王躍華 李亞釗 曲 建 郝孟輝

（河北華清環(huán)境科技集團股份有限公司，石家莊 050000）

在一些實驗中，被測物經(jīng)分離、凈化后，樣液的量比較多，被測定成分含量極少，如痕量測定實驗，因此在測定前需要濃縮樣液，從而提高樣液濃度和分析的靈敏度。

《土壤和沉積物 半揮發(fā)性有機物的測定 氣相色譜-質(zhì)譜法》（HJ 834—2017）規(guī)定，要根據(jù)樣品基體干擾情況選擇合適的凈化方法對提取液和凈化液進行濃縮、定容，經(jīng)氣相色譜分離、質(zhì)譜檢測[1]。其中，濃縮環(huán)節(jié)一般采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)與惰性氣體緩慢吹干的方式。當(dāng)樣品數(shù)量不多或溶劑量較小時，采用該法十分方便；當(dāng)同時需要濃縮大批量樣品且溶劑量較多時，以上方法費時、費力（需要看管，以防吹干）且開放式的氮吹裝置對操作人員身體健康極為不利[2]。平行真空濃縮儀通過同時加熱、減壓、振蕩將多樣品快速蒸干或定量濃縮，能夠有效避免高溫對某些目標(biāo)物的破壞。

本文設(shè)計了一種高通量真空平行濃縮儀，可同時對多個樣品進行濃縮，且濃縮耗時短，大大提高了檢測效率。濃縮儀包括控制單元、冷凝回收單元、真空抽取單元、振蕩單元、給排水單元、加熱單元及水槽、密封蓋板以及樣品架[3]。該儀器采用STM32作為嵌入式系統(tǒng)主控芯片對振蕩電機、加熱裝置、水槽給排水系統(tǒng)以及壓力系統(tǒng)等進行控制，并通過串行通信方式與串口觸摸屏交互，從而實現(xiàn)設(shè)備的整體控制操作。同時，以壓力、水浴溫度、轉(zhuǎn)速為因子，以時間及回收率為依據(jù)，篩選最優(yōu)條件，從而實現(xiàn)多樣品快速定量濃縮。

1 工作原理

通過水浴或油浴加熱盛裝在蒸發(fā)瓶內(nèi)的提取液，在負壓條件下邊振蕩、邊加熱，使蒸發(fā)瓶內(nèi)的溶液黏附于內(nèi)壁形成一層薄的液膜，從而增大蒸發(fā)面積。此時，由于負壓作用，溶劑的沸點降低，進一步提高了蒸發(fā)效率。被蒸發(fā)的溶劑在冷凝器中被冷凝、回流至接收瓶。基于上述原理及自動化技術(shù)，本文設(shè)計了一種高通量真空平行濃縮儀，可同時進行多個樣品濃縮，大大節(jié)省了人力和實驗室空間[4]。該儀器采用透明材質(zhì)制成水槽，可實時觀測濃縮進程。

2 設(shè)計

本文設(shè)計的高通量真空平行濃縮儀包括氣路系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計及人機交互軟件設(shè)計3部分。其中：氣路系統(tǒng)由樣品瓶、密封蓋板、冷凝回收單元、電磁閥以及真空泵等組成；嵌入式控制系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，實現(xiàn)振蕩、加熱、真空抽取、冷凝回收以及給排水等控制操作；人機交互軟件設(shè)計采用觸摸屏進行人機交互。

2.1 氣路系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計通過密封蓋板密封樣品瓶。其中，密封蓋板內(nèi)部開設(shè)有導(dǎo)流支槽、總導(dǎo)流槽和與樣品管密封對接的蒸汽口。樣品瓶內(nèi)的溶劑經(jīng)水浴加熱變?yōu)檎羝?，再由蒸汽口進入導(dǎo)流支槽，最后匯入總導(dǎo)流槽后經(jīng)吸氣接頭與冷凝單元連接。冷凝單元連接真空泵，進行溶劑的冷凝回收。

2.2 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式控制系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片，主要包括電源控制模塊、I/O控制模塊、串口通信模塊以及振蕩模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和壓力數(shù)據(jù)采集、加熱控制、真空度控制、給排水閥開關(guān)控制和振蕩步進電機調(diào)速控制[5]。另外，該芯片還能夠與串口觸摸屏進行控制數(shù)據(jù)交互，具體功能如圖1所示。

2.2.1 振蕩控制單元

儀器運行過程中邊加熱、邊振蕩，從而增大了蒸發(fā)面積，提高了蒸發(fā)效率。該模塊采用減速步進電機配合離心塊或凸輪設(shè)計振蕩裝置，通過STM32向電機驅(qū)動器發(fā)送不同頻率的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波實現(xiàn)振蕩控制[6]。

