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研究院，國家藥監(jiān)局化妝品監(jiān)測評價重點實驗室，上海 201203)

濕法消解是元素分析中常用的手段，經過強酸消解后的樣品在引入后端儀器分析前需要對酸度進行控制。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導致元素測試時背景過高，影響實驗的準確度，同時也會降低后端分析儀器的使用壽命。不同的實驗標準對趕酸終點的要求的也不盡相同，例如：在食品安全國家標準重金屬檢測中，要求定容前將樣品趕酸至1 mL左右[1]；而在環(huán)境標準中則要求樣品在消解完成后，在溫控加熱設備上以微沸的狀態(tài)對樣品進行趕酸處理，直至粘稠狀[2]。常壓趕酸有許多缺點，例如耗時、高溫趕酸易導致元素損失，終點判斷困難、對環(huán)境不友好等。

近年來圖像識別技術已經廣泛地應用于生活以及科研等領域中[3]，通過建立相應的算法模型，可以將過去需要依賴人工經驗處理的步驟轉換成計算機處理；這不僅可以顯著提升判斷的準確度還能節(jié)省人力[4]。對于常壓趕酸耗時，容易造成元素損失等缺點，則可以通過提高真空度，即在負壓下完成趕酸來解決。負壓可顯著降低化合物的沸點，對于無機酸來說，降低沸點可以降低趕酸溫度，并且可以有效減少易揮發(fā)無機元素的損失，為元素測試的準確度提供保障[5]。

基于圖像識別自動真空趕酸儀的開發(fā)，依托圖像識別與控制真空度兩項技術，不僅可以解決終點判斷、元素損失，常壓趕酸耗時等缺點，同時利用提高真空度還可以顯著加快趕酸速率，提升實驗效率，具有廣闊的市場前景與應用需求。

1 圖像識別實現原理

基于圖像識別自動真空趕酸儀利用熱成像探頭同時對溫度與圖像進行識別。紅外熱成像傳感器原理在于其能收集來自場景中物體的紅外輻射，檢測拍攝范圍內各個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，在趕酸時液體被加熱蒸發(fā)，其表面溫度會低于周圍環(huán)境溫度，因此熱成像儀可以檢測到它們的差異，并且在熱圖像中形成鮮明的反差，通過對于圖像面積的計算可以清楚知道反應罐內部液體剩余體積，這就是儀器利用紅外熱成像對液體體積終點進行判斷的原理。

紅外熱成像在消解罐內液體體積判斷的原理示意圖與對應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檢測時，可以看到液體的形狀與液面直徑d。趕酸時，液體積由大到小進行變化，當消解罐直徑固定時，可以通過直徑為依據對液體體積進行估算。其方法如下：剛開始趕酸時，消解罐內液高度不低于反應罐罐內底部高度，即hR(圖1A)，液面直徑d與反應罐內直徑D一樣。此時消解液體積大小遠大于定容要求，系統(tǒng)直接根據液面直徑d的大小值來判斷反應遠沒有達到趕酸終點要求，因此保持繼續(xù)加熱狀態(tài)；隨著趕酸繼續(xù)進行，消解液持續(xù)蒸發(fā)，消解液面緩慢下降，當液面高度低于分界線時如圖1B所示，此時液面高度h

圖1 紅外熱成像判斷消解罐內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：

當剩余液體為狀態(tài)B時，計算公式為：

當剩余液體為狀態(tài)C時，計算公式為：

上述三種狀態(tài)對應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)都對應明顯的邊界。通過設定熱成像圖中像素點與識別邊界，即可完成直徑d的計算與液體體積的估計。

基于上述圖像識別原理開發(fā)的自動真空趕酸儀工作流程如圖2所示，放入樣品后儀器按照設定的方法啟動，熱成像攝像頭開啟對樣品溫度進行實時監(jiān)控。根據儀器內置算法對趕酸終點進行判斷。當到達趕酸終點時，儀器停止加熱，真空泵停止運行，啟動冷卻模塊，當儀器降溫且內外壓力達到平衡時完成整個趕酸流程。

