專利名稱：深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深海探測機(jī)電裝備領(lǐng)域，尤其涉及一種可長期駐留在深海環(huán)境下原位探測海水離子濃度的深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
深海海水中鐵、錳、銅、鈷、鋁等微量元素的濃度變化可以影響海水中葉綠體光和作用、動植物呼吸作用、生物合成以及還原硝酸鹽、亞硝酸鹽等過程，從而影響海洋生態(tài)平衡以及全球環(huán)境中的碳循環(huán)，探測深海海水中微量元素的濃度成為國際海洋界關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)的海水微量元素的探測方法是利用調(diào)查船定時或不定時進(jìn)行采樣，對樣本進(jìn)行預(yù)處理后密封低溫儲存，然后轉(zhuǎn)移至陸地實驗室進(jìn)行化學(xué)檢測；或者采集樣本后在海船上進(jìn)行檢測。兩種方法都需要投入大量的人力和物力，同時樣本的采樣、預(yù)處理、儲存環(huán)節(jié)中可能引入污染物，沾污樣本從而不能反映離子濃度真實值；此兩種方法的另一個不足是只能獲得離散有限的數(shù)據(jù)而無法獲得高空間和時間分辨率的實時數(shù)據(jù)。此外，由于海水中微量元素極低的含量，傳統(tǒng)方法在檢測時需要對樣本進(jìn)行預(yù)濃縮或預(yù)富集處理，增加了檢測的操作環(huán)節(jié)，需要消耗大量的海水樣本，且檢測效率也不高。因此，研究操作簡單、分析快速、 靈敏度高、檢測限低的深海微量元素原位探測系統(tǒng)是海洋地球化學(xué)探測的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)，本發(fā)明操作簡單，分析快速，靈敏度高，檢測限低，具有自維護(hù)沖洗和標(biāo)定功能，可長期駐留在深海環(huán)境下原位探測海水微量離子濃度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)，它包括液路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；其中，
所述液路系統(tǒng)包括七個試劑袋、八個過濾網(wǎng)、八個電磁閥、電磁閥座、三個計量泵、二個化學(xué)反應(yīng)線圈、二個光液耦合器、液芯波導(dǎo)管、檢測儀和光源等；其中，第一試劑袋I與第一電磁閥的入口相連，第二試劑袋與第二電磁閥的入口相連，第三試劑袋與第三電磁閥的入口相連，第四試劑袋與第五電磁閥的入口相連，第五試劑袋與第六電磁閥的入口相連，第六試劑袋與第七電磁閥的入口相連，第七試劑袋與第八電磁閥的入口相連，每個電磁閥的入口處均裝有過濾網(wǎng)，第一電磁閥和第二電磁閥的出口均與第一計量泵的入口相連，第三電磁閥的出口與第二計量泵的入口相連，第四電磁閥、第五電磁閥、第六電磁閥、第七電磁閥和第八電磁閥的出口均與第三計量泵的入口相連，八個電磁閥都安裝在電磁閥座上；第二計量泵和第三計量泵的出口均與第一化學(xué)反應(yīng)線圈的一端相連，第一化學(xué)反應(yīng)線圈的另一端和第一計量泵的出口均與第二化學(xué)反應(yīng)線圈的一端相連，第二化學(xué)反應(yīng)線圈的另一端與第一光液稱合器、液芯波導(dǎo)管、第二光液稱合器依次相連，第一光液稱合器通過光纖與光源相連，第二光液耦合器通過光纖與檢測儀相連；
