王跃华 李亚钊 曲 建 郝孟辉

（河北华清环境科技集团股份有限公司，石家庄 050000）

在一些实验中，被测物经分离、净化后，样液的量比较多，被测定成分含量极少，如痕量测定实验，因此在测定前需要浓缩样液，从而提高样液浓度和分析的灵敏度。

《土壤和沉积物 半挥发性有机物的测定 气相色谱-质谱法》（HJ 834—2017）规定，要根据样品基体干扰情况选择合适的净化方法对提取液和净化液进行浓缩、定容，经气相色谱分离、质谱检测[1]。其中，浓缩环节一般采用旋转蒸发与惰性气体缓慢吹干的方式。当样品数量不多或溶剂量较小时，采用该法十分方便；当同时需要浓缩大批量样品且溶剂量较多时，以上方法费时、费力（需要看管，以防吹干）且开放式的氮吹装置对操作人员身体健康极为不利[2]。平行真空浓缩仪通过同时加热、减压、振荡将多样品快速蒸干或定量浓缩，能够有效避免高温对某些目标物的破坏。

本文设计了一种高通量真空平行浓缩仪，可同时对多个样品进行浓缩，且浓缩耗时短，大大提高了检测效率。浓缩仪包括控制单元、冷凝回收单元、真空抽取单元、振荡单元、给排水单元、加热单元及水槽、密封盖板以及样品架[3]。该仪器采用STM32作为嵌入式系统主控芯片对振荡电机、加热装置、水槽给排水系统以及压力系统等进行控制，并通过串行通信方式与串口触摸屏交互，从而实现设备的整体控制操作。同时，以压力、水浴温度、转速为因子，以时间及回收率为依据，筛选最优条件，从而实现多样品快速定量浓缩。

1 工作原理

通过水浴或油浴加热盛装在蒸发瓶内的提取液，在负压条件下边振荡、边加热，使蒸发瓶内的溶液黏附于内壁形成一层薄的液膜，从而增大蒸发面积。此时，由于负压作用，溶剂的沸点降低，进一步提高了蒸发效率。被蒸发的溶剂在冷凝器中被冷凝、回流至接收瓶。基于上述原理及自动化技术，本文设计了一种高通量真空平行浓缩仪，可同时进行多个样品浓缩，大大节省了人力和实验室空间[4]。该仪器采用透明材质制成水槽，可实时观测浓缩进程。

2 设计

本文设计的高通量真空平行浓缩仪包括气路系统设计、嵌入式控制系统设计及人机交互软件设计3部分。其中：气路系统由样品瓶、密封盖板、冷凝回收单元、电磁阀以及真空泵等组成；嵌入式控制系统采用STM32作为主控芯片，实现振荡、加热、真空抽取、冷凝回收以及给排水等控制操作；人机交互软件设计采用触摸屏进行人机交互。

2.1 气路系统设计

本设计通过密封盖板密封样品瓶。其中，密封盖板内部开设有导流支槽、总导流槽和与样品管密封对接的蒸汽口。样品瓶内的溶剂经水浴加热变为蒸汽，再由蒸汽口进入导流支槽，最后汇入总导流槽后经吸气接头与冷凝单元连接。冷凝单元连接真空泵，进行溶剂的冷凝回收。

2.2 嵌入式控制系统设计

嵌入式控制系统采用STM32F103ZET6作为主控芯片，主要包括电源控制模块、I/O控制模块、串口通信模块以及振荡模块，能够实现温度和压力数据采集、加热控制、真空度控制、给排水阀开关控制和振荡步进电机调速控制[5]。另外，该芯片还能够与串口触摸屏进行控制数据交互，具体功能如图1所示。

2.2.1 振荡控制单元

仪器运行过程中边加热、边振荡，从而增大了蒸发面积，提高了蒸发效率。该模块采用减速步进电机配合离心块或凸轮设计振荡装置，通过STM32向电机驱动器发送不同频率的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波实现振荡控制[6]。

