物的沸點(diǎn)，對(duì)于無(wú)機(jī)酸來(lái)說(shuō)，降低沸點(diǎn)可以降低趕酸溫度，并且可以有效減少易揮發(fā)無(wú)機(jī)元素的損失，為元素測(cè)試的準(zhǔn)確度提供保障[5]。

基于圖像識(shí)別自動(dòng)真空趕酸儀的開(kāi)發(fā)，依托圖像識(shí)別與控制真空度兩項(xiàng)技術(shù)，不僅可以解決終點(diǎn)判斷、元素?fù)p失，常壓趕酸耗時(shí)等缺點(diǎn)，同時(shí)利用提高真空度還可以顯著加快趕酸速率，提升實(shí)驗(yàn)效率，具有廣闊的市場(chǎng)前景與應(yīng)用需求。

1 圖像識(shí)別實(shí)現(xiàn)原理

基于圖像識(shí)別自動(dòng)真空趕酸儀利用熱成像探頭同時(shí)對(duì)溫度與圖像進(jìn)行識(shí)別。紅外熱成像傳感器原理在于其能收集來(lái)自場(chǎng)景中物體的紅外輻射，檢測(cè)拍攝范圍內(nèi)各個(gè)位置溫度的差異信息創(chuàng)建像素、組成圖像。由于物體很少與周邊物體的溫度完全相同，在趕酸時(shí)液體被加熱蒸發(fā)，其表面溫度會(huì)低于周?chē)h(huán)境溫度，因此熱成像儀可以檢測(cè)到它們的差異，并且在熱圖像中形成鮮明的反差，通過(guò)對(duì)于圖像面積的計(jì)算可以清楚知道反應(yīng)罐內(nèi)部液體剩余體積，這就是儀器利用紅外熱成像對(duì)液體體積終點(diǎn)進(jìn)行判斷的原理。

紅外熱成像在消解罐內(nèi)液體體積判斷的原理示意圖與對(duì)應(yīng)的熱成像示意圖如圖1所示。熱成像攝像頭從頂端往消解罐內(nèi)檢測(cè)時(shí)，可以看到液體的形狀與液面直徑d。趕酸時(shí)，液體積由大到小進(jìn)行變化，當(dāng)消解罐直徑固定時(shí)，可以通過(guò)直徑為依據(jù)對(duì)液體體積進(jìn)行估算。其方法如下：剛開(kāi)始趕酸時(shí)，消解罐內(nèi)液高度不低于反應(yīng)罐罐內(nèi)底部高度，即hR(圖1A)，液面直徑d與反應(yīng)罐內(nèi)直徑D一樣。此時(shí)消解液體積大小遠(yuǎn)大于定容要求，系統(tǒng)直接根據(jù)液面直徑d的大小值來(lái)判斷反應(yīng)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到趕酸終點(diǎn)要求，因此保持繼續(xù)加熱狀態(tài)；隨著趕酸繼續(xù)進(jìn)行，消解液持續(xù)蒸發(fā)，消解液面緩慢下降，當(dāng)液面高度低于分界線時(shí)如圖1B所示，此時(shí)液面高度h

圖1 紅外熱成像判斷消解罐內(nèi)液體剩余體積示意圖

已知液面直徑d，球面半徑為R，因此液面高度為：

當(dāng)剩余液體為狀態(tài)B時(shí)，計(jì)算公式為：

當(dāng)剩余液體為狀態(tài)C時(shí)，計(jì)算公式為：

上述三種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的熱成像圖分別為圖1D，圖1E與圖1F。從熱成像途中可以明顯看到三種不同狀態(tài)都對(duì)應(yīng)明顯的邊界。通過(guò)設(shè)定熱成像圖中像素點(diǎn)與識(shí)別邊界，即可完成直徑d的計(jì)算與液體體積的估計(jì)。

基于上述圖像識(shí)別原理開(kāi)發(fā)的自動(dòng)真空趕酸儀工作流程如圖2所示，放入樣品后儀器按照設(shè)定的方法啟動(dòng)，熱成像攝像頭開(kāi)啟對(duì)樣品溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)儀器內(nèi)置算法對(duì)趕酸終點(diǎn)進(jìn)行判斷。當(dāng)?shù)竭_(dá)趕酸終點(diǎn)時(shí)，儀器停止加熱，真空泵停止運(yùn)行，啟動(dòng)冷卻模塊，當(dāng)儀器降溫且內(nèi)外壓力達(dá)到平衡時(shí)完成整個(gè)趕酸流程。