所述控制系統(tǒng)包括控制器單元、實時時鐘、存儲卡、數(shù)字采集卡、供能模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和泵閥控制板等；所述供能模塊通過電源轉(zhuǎn)換模塊向控制器單元和泵閥控制板供電， 實時時鐘和存儲卡均與控制器單元相連，液路系統(tǒng)的光源、八個電磁閥和三個計量泵均與泵閥控制板相連，泵閥控制板與數(shù)字采集卡相連，數(shù)字采集卡和液路系統(tǒng)的檢測儀均通過 USB接口與控制器單元相連。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)采用液芯波導(dǎo)管增加光線的光程長度，大幅度提高樣本檢測的靈敏度以及降低檢測限而無需傳統(tǒng)探測方法的預(yù)濃縮或預(yù)富集環(huán)節(jié)，簡化了液路系統(tǒng)設(shè)計，提高了樣本處理量；采用流動注射分析技術(shù)作為自動化連續(xù)流動分析方法，具有標(biāo)定、探測、沖洗、待機(jī)四個工作模式，使系統(tǒng)具有自維護(hù)沖洗和標(biāo)定功能，可長期駐留在深海環(huán)境下進(jìn)行探測。


圖I是本發(fā)明的液路系統(tǒng)不意圖2是本發(fā)明的控制系統(tǒng)示意圖中，第一試劑袋I、第二試劑袋2、第三試劑袋3、第四試劑袋4、第五試劑袋5、第六試劑袋6、第七試劑袋7、過濾網(wǎng)8、第一電磁閥9、第二電磁閥10、第三電磁閥11、第四電磁閥 12、第五電磁閥13、第六電磁閥14、第七電磁閥15、第八電磁閥16、電磁閥座17、第一計量泵 18、第二計量泵19、第三計量泵20、第一化學(xué)反應(yīng)線圈21、第二化學(xué)反應(yīng)線圈22、液芯波導(dǎo)管23、第一光液稱合器24、第二光液稱合器25、檢測儀26、光源27。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的論述。本發(fā)明的深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)包括圖I所示的液路系統(tǒng)和圖2所示的控制系統(tǒng)。參照圖1，液路系統(tǒng)包括七個試劑袋、八個過濾網(wǎng)、八個電磁閥、電磁閥座17、三個計量泵、二個化學(xué)反應(yīng)線圈、二個光液耦合器、液芯波導(dǎo)管23、檢測儀26和光源27。其中，第一試劑袋I與第一電磁閥9的入口相連,第二試劑袋2與第二電磁閥10的入口相連, 第三試劑袋3與第三電磁閥11的入口相連，第四試劑袋4與第五電磁閥13的入口相連，第五試劑袋5與第六電磁閥14的入口相連,第六試劑袋6與第七電磁閥15的入口相連,第七試劑袋7與第八電磁閥16的入口相連，每個電磁閥的入口處均裝有過濾網(wǎng)8，第一電磁閥9 和第二電磁閥10的出口均與第一計量泵18的入口相連，第三電磁閥11的出口與第二計量泵19的入口相連，第四電磁閥12、第五電磁閥13、第六電磁閥14、第七電磁閥15和第八電磁閥16的出口均與第三計量泵20的入口相連，八個電磁閥都安裝在電磁閥座17上，與電磁閥座17 —起實現(xiàn)對試劑和樣本的組合和控制，第二計量泵19和第三計量泵20的出口均與第一化學(xué)反應(yīng)線圈21的一端相連，第一化學(xué)反應(yīng)線圈21的另一端和第一計量泵18的出口均與第二化學(xué)反應(yīng)線圈22的一端相連，第二化學(xué)反應(yīng)線圈22的另一端與第一光液耦合器24、液芯波導(dǎo)管23、第二光液稱合器25依次相連,第一光液稱合器24通過光纖與光源27 相連，第二光液耦合器25通過光纖與檢測儀26相連。