CN101097182B - 一种动态旋转样品池及红外光谱分析通用附件 - Google Patents

Abstract

一种动态旋转样品池，包括穿过样品池中心的旋转轴(2)，所述的旋转轴(2)的轴向为水平，样品池包括样品池框架(3)和置于样品池框架(3)的两侧的样品池窗片(4)。该动态旋转样品池适用测定固体样品的近红外光谱，样品池垂直旋转，其内的样品在光谱测定过程中的堆积状态不断改变，所得光谱的重复性好，可有效提高近红外光谱测试样品性质的准确性。

Description

一种动态旋转样品池及红外光谱分析通用附件

技术领域

本发明涉及一种旋转样品池及红外光谱分析通用附件，更具体的说，是一种用于近红外漫反射和漫透射方式采集固体样品光谱的动态旋转样品池和通用附件。

背景技术

近红外光谱技术作为一种快速、无损检测技术在农业、医药、食品、临床医学、环境、化工领域得到越来越广泛的重视。近年来，计算机和多变量统计分析技术的应用，以及高信噪比现代近红外光谱仪的推出，使近红外光谱法在固态样品非破坏性分析中得到更深入的研究和应用。

现有的测定固体颗粒样品、特别是大颗粒样品的近红外光谱方法受到样品形态、堆积密度的影响非常大。样品在分析过程中的堆积状态不发生变化，重新装样后，光谱重复性差，因此采用传统的漫反射和透射方法很难得到理想的结果。

CN2285895Y公开了一种近红外石油组成分析仪。该仪器采用固定光路结构，线阵电荷耦合器件CCD作为光电信号转换器。样品池固定在光源和检测器之间，通过透射方式采集样品的近红外光谱。该仪器的样品池适于测定液体样品，若用于测试固体颗粒样品，则固定的样品池仅能得到样品一个位置的光谱。由于固体颗粒样品的粒径较大，分布不均匀，不同的堆放位置测得的光谱差异较大，因此，使用该仪器测试固体样品时，不能得到全面反映固体颗粒样品的、重复性好的光谱。

CN2697642Y公开了一种近红外光谱仪专用试验台，设置了一个带样品槽的水平旋转台。在测量过程中，采用了动态采集信号，样品槽在距离近红外光谱仪的测量口0.3～0.5毫米处做水平旋转，这样就扩大了近红外光谱仪的信号采集面积，增加了样品采集的信息量，减少了装样过程带来的人为误差和样品本身不均匀产生的系统误差。

CN2615660Y公开了一种近红外谷物品质分析仪用漫透射测定装置。该装置由光源输入光纤、信号接收光纤、同轴采样器及圆形透明旋转容器组成，圆形透明旋转容器位于呈对向设置的光源输入光纤的光源输入面与信号接收光纤的信号接收面之间，特点是在圆形透明旋转容器内设置扇形的隔光器和设于扇形隔光器上对应于光源输入面的圆形固定衰减比减光片。所述的圆形透明旋转容器的底面和顶面分别为透明框，在透明框内放置被测谷物。所述圆形透明旋转容器在测试时水平旋转，通过透射方式采集穿过透明旋转容器的近红外漫透射光谱。

上述设有水平旋转样品池的仪器并不能改变样品在采集过程中的堆积状态，测定过程中得到的样品光谱仍会受样品堆积状态的影响而无法得到理想的分析结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态旋转样品池，该样品池用于固体样品的红外光谱分析，具有较好的光谱重复性。

本发明的另一个目的是提供一种包括所述的动态旋转样品池的红外光谱通用分析附件，该附件便于携带和操作。

本发明提供的动态旋转样品池，包括穿过样品池中心的旋转轴、样品池框架和置于样品池框架两侧的样品池窗片，所述的旋转轴的轴向为水平。

本发明提供的红外光谱分析通用附件，包括动态旋转样品池及置于其外的附件盒体，所述盒体左右两侧的壁上分别设有检测光入口和检测光出口，盒体上下两端的壁上分别设有进料口和出料口，所述的动态旋转样品池包括穿过样品池中心的旋转轴、样品池框架和置于样品池框架两侧的样品池窗片，所述旋转轴的轴向为水平，并与置于附件盒体内的驱动电机相连，样品池框架上设有进样口。

