一种基于流动分析技术的氨氮自动化分析系统及仪器技术方案

本发明专利技术公开了一种基于流动分析技术的氨氮自动化分析系统及仪器，属化学分析和定量检测的技术领域。利用本发明专利技术开发的仪器可以实现各种水质样品中不同检测范围的氨氮自动快速测定，得到的结果准确、可靠。本发明专利技术的特点是，首先设计并建立了一种新型的流动分析系统，其在继承了传统流动注射分析与顺序注射分析技术优势的基础上，解决了这些技术中存在的蠕动泵使用不便、旋转阀使用成本高、不能够用于在线监测、无人值守等诸多问题，基于此开发的自动化分析仪器可以实现真正的一键式启动；其次，基于该分析系统，针对氨氮参与的水杨酸法反应体系设计了专用的分析流路，对各系统参数与反应条件优化后，得到的各检测性能指标均表现良好。现良好。现良好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流动分析技术的氨氮自动化分析系统及仪器


[0001]专利技术涉及一种用于水质中氨氮定量检测的自动化分析系统及仪器，属于化学分析和定量检测的
该仪器适用于各种水质样品中不同检测范围的氨氮自动测定，可快速获得准确、可靠的定量结果。

技术介绍

[0002]在化学分析领域，对于自动化的分析仪器而言，是将样品预处理、稀释、移液、试剂混合、反应、计时、检测、数据处理等一系列的操作通过仪器来实现，以此达到人工干涉少、人为误差小、降低人工成本、提高检测精密度与准确度等目的。当前，实现化学分析自动化的技术方案大体分为“分立式”和“流动式”两大类，其中，分立式是利用机械臂自动控制等手段模仿手工操作，类似于流水线作业；流动式分析则是将样品与试剂在流动状态下进行汇合、反应、以及检测，其具体划分为了连续流动分析、流动注射分析、顺序注射分析、以及微流控等技术分支。
[0003]氨氮作为水中以游离氨（NH3）或铵离子（NH
4+
）形式存在的化合氮，是水体中的重要营养成分，但过量的氨氮将导致水体富营养化现象产生，成为一种主要耗氧污染物，对鱼类及其他水生生物产生毒害。另外，水中的氨氮可以在一定条件下转化成亚硝酸盐，其和蛋白质结合后将形成亚硝胺这种强致癌物质，对人体健康产生威胁。长期以来，水环境中氨氮含量是一项重要的监测指标，所以，一种能够快速、自动、准确测定氨氮含量的自动化分析方法极具实际应用价值，且可以用作与氨氮相关的研究工具。
[0004]在国标法（GB）和行标法（HJ）中，规定了针对氨氮的可见分光光度检测方法所涉及的化学反应主要有水杨酸法（HJ 536
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2009）和纳氏试剂法（HJ 535
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2009）。根据实现方案不同，基于这两种反应而开发的自动化分析方法主要有氨氮水质在线监测仪（HJ 101
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2019）、氨氮连续流动分析法（HJ 665
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2013）、氨氮流动注射分析法（HJ 666
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2013）。
[0005]其中，氨氮水质在线监测仪与其他水质在线监测仪类似，其模仿了顺序注射分析技术的设计理念，用蠕动泵配合光电定量管、或注射泵的方式，通过两通电磁阀组或多位旋转切换阀依次将样品和不同试剂推入反应室（同时也是检测室），在其中发生化学显色反应后进行检测；在该方法中，存在分析速度慢（需试样混合均匀、反应达到平衡后检测）、试剂与载流耗量大（反应室/检测室内部体积大）、且每次分析完成后需对检测室额外进行“排空
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清洗”反复操作等缺点。
[0006]上述提到的氨氮流动分析法（HJ 665
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2013、HJ 666
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2013）与常规连续流动分析技术、流动注射分析技术的实现方式并无差别，均是通过蠕动泵将多种连续流动的试剂与连续流动的样品（在连续流动分析中）、或在连续流动的载流推动下的经过体积定量后的样品塞（在流动注射分析中）汇合，并在流动过程中发生化学显色反应，其特点是，试样溶液在物理混合非平衡、化学反应非平衡、流动状态下进入检测器的流动比色皿（也称为流通池）中进行响应信号检测，该类技术提供了快速分析的解决方案。但是，其检测精密度与准确度的前提条件是所有溶液流量均须保持稳定，而蠕动泵在使用时需进行长时间的预热操作、且
所使用的弹性泵管会随着使用磨损而影响流量，故需频繁地更新标准曲线或更换蠕动泵管，这导致仪器的学习成本、使用成本、及维护成本均很高，同时连续流动的试剂也造成了其较大地浪费，另外，流动注射分析系统中所用到的两位多通道旋转阀存在制造工艺难度大、依赖进口、成本高等局限性（顺序注射分析技术中使用的多位选择旋转切换阀同样存在该问题）。相比而言，顺序注射分析技术解决了试剂连续流动的问题，以此具备节省试剂的优点，但是其单流路的设计方案使得“样品塞”、众多“试剂塞”仅能以顺序追赶的方式进行汇合，而在该状态下的试剂与样品的物理混合程度较低（仅依靠分散作用），从而降低了待测样品的检测灵敏度。此外，对于流动分析方法中还存在一个重要的隐患是，当溶液中的溶解气泡析出后或流动引入了气泡，将会吸附在流动比色皿内壁，这时将需要人为进行气泡驱赶。所以在该类方法中，通常建议将所有溶液进行脱气处理，这极大地限制了其作为监测仪器在无人值守等场景下的应用。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术结合流动注射分析技术与顺序注射分析技术的基本方案，开发了新型的流动分析系统，并根据水杨酸反应体系设计了氨氮分析流路，从而实现水质样品中氨氮的自动快速分析。

