English

• 1.   引言

  气相色谱仪所用液体自动进样器从功能上可分为传统单一型液体样品自动进样器和平台型多功能自动进样器两大类^[1-6]。近年来, 分析仪器前端的样品自动处理与自动进样装置已成为关注热点。国内对气相色谱仪所用液体自动进样器研发起步较晚^[7], 虽然发展迅速, 但与国外同类产品相比尚有较大差距。因此, 研制多功能自动进样器, 对于提升我国仪器研制水平, 具有重要意义。

  标准型110个样品位气相色谱仪自动进样器是一种传统大容量转盘型液体样品自动进样器, 通常安装在气相色谱仪的侧面, 具有占用空间小、操作方便等优点; 缺点是拓展性较差。平台型40个样品位自动进样器具有体积小巧的特点, 适用于样品的进样分析批次少的情况, 可用于车载和便携仪器。将两种不同结构的气相色谱仪用通用型液体样品自动进样器并行研发, 具有较高的应用研究价值和良好的市场应用前景。

  基于平台化、模块化、兼容性的设计理念^[8-12], 本研究提出标准型110个样品位和平台型40个样品位两种不同结构的气相色谱仪液体样品自动进样器并行研发的构想。设计的核心是构建一个多模式多轴伺服控制系统, 以此搭建共用研发平台, 实现设计方案的快速验证与不同结构自动进样器的研发。通过模块、组件与机械部件的组合集成的方法, 快速、高效地开发出两种不同结构的自动进样器。

  2.   实验部分

  2.1.   自动进样器结构

  标准型110个样品位自动进样器和平台型40个样品位自动进样器的的结构示意图见图 1。自动进样器主体主要由基本外形组件、机械结构组件、齿轮减速组件、运动丝杠和机械接口组件等构成，基本外形组件由机塔和机座、圆形旋转式样品托盘(标准型)、平台型X-Y方向运动样品托盘(平台型)，机械结构组件包括注射针拖车、注射针夹具、拖车滑杆等, 以及控制系统和控制软件组成。

  图 1

  

  图 1  标准型110个样品位自动进样器(a)和平台型40个样品位自动进样器(b)的结构示意图

  Figure 1.  Schematic illustration of standard 110 digit position auto sampler (a) and 40 digit position auto sampler (b)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  2.2.   系统研发平台设计

  本系统研发平台设计的基本原则包括：系统共用、控制策略、兼容与互换、并行与高效、可重组、多目标配置与快速制造。设计核心是寻求两种自动进样器的共性部分, 达到二者最大程度的共用或复用(软件部分), 这是平台设计中的关键环节。

  2.3.   仪器与试剂

  SP-2020气相色谱仪(北京北分瑞利分析仪器(集团)公司); GC128气相色谱仪(上海精密科学仪器公司)。TJ-618色谱工作站(太极计算机公司)。

  浓度为0.3和0.5 mg/mL的正十六烷-异辛烷标准溶液(n-Hexadecane in Isooctane, 中国国家标准物质中心); 高纯氢气(99.99%); 高纯氮气(99.995%)。

  2.4.   色谱条件

  采用1μL注射针(上海安亭微量进样器厂)进样。

  SP-2020色谱仪; 色谱柱：OV101填充柱(500 mm×3 mm); 检测器：FID; 进样口温度：180℃; 柱箱温度：165℃; 检测器温度：200℃; 氮气流量：30 mL/min; 氢气流量：30 mL/min; 空气流量：300 mL/min; 样品浓度：0.3 mg/mL; 进样量：0.5μL。

  GC128气相色谱仪; 色谱柱：OV101填充柱(600 mm×3 mm); 检测器：FID; 进样口温度：250℃; 柱箱温度：130℃; 检测器温度：180℃; 氮气流量：23 mL/min; 氢气流量：30 mL/min; 空气流量：300 mL/min; 样品浓度：0.5 mg/mL; 进样量：0.5μL。

  2.2.1.   共性问题

  自动进样器的核心是运动组件。标准型自动进样器由4个部分组成：圆形样品托盘旋转组件和3个机塔组件, 机塔部件分别为机塔旋转、注射针托车和注射针推拉杆组件。平台型自动进样器也由4个部分组成：样品托盘为X-Y方向运动的2个组件, 另外两个是注射针托车和注射针推拉杆组件, 机塔为固定设计。