本发明所述的动态旋转样品池，将旋转轴穿过样品池中心，并使其轴向为水平方向，使用时样品池在旋转轴的带动下垂直旋转，光源发出的光照射到样品池内连续改变堆积状态的固体样品，使采集的光谱能充分反映固体颗粒样品的特征，有效提高测定固体样品的光谱重复性，减小每次装样过程中因固体颗粒样品处于不同的堆积状态对光谱重复性带来的影响，进而提高测定的准确性。本发明提供的红外光谱分析通用附件使所述的动态旋转样品池便于携带并与近红外分析仪配套使用，配上进出样漏斗后更便于操作。

附图说明

图1为本发明提供的一种动态旋转样品池的结构示意图。

图2为图1中D-D面的剖面图。

图3为本发明提供的另一种动态旋转样品池的结构示意图。

图4为图2中E-E面的剖面图。

图5为本发明提供的红外光谱通用分析附件的结构示意图。

图6为使用本发明所提供的动态旋转样品池通过漫透射方式采集光谱的工作原理示意图。

图7为使用本发明所提供的动态旋转样品池采集的聚丙烯粒料样品的近红外漫透射光谱。

图8为使用本发明所提供的动态旋转样品池采集的聚丙烯粉料样品的近红外漫反射光谱。

具体实施方式

本发明提供的动态旋转样品池将旋转轴穿过样品池的中心，旋转轴轴向为水平，转动时带动样品池沿垂直方向转动。进行近红外分析时，放在样品池内的固体样品随样品池转动从样品池底部向上移动，到达一定高度后，在重力作用下滑到样品池底端，重新堆积后，下层样品在上层样品的限制下不再发生滑动。在光谱测定过程中，固体样品不断重新堆积。光源发出的光透过样品池中的固体样品在样品表面和内部会发生反射、折射、衍射和透射，使所得光谱能反映样品在不同的堆积状态下的特征，大大提高光谱的重复性。

为便于在样品池中装填不同类型的样品，本发明所述的样品池有两种不同的结构。一种是将两片样品池窗片固定于样品池框架的两侧形成样品池，在样品池框架上设有进样口。另一种是在样品池框架的一侧固定一片样品池窗片，另一片为活动样品池窗片，使用时再固定在样品池框架上，优选的方法是在样品池框架另一侧的旋转轴上设有螺纹，使用时将活动样品池窗片通过螺母固定在样品池框架上形成样品池。

所述的旋转轴优选为变径轴，其位于样品池内的直径较位于样品池外的直径大。

所述的样品池框架优选圆筒形，样品池窗片优选呈圆环形。样品池窗片置于样品池框架的两侧形成密封的圆筒形容器。

所述样品池窗片的材质为任何可透过近红外光的玻璃。

所述的旋转轴优选滑动轴承或滚动轴承。旋转轴可以手动操做，优选的是与驱动电机相连并由其驱动，以进行匀速转动。所述的驱动电机优选步进电机或直流电机。所述的驱动电机可直接与旋转轴相连带动样品池转动，也可采用齿轮、齿条或皮带等与旋转轴相连，间接带动样品池转动。

本发明所述红外光谱分析通用附件是将本发明所述的动态旋转样品池置于盒体内，盒体两侧的壁上分设检测光入口和检测光出口，即设置检测光通道。所述附件盒体上下端分设进料口和出料口，以利于样品从样品池中进出。