參照圖2，控制系統(tǒng)包括控制器單元、實時時鐘、存儲卡、數(shù)字采集卡、供能模塊、 電源轉(zhuǎn)換模塊和泵閥控制板；供能模塊通過電源轉(zhuǎn)換模塊向控制器單元和泵閥控制板供電，實時時鐘和存儲卡均與控制器單元相連，液路系統(tǒng)的光源、八個電磁閥和三個計量泵均與泵閥控制板相連，泵閥控制板與數(shù)字采集卡相連，數(shù)字采集卡和液路系統(tǒng)的檢測儀均通過USB接口與控制器單元相連。控制器單元上具有多個USB接口、多個串口接口和多個網(wǎng)絡(luò)接口 ；實時時鐘提供實時時鐘，提供標(biāo)準(zhǔn)的探測時間信息及系統(tǒng)探測的時序定時基準(zhǔn)；數(shù)字采集卡通過USB接口和控制器單元相連，由控制器單元控制，輸出數(shù)字信號；檢測儀通過USB接口和控制器單元相連，受控制器單元控制并將采集數(shù)據(jù)儲存到存儲卡中；泵閥控制板根據(jù)數(shù)字采集卡的數(shù)字信號控制泵、閥、光源的開關(guān)以及泵的流量；控制器單元可通過串口協(xié)議或網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議(TCP/IP協(xié)議)接收外部控制器的指令，也可將采集到的數(shù)據(jù)通過串口協(xié)議或網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議傳輸給外部控制器。下面以檢測海水中三價鐵離子濃度和亞鐵離子濃度為實例闡述本發(fā)明的工作過程配比三份標(biāo)準(zhǔn)液，分別裝入第五試劑袋5、第六試劑袋6和第七試劑袋7中，第一份標(biāo)準(zhǔn)液中三價鐵離子濃度和亞鐵離子濃度均為O. lnmol/L，第二份標(biāo)準(zhǔn)液中三價鐵離子濃度和亞鐵離子濃度均為O. 5nmol/L,第三份標(biāo)準(zhǔn)液中三價鐵離子濃度和亞鐵離子濃度均為 1.0nmol/L。淋洗液是電阻率為18. 2MΩ *cm的超純水，裝入第四試劑袋4中。第一份試劑是濃度為O. 01mol/L的抗壞血酸，裝入第三試劑袋3中，用于還原待測海水中的三價鐵離子為亞鐵離子。第二份試劑是濃度為0. 005g/ml的菲咯嗪(C20H13N4NA06S2 ·Η20)，裝入第二試劑袋2內(nèi)，緩沖液為醋酸鈉與冰醋酸按一定比例混合稀釋得到，酸堿度值為ρΗ=5. 5，裝入第一試劑袋I內(nèi)。設(shè)定第三計量泵20的流量為0. 8ml/min，第一計量泵18和第二計量泵 19流量為0. 3ml/min。在檢測前運用已知三價鐵離子和亞鐵離子濃度的標(biāo)準(zhǔn)液對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)過數(shù)值計算與處理得到標(biāo)定曲線，然后檢測待測海水的三價鐵離子和亞鐵濃度，且針對檢測離子的不同，標(biāo)定操作的步驟也不同；標(biāo)定完成后，依照程序設(shè)定的操作步驟檢測離子濃度；在對每一個樣本進(jìn)行檢測完成后都要對系統(tǒng)進(jìn)行沖洗操作，沖刷留在系統(tǒng)管路壁的樣本，減少樣本殘留帶來的檢測誤差。系統(tǒng)標(biāo)定標(biāo)定三價鐵離子時，開機(jī)打開光源和檢測儀并使所有泵閥處于初始狀態(tài)，開第八電磁閥16、第三電磁閥11、第二計量泵19和第三計量泵20，將第一份標(biāo)準(zhǔn)液和抗壞血酸泵入第一化學(xué)反應(yīng)線圈21混合反應(yīng)，混合液被泵入到第二化學(xué)反應(yīng)線圈22后開第一電磁閥9、第二電磁閥10和第一計量泵18，將緩沖液和菲咯嗪試劑泵入第二化學(xué)反應(yīng)線圈22與已有混合液混合，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生完全后將混合液泵入到液芯波導(dǎo)管23，此時檢測儀采集檢測信號并儲存，系統(tǒng)沖洗完成后使所有泵閥處于初始狀態(tài)。