开发一种低成本SIA-Based分析器对水样本

文摘

自动multiparametric水分析仪开发和评估。系统是基于顺序注射分析和特色光度检测系统包括一个三色RGB LED光源和光电二极管。在Visual Basic编译一个程序是用来控制新航流系统,led,数据采集和处理。程序加载并执行方法写在ASCII和存储为文本文件。系统能够同时处理四方法。使用时执行方法基于APHA标准的方法,数据的优点被认为是获得满意的目的。下的总成本是4600美元。得出结论,分析器是适合日常使用和有潜力增加数量的同步方法和增强的能力如果新版本的软件开发。

1。介绍

实验室致力于水样的分析目前面临着增加工作量。重大关切存在水的质量等使用人类消费和作物灌溉。因此,样品的数量以及分析物(包括正常组件和污染物)不断增加,挑战的能力分析实验室。

在乌拉圭,化学学院大学de la共和党人一直从事水分析由于乌拉圭与监管机构(URSEA,失去Reguladora de Servicios de Energia y阿瓜)和学校作为合同实验室分析水样的公共供水。定期收集样本从全国数百个采样点和近60个分析物的有机和无机,分析以及浊度、pH值、微生物参数。除了几个决定了,决定了在学校的实验室通过APHA标准方法(1]。关于无机分析物,这意味着大量的体积,比色,手动和光谱决定,因此给分析师沉重的工作量,导致较低的吞吐量。

解决这一问题的目的,提出了一个自动分析仪的发展。尽管商业自动分析器水样可用,他们是昂贵的。在大学环境中,工作是有意义的参与分析器的设计作为学生,研究生和本科生,都可以参与这个任务。自动化水样的分析一直是一个重要的主题发表的论文数量在过去几年。许多这些作品诉诸某种特定技术(2- - - - - -4]。然而,大多数的文献中提出的流转分析器是专用系统专注于一个或两个参数的测定水样(5- - - - - -8),主要用于海洋研究。少人呈现的发展multiparametric分析器(9]。最近,联网的计算机支持系统的概念引入了水自动分析器,欧洲预警系统(10,11)被一个席卷整个非洲大陆的网络分析器的一个例子。

顺序注射分析(SIA) (12,13)在1990年提出了面向潮流技术的流程分析,但呈现的一些特性,这使得它越来越有趣的自动化常规分析水样。技术是健壮的,多用途和特性low-reagent消费,导致低的化学残留物。因此,我们决定分析器设计应该基于这种技术。分析器应该multiparametric能力,也就是说,它应该能够进行不少于三种方法不需要物理改性或试剂的变化。它也应该是灵活的,允许快速和容易的更换分析物和方法在软件控制下,并且应该与autosampler互动的能力。为了适应当前使用的分析方法,提出分析器应该诉诸光度检测基于多波长发光二极管(LED) (14光源。这种光源进行了广泛的调查,发现适合低成本、便携式分析设备(15- - - - - -20.]。

这项工作提出了设计、施工、和评估基于新航的自动multiparametric分析器分析饮用水和地表水以及地下水样本。

2。实验

2.1。系统

新航流系统(图1)是基于一个注射器泵(Cavro xp - 3000, Tecan Mannedorf,瑞士)双位阀和2.5毫升桶,和10-position Cheminert换向阀与microelectric致动器(美国Valco仪器,休斯顿,特克斯,这件模型- 3180有效市场假说)。这些设备是由自己的专用24 V直流电源。

泵和注射器从笔记本电脑控制通过RS232串口的设备。自从笔记本没有任何传统的串行端口,商业即插即用usb串口适配器被用来连接笔记本泵和阀门,从而生成虚拟和COM2串行端口。

流系统的连接和线圈是用0.8毫米直径(内部)聚全氟乙丙烯油管。

光度检测器是建立在一个玻璃流细胞(光程10毫米,内部体积200L),光电二极管探测器(VTB1013 PerkinElmer),和一个common-anode三色旗高亮度LED (RL5-RGB SuperBrightLEDs,圣路易斯,密苏里州,美国)。光电二极管的信号处理是一个放大器和两个tl - 081运算放大器实现,然后发送到14-bit模拟到数字(a / D)接口(USB - 1408 fs,测量计算,诺顿,质量,美国)控制通过一个计算机的USB端口。

RGB三色LED的每个组件(红,绿,蓝,名义波长630 nm, 525 nm和472 nm)是由一个lm - 334恒流源,进而由ln - 2803八进制达灵顿的一个部分驱动IC。3这个驱动程序有关输入盖茨从TTL-level控制信号从输入/输出(I / O)港口的a / D接口。通过这种方式,每个部分的LED阵列可以开启或关闭,允许选择性地使用计算机控制下的领导与适当的波长。

一个稳压电源采用LM317和LM337电压调节器提供±12 V的运算放大器和led灯。图2显示了整体的连接和信号路径。

原型是建在一个工业塑料盒的铰链盖,测量厘米(**)(图3)。前面的注射泵和阀门的定子通过洞中伸出,因此射流连接和检查访问。探测器流流路径的细胞是唯一的组件位于内部的情况。两个聚四氟乙烯舱壁连接器(Omnifit,剑桥,英国)允许输入和输出连接到单元。