所述盒体上端的进料口处优选设置进料漏斗，盒体下端的出料口处优选设置出料漏斗。

所述的盒体内优选设有积分球，所述积分球的入射光通道与盒体上的检测光入口相连，积分球侧壁设置有光电检测器接口。

下面结合附图详细说明本发明，但本发明并不限于此。

图1为本发明的一种动态旋转样品池结构示意图。由图1可知，该动态旋转样品池由穿过样品池中心的旋转轴2和样品池组成，所述的样品池由样品池框架3和样品池窗片4组成，样品池框架3的上端设有进样口1，样品池窗片4呈圆环形。由图2所示的图1中D-D截面的剖面图可知，所述的样品池窗片4固定在样品池框架3的两侧，旋转轴2穿过样品池中心并水平放置，其轴向为水平，旋转轴2位于样品池内的直径大于位于样品池外的直径。

由图3所示本发明的另一种动态旋转样品池可知，该动态旋转样品池由穿过样品池中心的旋转轴2和样品池组成，所述的样品池由样品池框架3和样品池窗片4组成。由图4所示图3中E-E截面的剖面图可知，所述的样品池窗片4的一片固定在样品池框架3的一侧，旋转轴2水平放置并穿过样品池中心，其轴向为水平。旋转轴2位于样品池内的直径大于位于样品池外的直径，并且位于样品池外一端的旋转轴2上设有螺纹5。另一片样品池窗片则通过螺纹用螺母16固定在样品池框架3的另一侧。

由图5可知，本发明提供的红外光谱分析通用附件包括盒体10和置于其内的动态旋转样品池。所述的盒体10的左右两侧分别设有检测光入口6和检测光出口7，盒体10的上下两端分别设有进料口8和出料口9。所述的动态旋转样品池由穿过样品池中心的旋转轴2和样品池组成，样品池由样品池框架3和固定在其两侧的样品池窗片4组成，样品池框架3的上端设有进样口1。置于盒体内的旋转轴2伸出样品池的一端与驱动电机15相连。积分球13位于旋转轴2下方，积分球一侧的入射光通道与盒体上的检测光入口6相连，积分球13的另一侧置于样品池朝向积分球一侧的窗片处，积分球的光电检测器接口1 4位于积分球的侧壁上。所述的盒体10上端的进料口8处设有进料漏斗12，盒体10下端的出料口8处设有出料漏斗11。

本发明提供的动态旋转样品池和通用附件在使用时有两种样品光谱的采集方法，一种是采集被测样品的漫透射光谱，另一种是采集被测样品的漫反射光谱。

采集被测样品的漫透射光谱的方法是：将被测的固体样品装入样品池，样品的装入量为样品池体积的30～70％，优选45～55％。装样后转动样品池。随着样品池的旋转，样品在样品池的下半部分不断改变堆积状态。将光源置于样品池下半部分的一侧，检测光接收器置于与光源相对的另一侧。当光源发出的光照射样品池内的样品，检测光接收器即接收透过样品的漫透射光，并通过分光检测单元将接收的漫透射光进行分光后转换成电信号输出到数据处理单元，数据处理单元对接收到的电信号进行数据处理即得到样品的漫透射光谱。

采集被测样品的漫反射光谱的方法是：将被测的固体样品装入样品池，样品池装样量及转动方式与第一种方法相同。将光源置于样品池下半部分的一侧，检测光接收器置于光源的同侧。光源发出的光照射样品池内的样品，漫反射光进入检测器转换成电信号输出到数据处理单元，经数据处理即得到样品的漫反射光谱。

所述光源可以为点光源，也可为面光源。由于固体颗粒测试分析时需要较大功率的光源，优选面光源，更优选带反射杯的卤钨灯作为光源。

本发明提供的图1所示的动态旋转样品池的使用方法为：将被测固体样品由进样口1装入样品池，然后封闭进样口1。卸样时，再将进样口1打开，倒出样品。本发明提供的图3所示结构的动态旋转样品池的使用方法为：将被测固体样品放入样品池中，再将活动的样品池窗片置于样品池框架3的一侧，用螺母16固定在样品池框架3和旋转轴2上，形成封闭系统。卸样时，打开活动的样品池窗片，将样品取出。