  两种自动进样器的工作流程都可归结为5个基本步骤：(1)样品瓶位的定位; (2)液体样品的抽取; (3)色谱进样口定位; (4)样品注射; (5)注射针清洗。可见, 控制软件的主体框架是相同的, 这是两种自动进样器的共性部分。

  兼容性设计方面, 两种进样器的进样针组件和控制电路采用通用结构设计, 电气和机械接口作统一标准化设计。

  2.2.4.   控制器与驱动器

  通讯控制器和控制器1~4采用高性能微处理器, 控制程序和算法嵌入控制器内部。驱动器直接控制4台电机。电机包括步进电机、直流电机和步进电机与直流电机的混用3种类型。

  2.2.3.   控制策略

  系统控制采用分散型策略, 将控制器、驱动器、电机、位置传感器彼此完全独立成一对一的子系统, 如图 2所示, 可将故障引起的危险分散, 且易于进行多路拓展。

  2.2.2.   系统研发平台的架构

  研发平台由控制器、驱动器、电机、传感器、PC计算机和自动进样器主体6个部分组成, 如图 2所示, 核心是构建一个共用的多模式多轴伺服控制系统。多模式是指步进电机、直流电机、步进电机和直流电机混合控制, 以及开环和闭环控制等方式, 多轴是指由多个电机控制, 伺服控制用于精确跟随某个过程的反馈控制系统。

  图 2

  

  图 2  自动进样器系统开发平台示意图

  Figure 2.  Schematic of development platform of auto sampler system

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  2.2.5.   控制软件与算法

  研发平台的控制软件包括上位PC机软件和下位机软件。

  上位PC机软件具有集中控制与管理功能, 实现两种自动进样器的操作界面、参数、模式设置、状态显示等功能, 软件采用VC 6.0语言编写。下位机软件分为二层：第一层为通讯控制器软件; 第二层为子系统(控制器1~控制器4)软件, 软件采用8051汇编语言编写。第一层通讯控制器的作用是控制上位机与下位机、下位机一层与下位机二层之间的通讯, 并实现自动进样器工作流程的任务分配和调度, 对二层各子系统下发控制命令。第二层子系统的作用是开环和闭环、步进电机、直流电机、步进电机和直流电机的混用控制(启停、正反转、加速和减速)。基于动态预测和模糊控制算法实现高速制动控制、快速样品寻位的多轴联动控制、静态、动态补偿精密定位控制和校正控制等。

  两种自动进样器的控制软件全部采用功能模块的设计方法, 系统通过关系状态表进行模块的组合与调用, 实现不同自动进样器的相应流程控制。

  3.   结果与讨论

  3.1.   实验平台的构建

  通过优化, 选择AT89S52控制器(微处理器)芯片(美国Atmel公司)、L6205驱动器芯片(意大利ST公司)、ZGX45RGG162有刷直流电机(深圳市正科电机)、HK50-D8G05光电编码器(深圳市华之瑾科技公司)、A3144EUA霍尔元件(美国Allegro MicroSystems公司), 搭建4轴有刷直流电机伺服控制系统的研发实验平台(图 3)。

  图 3

  

  图 3  嵌入式4轴直流电机控制驱动模块示意图

  Figure 3.  Schematic of embedded 4 axis DC motor control-driven module

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  3.2.   一体化控制驱动模块

  最终设计将控制器、驱动器、光隔离、电源和辅助电路等集成在尺寸为71 mm×65 mm×30 mm的印刷电路板上, 形成一体化嵌入式控制驱动模块。RS-232通讯接口, 单24 V直流供电, 功耗小于10 W, 如图 3中的粗实线部分。两种自动进样器工作流程软件的“共性”部分复用, “个性”部分则通过增改相应子系统中的程序实现, 最后整体固化嵌入到控制驱动模块中。

  3.3.   兼容与互换

  一体化嵌入式控制驱动模块采用通用性设计, 有刷直流电机、编码器和霍尔器件采用同一型号, 注射组件为通用型结构件, 两种自动进样器电气与机械接口采用统一标准设计, 上述模块组件和器件实现了在两种机型间的直接代换。