技术实现思路

[0008]在本专利技术中，首先是为了解决当前众多流动分析技术中存在的问题与应用局限性，开发了一种新型的流动分析系统。在该流动分析系统中，用微型双柱塞泵作为流体动力传输单元，以实现化学分析过程的一键式启动，在使用时无需预热、无需人工额外操作、无需更换耗材，其液体流量可始终保持一致；用三通电磁阀组与它们之间连接的固定长度的聚四氟乙烯管路作为样品溶液、试剂溶液的体积定量单元，该方案具备造价成本低、流路切换响应速度快、积木式组装灵活度高等优点；用单色LED灯作为光源而设计的单波长光学检测模组，具有无需预热、响应速度快、使用寿命长、体积小巧等特点；配套设计开发的盘管式反应恒温单元，为化学反应提供稳定的温度，进一步提高了反应速率、加快了分析速度；另外，基于STM32单片机微控制器而开发的控制及交互软件，实现了分析仪器一体化设计。其次，在此基础上，为氨氮参与的水杨酸反应体系（次氯酸钠/二水亚硝基铁氰化钠/水杨酸钠）针对性地设计了专用分析流路，并对其中涉及的各项系统参数与反应条件进行了优化，以实现各种水质样品中氨氮的自动、快速、准确定量分析。
[0009]本专利技术的技术方案是由分析流路系统和相应分析仪器组成。
[0010]本专利技术中的氨氮自动化分析系统包含了2个微型柱塞泵（1、2）、10个三通电磁阀（3~12）、样品和试剂定量环（14~17）、样品储存盘管（13）、反应盘管（18）、盘管式恒温控制器（19）、装配了流动比色皿的单波长（700nm）光度计（20）、触摸屏（内置了基于STM32单片机开发的控制与交互软件）（21）、以及连接各零部件与用作流体通道的聚四氟乙烯管路。
[0011]本专利技术中涉及的几种测定程序与功能的实现过程描述如下。
[0012]1. 系统基线程序与流路清洗过程是：第一步，电磁阀（3）、（8）通电，其余保持断电状态，载流溶液（22）在柱塞泵（1）、（2）的抽吸作用下分别经过（3c）
→
（3a）、（8c）
→
（8a）进入各自的泵腔体；第二步，电磁阀（6）、（9）通电，其余保持断电状态，柱塞泵（1）腔体中部分载流溶液在其推动作用下，经过（3a）
→
（3b）进入三通处，同时柱塞泵（2）腔体中部分载流溶液在其推动作用下，经过（8a）
→
（8b）、（9a）
→
（9c）、样品储存盘管（13）、（4a）
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氨氮自动化分析系统所使用的流动分析技术，其特征在于：利用微型双柱塞泵（1、2）作为流体动力传输单元，且每个柱塞泵单次仅控制单路液体流动，再配合三通电磁阀组（3~12）来控制流路的选择、以及将连接两个三通电磁阀的公共端（a）与断电连通端（b）之间的管路作为样品或试剂定量环；在此基础上，通过设定柱塞泵的抽吸/推出动作、速度与时长，以及特定序号列的三通电磁阀通断电，来控制样品和各试剂的装载、注入、汇合、反应、检测等过程；在氨氮的标准曲线建立和测定程序中，柱塞泵（1~2）吸取一定体积的载流溶液（22）进入泵腔体，三个试剂溶液（26~28）由对应的柱塞泵定量吸入并充满各自试剂定量环（15~17），标准溶液（24）或实际水样（23）在三通电磁阀（5）的通断电状态下进行选择、且在柱塞泵（2）的抽吸作用下进入样品储存盘管（13），其中的样品溶液随后又在该柱塞泵（2）的推动作用下充满样品定量环（14）、并将多余部分排废（25），至此该系统完成了样品和试剂的装载操作；两个柱塞泵（1、2）腔体中载流溶液在各自柱塞泵推动作用下，分别顺序地推动样品定量环（14）中标准溶液或实际水样、试剂一定量环（15）中试剂一溶液与试剂二定量环（16）中试剂二溶液、试剂三定量环（17）中试剂三溶液在三通处合并，在混合试样带流经反应盘管（18）时发生显色反应，随后进入流通式检测器（20）获得了吸光度响应信号峰，用其峰顶端吸光度（也可以用峰面积）作为定量信号，最后溶液从废液二（29）排出，至此完成了样品/试剂注入与化学分析操作。2.一种氨氮自动化分析仪器的组成，其特征在于：用微型双柱塞泵（1~2）作为流体动力传输单元，以实现化学分析过程的一键式启动，且在使用时无需预热、无需人工额外操作、无需更换耗材，其液体流量可始终保持一致；用三通电磁阀组（3~12）与它们之间连接的固定长度的聚四氟乙烯管路作为样品溶液、试剂溶液的体积定量单元，该方案具备造价成本低、流路切换响应速度快、积木式组装灵活度高等特点；用单色LED灯作为光源而设计的单波长光学检测模组（20），具有无需预热、响应速度快、使用寿命长、体积小巧等特点；配套设计开发的盘管式反应恒温单元（19），为化学反应提供稳定的温度，进一步提高了反应速率、加快了分析速度；在与仪器一体的触摸屏（21）中内置了基于STM32单片机微控制器而开发的控制及交互软件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵炀，苏涛，陈煜辉，袁立顺，
申请(专利权)人：深圳市长隆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：