圖2 基于圖像識(shí)別自動(dòng)真空趕酸儀工作流程

2 儀器結(jié)構(gòu)與功能

基于圖像識(shí)別自動(dòng)真空趕酸儀主要結(jié)構(gòu)與部件如圖3所示。由密封模塊，熱成像攝像頭，加熱模塊，真空泵、氣道以及控制模塊組成。密封模塊為升降結(jié)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋，方便放取樣品。熱成像模塊安裝在最上方的旋轉(zhuǎn)臂上，通過(guò)伸縮轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)樣品管內(nèi)樣品體積圖像的讀取。真空泵為儀器提供負(fù)壓模式，由于儀器長(zhǎng)期在酸性條件下工作，因此采用隔膜泵避免酸氣對(duì)真空泵的腐蝕與影響。

圖3 基于圖像識(shí)別自動(dòng)真空趕酸儀主要結(jié)構(gòu)與部件

圖4 排酸氣道示意圖

為了保證趕酸時(shí)酸氣的流向，將真空泵氣道與排酸氣道相連接，當(dāng)樣品蒸發(fā)時(shí)，酸氣通過(guò)排酸氣道上方均勻分布的小孔進(jìn)入主氣道。通過(guò)氣道的設(shè)計(jì)，酸氣以特定的路徑排出。通過(guò)外接酸氣清洗裝置，可以對(duì)酸氣進(jìn)行中和，清洗，實(shí)現(xiàn)綠色排放，改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

3 儀器控制

儀器通過(guò)軟件控制，工作界面如圖5所示，其共有21個(gè)趕酸位置，每個(gè)通道可以獨(dú)立控制，當(dāng)熱成像傳感器掃描經(jīng)過(guò)各個(gè)位置時(shí)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到每個(gè)樣品的溫度。在運(yùn)行前通過(guò)設(shè)置加熱溫度，反應(yīng)時(shí)間或者最終體積來(lái)確認(rèn)趕酸終點(diǎn)。當(dāng)儀器通過(guò)時(shí)間與溫度控制趕酸終點(diǎn)時(shí)，熱成像傳感器僅檢測(cè)樣品溫度，不計(jì)算液體體積，當(dāng)?shù)竭_(dá)趕酸終點(diǎn)時(shí)，儀器停止運(yùn)行。當(dāng)設(shè)定趕酸體積時(shí)，控制軟件通過(guò)熱成像傳回的圖像數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)樣品的像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并實(shí)時(shí)判定剩余液體體積，當(dāng)?shù)竭_(dá)儀器終點(diǎn)時(shí)，通道停止加熱。

圖5 儀器控制界面

儀器與真空泵連接，通過(guò)界面直接讀取系統(tǒng)的真空度，實(shí)時(shí)顯示在界面頂端。加熱模塊通過(guò)鋁塊對(duì)各消解罐進(jìn)行加熱，采用PID控制方式，利用溫度傳感器對(duì)鋁塊的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳信號(hào)，溫度值在屏幕上方顯示。

4 結(jié)果與討論

利用機(jī)器對(duì)消解罐內(nèi)的酸進(jìn)行趕酸定容實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證定容的準(zhǔn)確度。將10個(gè)消解罐隨機(jī)放在儀器的孔位上進(jìn)行趕酸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證10 mL硝酸在160 ℃下的趕酸終點(diǎn)為0.5 mL與1.0 mL的準(zhǔn)確度，其結(jié)果如表1所示。

表1 終點(diǎn)判斷準(zhǔn)確度

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)硝酸體積為10 mL時(shí)，儀器從室溫開(kāi)始升溫至160 ℃，到趕酸完成進(jìn)行冷卻，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)約為1 h左右，相對(duì)于敞口趕酸體系而言，趕酸速率得到顯著提升，其速率約為敞口趕酸的2倍，極大加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。從判斷終點(diǎn)準(zhǔn)確度來(lái)看，無(wú)論終點(diǎn)設(shè)定為1 mL還是0.5 mL，都能滿足測(cè)試要求。

5 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

基于圖像識(shí)別自動(dòng)真空趕酸儀的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面，相比于人工判斷終點(diǎn)而言，圖像識(shí)別并自動(dòng)判斷終點(diǎn)提高了實(shí)驗(yàn)操作的重復(fù)性與準(zhǔn)確性，減少因不同實(shí)驗(yàn)員對(duì)終點(diǎn)定義不同造成分析偏差。其次，真空趕酸采用一體式封閉結(jié)構(gòu)，較敞口趕酸而言實(shí)驗(yàn)操作安全性更高，通過(guò)外接酸氣中和處理裝置，減少酸氣對(duì)環(huán)境的影響，最后由于真空度的提升，除降低了酸的沸點(diǎn)外還帶來(lái)趕酸速率提升、降低趕酸溫度、減少易揮發(fā)元素?fù)p失等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于圖像識(shí)別的自動(dòng)真空趕酸儀是針對(duì)國(guó)內(nèi)廣大應(yīng)用單位對(duì)趕酸的需求與痛點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中能極大地提升實(shí)驗(yàn)速率，保證實(shí)驗(yàn)安全，并推動(dòng)了國(guó)內(nèi)趕酸儀、與前處理設(shè)備整體技術(shù)水平的提高。