  3.4.   自动进样器性能考察

  将110个样品位标准型自动进样器和40个样品位平台型自动进样器分别与GC128气相色谱仪和SP-2020气相色谱仪联机, 以十六烷-异辛烷标准液体样品进样分析, 对峰面积的重复性和进样梯度的线性相关性进行测试与考察。标准型110个样品位自动进样器的样品盘分为10个扇区, 在1~6扇区中各取1个瓶位, 依次连续6次进样测试; 平台型40个样品位自动进样器, 以对角线位置提取4个瓶位, 中心位置提取2个瓶位, 连续6次进样测试。

  110个样品位标准型和40个样品位平台型自动进样器均安装1μL手动进样针, 考察在小体积进样条件下的进样重复性, 结果见表 1和6次重复进样测试的RSD≤1.5%。

  表 1

  

  表 1  40个样品位自动进样器和110位自动进样器的进样重复性测试(正十六烷-异辛烷标准溶液，进样量0.5μL)

  Table 1.  Sampling repeatability test for the auto sampler with 40 positions and 110 positions(n-hexadecane in isooctane, injection volume: 0.5μL)

  下载: 导出CSV

  进样序号No.	40位自动进样器The auto sampler with 40 positions			110位自动进样器The auto sampler with 110 positions
  	标准溶液浓度Cocentration(mg/mL)	峰面积Peak area (μV·s)		标准溶液浓度Cocentration (mg/mL)	峰面积Peak area (μV·s)
  1	0.3	1.135×106		0.5	5.125×106
  2	0.3	1.116×106		0.5	5.125×106
  3	0.3	1.080×106		0.5	5.205×106
  4	0.3	1.129×106		0.5	5.109×106
  5	0.3	1.113×106		0.5	5.168×106
  6	0.3	1.109×106		0.5	4.977×106
  RSD (%)		1.1			1.5

  以40个样品位自动进样器为例, 分别取0.1, 0.3, 0.5, 0.7和0.9μL标准样品溶液进样, 色谱信号峰面积与进样量呈良好的线性关系, 相关系数为0.9947, 表明小体积进样间线性关系良好, 如图 4所示。

  图 4

  

  图 4  采用40个样品位自动进样器的色谱峰面积与进样量间的线性关系

  Figure 4.  Linear relationship between peak area and sample injection volume using auto sampler with 40 positions. n-hexadecane in isooctane (0.3 mg/mL), injection volume: 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 and 0.9μL

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  将两种自动进样器与气相色谱仪联机, 以0.5μL进样体积连续进样12 h的稳定性测试中, 未出现死机、弯针等现象。

  3.6.   平台化策略与拓展

  平台型自动进样器的结构为固定样品盘, 机塔是4轴(X-Y-Z-Z1, 双Z轴)的运动设计。以40个样品位自动进样器为例, 将样品托盘X-Y运动的两轴调整到机塔上即可组成4轴(X-Y-Z-Z1, 双Z轴)的运动控制。软件可通过修改控制驱动模块中X-Y方向的行程、校准参数和PC机软件实现拓展。基于上述平台将4轴运动控制驱动模块、直流电机和传感器等关键组件可快速集成为新的自动进样器, 实现CTC基本机型结构设计, 这也是平台化、模块化和兼容性设计所具有的优势。

  平台型多功能自动进样器, 以瑞士CTC公司的CTC PAL自动进样器具有代表性。按照其网站公布的(Gas Chromatographic Test)数据作为参考, 即采用Agilent 6890气相色谱仪(FID检测器), HP5色谱柱, 分流比1∶50, 测试样品为Alkane Test Mix C₁₄，C₁₅和C₁₆, 进样体积为1μL时, 峰面积重复性RSD=0.8%(n=8)。本研究所得结果与其对比尚有一些差距。目前存在的主要问题有：系统控制不够精准; 普通手动进样针气密性问题; 气相色谱仪误差和进样帽结构的匹配问题; 填充柱造成峰形拖尾问题。这些问题有待进一步改进。