重復(fù)以上過程直至得到三份標(biāo)準(zhǔn)液三價鐵離子的檢測信號，根據(jù)三份標(biāo)準(zhǔn)液的三價鐵離子濃度和對應(yīng)的檢測信號，控制器單元繪制標(biāo)定曲線并保存，三價鐵離子標(biāo)定完成；標(biāo)定亞鐵離子時，開第八電磁閥16和第三計量泵20，將第一份標(biāo)準(zhǔn)液被泵入第二化學(xué)反應(yīng)線圈22后開第一電磁閥9、第二電磁閥10和第一計量泵18，將緩沖液和菲咯嗪試劑泵入第二化學(xué)反應(yīng)線圈22與已有標(biāo)準(zhǔn)液混合，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生完全后將混合液泵入到液芯波導(dǎo)管23，此時檢測儀采集檢測信號并儲存，系統(tǒng)沖洗完成后使所有泵閥處于初始狀態(tài)。重復(fù)以上過程直至得到三份標(biāo)準(zhǔn)液亞鐵離子的檢測信號，根據(jù)三份標(biāo)準(zhǔn)液的亞鐵離子濃度和對應(yīng)的檢測信號控制器單元繪制標(biāo)定曲線并保存，亞鐵尚子標(biāo)定完成。系統(tǒng)檢測檢測三價鐵離子濃度時，開第四電磁閥12、第三電磁閥11、第二計量泵19和第三計量泵20，將待測海水和抗壞血酸泵入第一化學(xué)反應(yīng)線圈21混合反應(yīng)，混合液被泵入到第二化學(xué)反應(yīng)線圈22后開第一電磁閥9、第二電磁閥10和第一計量泵18，將緩沖液和菲咯嗪試劑被泵入第二化學(xué)反應(yīng)線圈22與已有待測海水混合，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生完全后將混合液泵入液芯波導(dǎo)管23，此時檢測儀采集檢測信號，控制器單元根據(jù)標(biāo)定曲線分析得到待測海水中三價鐵離子濃度，系統(tǒng)沖洗完成后使所有泵閥處于初始狀態(tài)。檢測亞鐵離子濃度時，開第四電磁閥12和第三計量泵20，將待測海水泵入第二化學(xué)反應(yīng)線圈22后開第一電磁閥9、第二電磁閥10和第一計量泵18，將緩沖液和菲咯嗪試劑泵入第二化學(xué)反應(yīng)線圈 22與已有待測海水混合，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生完全后將混合液泵入液芯波導(dǎo)管23，此時檢測儀采集檢測信號，控制器單元根據(jù)標(biāo)定曲線分析得到待測海水中亞鐵離子濃度，系統(tǒng)沖洗完成后使所有泵閥處于初始狀態(tài)。在該實施例中，過濾網(wǎng)8的孔直徑為O. 45ΜΠ1，小于系統(tǒng)中所有孔的直徑，可有效防止海水或試劑中的微小顆粒物進(jìn)入液路系統(tǒng)，防止阻塞；液芯波導(dǎo)管23為5米長的外層包裹有折射率比水低的特氟龍(Teflon AF 2400)材料的石英管，用來增加光線的光程長度， 靈敏度是傳統(tǒng)10厘米寬比色皿的500倍，同時，液芯波導(dǎo)管23的內(nèi)徑僅為550Mm，5米長的液芯波導(dǎo)管的總體積也不過I. 25mL，樣本與試劑的消耗量很少；第一化學(xué)反應(yīng)線圈21和第二化學(xué)反應(yīng)線圈22為螺旋環(huán)繞的管路，有些內(nèi)部含玻璃彈珠，是試劑與樣本混合與反應(yīng)的主要場所；第一光液耦合器24和第二光液耦合器25是將混合液與光線同時導(dǎo)入或?qū)С鲆盒静▽?dǎo)管23的連接接口。光纖傳遞從光源射出的光線和射入到檢測儀的光線；所有管路為 FEP 特富龍(Teflon)材料，外徑為 I. 58mm (1/16〃)，內(nèi)徑為 O. 57mm (0.03〃)。