2.2.2 温控单元

此单元主要负责对样品管上盖和水槽进行加热控制。上密封加热模块采用石墨加热形式配合温度传感器反馈实现闭环温控，下水槽采用加热板形式配合传感器反馈实现闭环温控。

2.2.3 给排水控制单元

给排水控制单元利用STM32控制水的泵入和泵出，并实时获取安装在水槽顶部和底部的液位传感器信号，从而控制水槽的给排水。

2.2.4 真空度控制单元

真空度控制单元采用压力传感器测量密封槽内的真空度，并通过控制真空气阀实现真空度闭环控制，在蒸馏浓缩完成后打开进气阀破真空。

2.3 人机交互软件

人机交互软件采用串口触摸屏编写设备人机交互软件界面，实现了参数设置、温度设定与控制、振荡频率设置与控制、给排水控制、压力设置与控制等触摸操作功能。本设备设计有登录、参数设置、溶剂选择以及操作控制等界面，分别如图2～图5所示。

3 实验

3.1 主要材料及仪器

试验过程中，试剂选用农残级二氯甲烷、农残级丙酮、二氯甲烷-丙酮混合溶剂（1∶1）；内标贮备液选用1,4-二氯苯-d4、萘-d8、苊-d10、菲-d10、䓛-d12和苝-d12；内标中间液选用二氯甲烷-丙酮混合溶剂稀释配制内标贮备液；试验仪器选用气相色谱质谱仪。

3.2 实验步骤

首先，在浓缩管中加入40 mL二氯甲烷-丙酮混合溶剂（1∶1），并加入适量内标中间液。其次，浓缩后按HJ 834—2017要求用GC/MS检测并进行回收率的计算。最后，控制高通量真空浓缩仪上盖温度为50 ℃，冷凝温度为-1 ℃。

3.3 实验设计与结果

本实验以多环芳烃成分萘、苊、菲为例，通过设定不同的转速、水浴温度及压力，以时间及回收率为依据选择最优实验条件。共进行了3组实验，每组实验6个平行样，实验数据如下。

3.3.1 转速的影响

设置水浴温度为30 ℃、压强为35 kPa，依次设置高通量真空平行浓缩仪的转速为100 r·min-1、200 r·min-1、300 r·min-1，实验结果如表1所示。由表1可知，转速为200 r·min-1和300 r·min-1时，用时及回收率并无明显区别，因此在考虑功率及电机寿命的前提下，选择200 r·min-1为最优转速。

表1 转速对回收率的影响

3.3.2 水浴温度的影响

设置转速为200 r·min-1，依次设置浓缩仪的水浴温度为30 ℃、32 ℃、34 ℃，实验结果如表2所示。由表2可以看出，升高温度可以减少所用时间，但温度过高会引起目标产物蒸发，从而导致回收率降低。综上，选择32 ℃作为最优温度。

表2 水浴温度对回收率的影响

3.3.3 压强的影响

设置转速为200 r·min-1、水浴温度为32 ℃，依次设置浓缩仪的压强为30 kPa、35 kPa、40 kPa，实验结果如表3所示。由表3可得，低压可以降低溶剂沸点从而减少所用时间，但压强过低会增加目标产物的蒸发率。综上，选择35 kPa为最佳压强。

表3 压力对回收率的影响

4 结语

高通量真空平行浓缩仪常应用于监测单位对萃取液的浓缩，多采用旋转蒸发与惰性气体缓慢吹干。当样品数量不多或溶剂量较小时，采用该法十分方便。但是，当需要同时浓缩大批量样品且溶剂量较多时，以上方法费时、费力且开放式的氮吹装置对操作人员的身体健康极为不利。参照HJ 834—2017对实验最优条件进行研究，实验表明，以时间、回收率为依据，水浴温度为32 ℃、压强为35 kPa、转速为200 r·min-1、蒸发用时为90 min时，回收率较高，可以实现样品批量化、快速、高回收率浓缩。