程序编写和编译在Visual Basic 6.0(微软)。图形语言编程插件(Softwire 3.1, Softwire技术)一起使用Visual Basic,允许更容易从一个图形编程环境。

系统的程序控制整个操作包括数据采集,如下面所讨论的。获得的数据(一系列的吸光度数据点)被存储在硬盘为ASCII文件。

这些数据文件后来高峰处理简单的程序(美国斯坦福,加州托兰斯)提供了基线校正、测量峰高和硬拷贝打印输出。

2.2。试剂

所有试剂均为分析纯试剂级。ASTM I型水从微孔(巴西圣保罗)获得Direct-Q5净水器。

3所示。结果与讨论

3.1。系统开发

系统化的数据1和2,分析器的原型主要由以下部分组成:(我)流系统组成的注射泵,换向阀,和流动单元;(2)光源及其控制单元由三色LED,三个可调恒流源和uln - 2803驱动程序;(3)这张照片探测器和放大器;(iv)模拟部分的电源(放大器、光电探测器和led灯);(v)A / D接口及其相关的TTL I / O端口;(vi)笔记本电脑,Windows XP操作系统,和usb串口适配器;(七)自编写软件。

流体处理,决定使用现成的组件。注射泵被选为推进设备因其可靠性高。Cavro泵不仅可以很容易地通过RS232-compliant串口控制,但也有许多可用的命令来控制速度和加速度允许最佳射流处理。它也有自己的内存能够存储完整的子程序,必要时可以调用并运行。控制命令发布为字母数字字符串和组合。

10-position选择阀可以容纳几个试剂和辅助设备如minicolumns或混合线圈,同时允许多个方法的实现。它也通过RS232串口控制通过简单的命令,如“GO9”(即。,“去9号位置”)。

光度探测器被设计在一个三色LED组成的红色,绿色和蓝色的组件,和硅光电二极管作为探测器。每个领导的组件是由恒流源。直流电流的强度调整的“trimpot”10-turn电位计值,当水充填流动细胞,模拟放大器的输出信号是大约70%的饱和电压。鉴于高增益的放大器,这个电流的值大约为每个领导马。使用低电流选择,以避免经济过热的半导体的光输出的变化。

该计划的一个关键组成部分是整个操作仪器的依赖它。另外,严重依赖其正确设计所需的灵活性。

Visual Basic 6.0被选为编程语言,因为用这种语言群体的经验。使用Softwire图形编程环境(在某种程度上让人联想到虚拟仪器语言)的决定,因为它极大地简化了编程提供了一个图形环境基于Activex控件,同时保持以命令行方式进行编程的Visual Basic的可能性。

程序设计有两个模块在屏幕上呈现的处方:操作(主要)表单(图4(图)和设置形式5)。第一个有几个命令按钮和滚动屏幕模拟纸带记录器,实时数据的绘制。

设置表单允许选择一个方法从这些存储在硬盘上。它还允许调用服务例程,如初始化的注射泵和选择串行端口(或COM2)连接到泵和阀门。它还允许选择的A / D板和通道数,采样率、规模,以及数据路径和文件名。目前可用的其他功能(但不是必不可少的操作)包括手动打开或关闭单个发光二极管的可能性并手动设置光度规模。

的方法实际上是“脚本”存储为文本文件。这些文件可以很容易地生成的任何Windows记事本等文本编辑器。第一行表明导致被使用。之后,每一行包含三个部分:选择阀的一个命令,命令的注射泵,第三部分包含可能需要等待的时间间隔。一旦从设置加载屏幕,他们已经准备好运行。

泵和阀门的命令是简单的ASCII字符串。因为分析器是编程操作由训练有素的人员,没有努力是使用“自然语言”,需要一个翻译程序的复杂性增加。事实上,字母数字的集合命令必要操作阀和泵小,用户容易学习。这些命令是由制造商提供的相应的手册和“GO9”一样简单的派阀位置9,“D1500R”给注射泵的体积相当于1500步,等等。

第一个积极行领导的方法存储数量(1 - 3)允许选择合适波长的LED为目的的方法。一旦加载方法,并开始通过命令按钮的操作形式,解析每一行三个组件。首先,阀通过相应的串行COM端口发出命令,发送选择阀到给定的位置。之后,等待一个固定时间段的400 ms从设置屏幕(可配置),泵通过第二串行COM端口发出命令。然后,如果有必要,系统等待指定的时间间隔执行脚本的下一行。当前阀门和泵命令、时间间隔和行号显示在屏幕上。此屏幕还支持限量版功能,允许“动态”修改脚本的测试和存储。这个特性是有用的在方法开发。