權(quán)利要求
1.一種深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)，其特征在于，它包括液路系統(tǒng)和控制系統(tǒng); 其中，所述液路系統(tǒng)包括七個試劑袋、八個過濾網(wǎng)、八個電磁閥、電磁閥座(17)、三個計量泵、二個化學(xué)反應(yīng)線圈、二個光液耦合器、液芯波導(dǎo)管(23)、檢測儀(26)和光源(27)等；其中，第一試劑袋I與第一電磁閥(9)的入口相連,第二試劑袋(2)與第二電磁閥(10)的入口相連，第三試劑袋(3)與第三電磁閥(11)的入口相連，第四試劑袋(4)與第五電磁閥(13) 的入口相連，第五試劑袋(5)與第六電磁閥(14)的入口相連，第六試劑袋(6)與第七電磁閥 (15)的入口相連，第七試劑袋(7)與第八電磁閥(16)的入口相連，每個電磁閥的入口處均裝有過濾網(wǎng)(8 )，第一電磁閥(9 )和第二電磁閥(10 )的出口均與第一計量泵(18 )的入口相連，第三電磁閥(11)的出口與第二計量泵(19)的入口相連，第四電磁閥(12)、第五電磁閥 (13)、第六電磁閥(14)、第七電磁閥(15)和第八電磁閥(16)的出口均與第三計量泵(20)的入口相連，八個電磁閥都安裝在電磁閥座(17)上；第二計量泵(19)和第三計量泵(20)的出口均與第一化學(xué)反應(yīng)線圈(21)的一端相連，第一化學(xué)反應(yīng)線圈(21)的另一端和第一計量泵(18)的出口均與第二化學(xué)反應(yīng)線圈(22)的一端相連，第二化學(xué)反應(yīng)線圈(22)的另一端與第一光液稱合器(24)、液芯波導(dǎo)管(23)、第二光液稱合器(25)依次相連,第一光液I禹合器(24)通過光纖與光源(27)相連，第二光液耦合器(25)通過光纖與檢測儀(26)相連；所述控制系統(tǒng)包括控制器單元、實時時鐘、存儲卡、數(shù)字采集卡、供能模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和泵閥控制板等；所述供能模塊通過電源轉(zhuǎn)換模塊向控制器單元和泵閥控制板供電，實時時鐘和存儲卡均與控制器單元相連，液路系統(tǒng)的光源、八個電磁閥和三個計量泵均與泵閥控制板相連，泵閥控制板與數(shù)字采集卡相連，數(shù)字采集卡和液路系統(tǒng)的檢測儀均通過USB接口與控制器單元相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及深海微量離子濃度原位探測系統(tǒng)，包括液路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用流動注射分析技術(shù)作為自動化連續(xù)流動分析方法，實現(xiàn)進(jìn)樣、混合反應(yīng)、探測的自動化，且系統(tǒng)具有標(biāo)定、探測、沖洗、待機(jī)四個工作模式，實現(xiàn)自維護(hù)沖洗和標(biāo)定，可長期駐留在深海環(huán)境下進(jìn)行原位探測。采用5米長液芯波導(dǎo)管作為系統(tǒng)的檢測池，減少傳統(tǒng)檢測方法中的預(yù)濃縮或預(yù)富集環(huán)節(jié)，簡化了系統(tǒng)，同時提高檢測效率，降低樣本消耗量，有效增加系統(tǒng)的靈敏度并降低檢測限，適用于檢測深海微量元素。
文檔編號G01N35/08GK102590540SQ201210033580
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者金波, 陳志偉, 陳鷹 申請人:浙江大學(xué)