圖2 基于圖像識別自動真空趕酸儀工作流程

2 儀器結構與功能

基于圖像識別自動真空趕酸儀主要結構與部件如圖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。密封模塊為升降結構，通過電機控制實現自動開關蓋，方便放取樣品。熱成像模塊安裝在最上方的旋轉臂上，通過伸縮轉軸，實現對每個樣品管內樣品體積圖像的讀取。真空泵為儀器提供負壓模式，由于儀器長期在酸性條件下工作，因此采用隔膜泵避免酸氣對真空泵的腐蝕與影響。

圖3 基于圖像識別自動真空趕酸儀主要結構與部件

圖4 排酸氣道示意圖

為了保證趕酸時酸氣的流向，將真空泵氣道與排酸氣道相連接，當樣品蒸發(fā)時，酸氣通過排酸氣道上方均勻分布的小孔進入主氣道。通過氣道的設計，酸氣以特定的路徑排出。通過外接酸氣清洗裝置，可以對酸氣進行中和，清洗，實現綠色排放，改善實驗室環(huán)境。

3 儀器控制

儀器通過軟件控制，工作界面如圖5所示，其共有21個趕酸位置，每個通道可以獨立控制，當熱成像傳感器掃描經過各個位置時，可以實時檢測到每個樣品的溫度。在運行前通過設置加熱溫度，反應時間或者最終體積來確認趕酸終點。當儀器通過時間與溫度控制趕酸終點時，熱成像傳感器僅檢測樣品溫度，不計算液體體積，當到達趕酸終點時，儀器停止運行。當設定趕酸體積時，控制軟件通過熱成像傳回的圖像數據對每個樣品的像素點進行計算，并實時判定剩余液體體積，當到達儀器終點時，通道停止加熱。

圖5 儀器控制界面

儀器與真空泵連接，通過界面直接讀取系統(tǒng)的真空度，實時顯示在界面頂端。加熱模塊通過鋁塊對各消解罐進行加熱，采用PID控制方式，利用溫度傳感器對鋁塊的溫度進行實時監(jiān)測并上傳信號，溫度值在屏幕上方顯示。

4 結果與討論

利用機器對消解罐內的酸進行趕酸定容實驗，驗證定容的準確度。將10個消解罐隨機放在儀器的孔位上進行趕酸實驗，驗證10 mL硝酸在160 ℃下的趕酸終點為0.5 mL與1.0 mL的準確度，其結果如表1所示。

表1 終點判斷準確度

通過實驗可知，當硝酸體積為10 mL時，儀器從室溫開始升溫至160 ℃，到趕酸完成進行冷卻，整個過程耗時約為1 h左右，相對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，極大加快了實驗進程。從判斷終點準確度來看，無論終點設定為1 mL還是0.5 mL，都能滿足測試要求。

5 應用優(yōu)勢

基于圖像識別自動真空趕酸儀的優(yōu)勢主要體現在如下幾個方面，相比于人工判斷終點而言，圖像識別并自動判斷終點提高了實驗操作的重復性與準確性，減少因不同實驗員對終點定義不同造成分析偏差。其次，真空趕酸采用一體式封閉結構，較敞口趕酸而言實驗操作安全性更高，通過外接酸氣中和處理裝置，減少酸氣對環(huán)境的影響，最后由于真空度的提升，除降低了酸的沸點外還帶來趕酸速率提升、降低趕酸溫度、減少易揮發(fā)元素損失等優(yōu)點。

6 結 語

基于圖像識別的自動真空趕酸儀是針對國內廣大應用單位對趕酸的需求與痛點進行設計與研發(fā)。在實際應用過程中能極大地提升實驗速率，保證實驗安全，并推動了國內趕酸儀、與前處理設備整體技術水平的提高。