  4.   结论

  本研究通过平台化、模块化和兼容性设计, 快速实现了两种不同结构自动进样器的研制, 以此开发出关键控制驱动模块与进样组件, 简化了研发流程, 有效降低了研发与制造成本。另一方面, 提出了新的理念和思路, 既不局限于单一仪器或者产品, 而是建立研发系统和平台。研究重点是模块设计, 共性部分构成通用模块, 可改变部分构成兼容性模块, 不同部分构成个性化模块。以通用、兼容和个性模块的组合与集成拓展出新的产品。本研究为仪器的研发和制造提供了一种新的思路和途径。

• 1. [1]

     Sampson M M, Chambers D M, Pazo D Y, Moliere F, Blount B C, Watson C H. Anal. Chem., 2014,86(14):7088-7095

  2. [2]

     Dehnhard M, Hatt J M, Eulenberger K, Ochs A, Strauss G. J. Steroid. Biochem. Mol. Biol., 2003,84(2-3):383-391

  3. [3]

     Helin A, R nkk T, Parshintsev J, Hartonen K, Schilling B, Läubli T, Riekkola M L. J. Chromatogr. A, 2015,1426:56-63

  4. [4]

     Herrero-Martín S, Nijenhuis I, Richnow H H, Gehre M. Anal. Chem., 2015,87(2):951-959

  5. [5]

     Guo L, Lee H K. Anal. Chem., 2014,86(8):3743-3749

  6. [6]

     Socaci S A, Socaciu C, Tofanã M, Raţi I V, Pintea A. Phytochents. Anal., 2013,24(4):319-328

  7. [7]

     ZHANG Xi-Xian, CHEN Lian, LI Hai-Yang, LIANG Zuo-Yu, ZHANG Yan-Hua. Modern Scientific Instruments., 2007,3:49-53 张西咸, 陈莲, 李海洋, 梁作宇, 张延华.现代科学仪器,2007,3:49-53

  8. [8]

     Jiao J, Simpson T W, Siddique Z. J. Intell. Manuf., 2007,18(1):5-29

  9. [9]

     Martin M V, Ishii K. Res. Eng. Des., 2002,13(4):213-235

  10. [10]

      Simpson T W. Analysis and Manufacturing, 2004,18(1):3-20

  11. [11]

      HOU Liang, WANG Hao-Lun, MU Rui, HUANG Wei, LIN Wen-Guang, LAI Rong-Shen. Chinese Journal of Mechanical Engineering., 2012,48(11):55-64 侯亮, 王浩伦, 穆瑞, 黄伟, 林文广, 赖荣燊.机械工程学报,2012,48(11):55-64

  12. [12]

      YANG Yun-Bin, WANG Feng-Jun, WEI Li-Fan, HE Liang-Li. Machinery Design & Manufacture., 2012,4:253-255 杨云斌, 王峰军, 韦力凡, 何良莉.机械设计与制造,2012,(4):253-255

• 

  Figure 1  Schematic illustration of standard 110 digit position auto sampler (a) and 40 digit position auto sampler (b)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  Figure 2  Schematic of development platform of auto sampler system

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  Figure 3  Schematic of embedded 4 axis DC motor control-driven module

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  Figure 4  Linear relationship between peak area and sample injection volume using auto sampler with 40 positions. n-hexadecane in isooctane (0.3 mg/mL), injection volume: 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 and 0.9μL

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  Table 1.  Sampling repeatability test for the auto sampler with 40 positions and 110 positions(n-hexadecane in isooctane, injection volume: 0.5μL)

  进样序号No.	40位自动进样器The auto sampler with 40 positions			110位自动进样器The auto sampler with 110 positions
  	标准溶液浓度Cocentration(mg/mL)	峰面积Peak area (μV·s)		标准溶液浓度Cocentration (mg/mL)	峰面积Peak area (μV·s)
  1	0.3	1.135×106		0.5	5.125×106
  2	0.3	1.116×106		0.5	5.125×106
  3	0.3	1.080×106		0.5	5.205×106
  4	0.3	1.129×106		0.5	5.109×106
  5	0.3	1.113×106		0.5	5.168×106
  6	0.3	1.109×106		0.5	4.977×106
  RSD (%)		1.1			1.5

  下载: 导出CSV
•