数据采集作为单独的进程运行,可以在任何时候启动/停止命令按钮在操作屏幕上。该计划引发了A / D转换的A / D接口的要求。为了能够获取实时数据,系统要求光度(透光率)规模提前被定义。这样做是在循环的开始而抽水流动池。程序首先措施和记忆里“暗反应”与所有LED。然后把选中的领导和措施和记忆里的“100%”的回应。这些数据存储,程序可以计算出吸光度每次触发的A / D接口。吸光度值然后滚动屏幕上绘制并保存到ASCII格式的原始数据文件供以后处理。

完成运行后,用户可以选择用一个新的名字保持原始数据文件或删除它。在第一种情况下,常规的信息创建一个新的文本文件包含一个头,让它与峰值简单的色谱程序兼容。这些信息包括数据点的数量和使用的采样率A / D接口,允许建立一个实时规模峰值简单的程序。

在项目的这个阶段,使用一个商业色谱数据处理和评价是首选为了节省开发时间。然而,它是可能的未来版本的软件为数据处理提供新的例程等建立基线,计算峰值高度,地区和宽度,校准曲线的处理,等等。

3.2。成本

系统价格是保持在最低限度,注射泵和换向阀是最昂贵的物品(约为3000美元)其次是笔记本电脑(在当地采购600美元)。其余的组件的成本,主要是电子产品和硬件(包括A / D接口),在1000美元。

3.3。分析结果

为了评估系统的能力,几种方法,基于完善APHA标准方法(1为每个分析物),实施和测试。测定氯、亚硝酸盐和硝酸盐被实现。氯化硫氰酸汞是由比色法(基于APHA方法4500 - cl⁻G (21]),使用蓝色LED检测。亚硝酸盐测定使用绿色为首的反应与N - (1-naphtyl)乙二胺盐酸盐和对氨基苯磺酰胺(基于APHA方法4500 -没有₂⁻B (22])。同样的方法在线减少镉minicolumn和决心为亚硝酸盐(基于APHA方法4500 -没有₃⁻E (23])是用于硝酸。后者APHA方法,在批处理形式,被用作参考的方法验证,而对于氯,argentometric方法APHA 4500 - cl^{- - - - - -}使用了B。表1显示优点的分析数据的方法获得的验证阶段。


分析物/品质因数	LD (g L⁻¹)	江西 (g L⁻¹)	线性范围 (g L⁻¹)	精度 (%)	与参考方法的差异(%)	采样率(小时⁻¹)

氯	0.6	1.90	-54 - 1.9	1。4	2。0	60
亚硝酸盐	0.02	0.076	0.11 - -3.8	2。9	−2.8	60
硝酸	0.5	1。6	-54 - 1.6	2。4	−0.3	20.

对于每个方法,特别关注了中期稳定,因为从电子元件和温度漂移的可能性流动池的变化,尤其是在组件在操作温度提高。为此,重复注射进行一段60分钟,30毫克L的浓度⁻¹(氯),0.60毫克L⁻¹(亚硝酸盐)和10毫克L⁻¹(硝酸)。基线和响应的稳定性进行评估。基线漂移在0.010(吸光度),灵敏度漂移(测量身高的平均值的相对偏差第一高峰和最后的5)1.9%(氯),0.55%(亚硝酸盐)和3.9%(硝酸)。只有在后一种情况下有一个明显的趋势观察包络的峰值。图6显示了一个典型的情节重复注射亚硝酸盐的60分钟。轻微的基线漂移也不会有任何影响,用于数据处理的程序允许基线校正。

方法,可以同时运行的数量取决于港口选择阀的数量。10-position选择阀使用,取决于方法的复杂性,可以确定4顺序分析物在不改变试剂或流配置。同时为了确定更多的参数,它将需要使用一个换向阀与更多的港口。这些都是目前市场上。

一个明显的限制系统驻留在使用三色LED这限制了可用波长的数量。然而,该系统可用于实现许多涉及比色检测方法,只要方法所需的波长接近RGB LED发出的波长。根据波长的不同,一些损失的敏感性可能预期相比,如果一个完美的波长相匹配的理想状态;然而,这并不一定会降低系统的有效性为目的,所展示的三种方法进行这项工作。

autosampler方便的使用来处理大量的样本。实验室autosampler已经设计并正在建造中。然而,一个商业autosampler可能被添加到系统的微小修改软件允许串行通信的设备。

进一步的修改系统的,旁边那些前面所提到的,主要基于软件的修改,从而容易实现。其中的一些修改,目前正在研究中,包括允许领导操作在任何方法,允许使用两个发光二极管等更复杂的方案由two-wavelength背景校正技术,或定期调整光度规模,以减少漂移的影响在零信号或发光二极管发射强度。

4所示。结论

分析器的原型证明是稳定可靠的。总成本是一个低成本足够低,负担得起大学实验室。分析测试数据的价值发现方法满意的目的。基于新航的系统可以达到较高的精度。分析器提出的未来增长潜力和增强。

确认

金融支持大学的科学研究委员会(CSIC)(研究)和基础科学发展项目(PEDECIBA)(部分财政支持)。作者还要感谢教授博士Boaventura f·里斯(希纳,圣保罗大学,巴西)有用的讨论关于光度检测器的设计。

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