2.2.2 溫控單元

此單元主要負責(zé)對樣品管上蓋和水槽進行加熱控制。上密封加熱模塊采用石墨加熱形式配合溫度傳感器反饋實現(xiàn)閉環(huán)溫控，下水槽采用加熱板形式配合傳感器反饋實現(xiàn)閉環(huán)溫控。

2.2.3 給排水控制單元

給排水控制單元利用STM32控制水的泵入和泵出，并實時獲取安裝在水槽頂部和底部的液位傳感器信號，從而控制水槽的給排水。

2.2.4 真空度控制單元

真空度控制單元采用壓力傳感器測量密封槽內(nèi)的真空度，并通過控制真空氣閥實現(xiàn)真空度閉環(huán)控制，在蒸餾濃縮完成后打開進氣閥破真空。

2.3 人機交互軟件

人機交互軟件采用串口觸摸屏編寫設(shè)備人機交互軟件界面，實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、溫度設(shè)定與控制、振蕩頻率設(shè)置與控制、給排水控制、壓力設(shè)置與控制等觸摸操作功能。本設(shè)備設(shè)計有登錄、參數(shù)設(shè)置、溶劑選擇以及操作控制等界面，分別如圖2～圖5所示。

3 實驗

3.1 主要材料及儀器

試驗過程中，試劑選用農(nóng)殘級二氯甲烷、農(nóng)殘級丙酮、二氯甲烷-丙酮混合溶劑（1∶1）；內(nèi)標(biāo)貯備液選用1,4-二氯苯-d4、萘-d8、苊-d10、菲-d10、?-d12和苝-d12；內(nèi)標(biāo)中間液選用二氯甲烷-丙酮混合溶劑稀釋配制內(nèi)標(biāo)貯備液；試驗儀器選用氣相色譜質(zhì)譜儀。

3.2 實驗步驟

首先，在濃縮管中加入40 mL二氯甲烷-丙酮混合溶劑（1∶1），并加入適量內(nèi)標(biāo)中間液。其次，濃縮后按HJ 834—2017要求用GC/MS檢測并進行回收率的計算。最后，控制高通量真空濃縮儀上蓋溫度為50 ℃，冷凝溫度為-1 ℃。

3.3 實驗設(shè)計與結(jié)果

本實驗以多環(huán)芳烴成分萘、苊、菲為例，通過設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速、水浴溫度及壓力，以時間及回收率為依據(jù)選擇最優(yōu)實驗條件。共進行了3組實驗，每組實驗6個平行樣，實驗數(shù)據(jù)如下。

3.3.1 轉(zhuǎn)速的影響

設(shè)置水浴溫度為30 ℃、壓強為35 kPa，依次設(shè)置高通量真空平行濃縮儀的轉(zhuǎn)速為100 r·min-1、200 r·min-1、300 r·min-1，實驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1和300 r·min-1時，用時及回收率并無明顯區(qū)別，因此在考慮功率及電機壽命的前提下，選擇200 r·min-1為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

表1 轉(zhuǎn)速對回收率的影響

3.3.2 水浴溫度的影響

設(shè)置轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，依次設(shè)置濃縮儀的水浴溫度為30 ℃、32 ℃、34 ℃，實驗結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，升高溫度可以減少所用時間，但溫度過高會引起目標(biāo)產(chǎn)物蒸發(fā)，從而導(dǎo)致回收率降低。綜上，選擇32 ℃作為最優(yōu)溫度。

表2 水浴溫度對回收率的影響

3.3.3 壓強的影響

設(shè)置轉(zhuǎn)速為200 r·min-1、水浴溫度為32 ℃，依次設(shè)置濃縮儀的壓強為30 kPa、35 kPa、40 kPa，實驗結(jié)果如表3所示。由表3可得，低壓可以降低溶劑沸點從而減少所用時間，但壓強過低會增加目標(biāo)產(chǎn)物的蒸發(fā)率。綜上，選擇35 kPa為最佳壓強。

表3 壓力對回收率的影響

4 結(jié)語

高通量真空平行濃縮儀常應(yīng)用于監(jiān)測單位對萃取液的濃縮，多采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)與惰性氣體緩慢吹干。當(dāng)樣品數(shù)量不多或溶劑量較小時，采用該法十分方便。但是，當(dāng)需要同時濃縮大批量樣品且溶劑量較多時，以上方法費時、費力且開放式的氮吹裝置對操作人員的身體健康極為不利。參照HJ 834—2017對實驗最優(yōu)條件進行研究，實驗表明，以時間、回收率為依據(jù)，水浴溫度為32 ℃、壓強為35 kPa、轉(zhuǎn)速為200 r·min-1、蒸發(fā)用時為90 min時，回收率較高，可以實現(xiàn)樣品批量化、快速、高回收率濃縮。