将图1或图3所示的动态旋转样品池下方盛放样品的地方置于红外光谱仪光源照射处，开启驱动电机使与之相连的旋转轴2均速转动，动态旋转样品池中样品随样品池转动不断堆积，检测样品发出的漫透射光或漫反射光信号，经数据处理即可得到样品的漫透射光谱或漫反射光谱。

本发明提供的图5所示的红外光谱分析通用附件的使用方法为：将被测的固体样品装入进料漏斗12，调整动态旋转样品池的进样口1位于进料漏斗12的下方，打开进样口1，样品则由进样口1进入样品池内。进样后关闭进样口1，开动驱动电机，使旋转轴2在垂直面方向转动，样品即随样品池的转动而不断堆积。光源发出的光则通过检测光入口6进入附件的盒体10内，照射样品池内的样品，样品的漫透射光由检测光出口7导出，传入分光检测单元转换成电信号输出到数据处理单元，经数据处理后得到样品的漫透射光谱。测试完毕，控制进样口1处于出料漏斗11的上方，打开进样口1，样品即沿出料漏斗9排出。所述的通用附件内设置的积分球13更适于测定被测样品的漫反射光谱。

本发明提供的动态旋转样品池及通用附件适用于固体样品的组成、分子结构以及其它相关信息的近红外光谱的分析，尤其适用于高分子聚合物的近红外光谱的分析，如测定聚烯烃的熔体流动速率、拉伸屈服强度、等规度等。

下面的实例进一步说明本发明在固体样品的近红外光谱测定中的应用。

实例1

采用图1所示的本发明动态旋转样品池，由样品池的进样口1向样品池内装入聚丙烯粒料样品50克。将动态旋转样品池置于红外光谱仪的光路中如图6所示。图6中，动态旋转样品池的下部置于光源17和透镜组18之间，透镜组18和透镜组21由光纤19相连。分光检测单元由光栅23、反射镜24和光电二极管线列检测器25组成。

用额定功率为50瓦、带反射杯的卤钨灯为近红外光源17，照射样品池内的聚丙烯粒料，穿透样品的漫透射光由透镜组18收集，经光纤19、透镜组21和狭缝22提供给光栅23，由光栅分光后的单色光经反射镜24进入光电二极管线列检测器25转换成电信号输出到计算机26进行数据处理，得到的聚丙烯粒料样品的漫透射光谱如图7所示。

所述的样品池框架直径120毫米，窗片厚度25毫米，旋转轴2采用滚动轴承。凸透镜组18直径30毫米。光纤19为SMA905标准接口光纤。光栅为透射全息光栅；狭缝宽度为50微米。光电二极管线列检测器25为InGaAs光电二极管线列，像元数为512，波长范围900～1700纳米。光谱数据按照像元顺序等间隔取值。

实例2

采用图3所示的动态旋转样品池，其样品池窗片厚度10毫米，样品池框架直径120毫米，旋转轴采用滚动轴承。先将20克聚丙烯粉料样品装入样品池内，再将另一片样品池窗片穿过旋转轴2，盖在样品池框架3上后用螺母16固定密封。

用额定功率为20瓦的卤钨灯为近红外光光源照射聚丙烯粉料样品，反射光用透镜组收集后通过光纤按图6所示的光路引入光电二极管线列检测器，将光信号转换为电信号后进行数据处理。所用光谱检测部件均同实例1，得到的聚丙烯粒料样品的漫反射光谱如图8所示。

Claims (9)

1.一种测量固体颗粒的动态旋转样品池，包括穿过样品池中心的旋转轴(2)、样品池框架(3)和置于样品池框架(3)两侧的样品池窗片(4)，所述的旋转轴(2)的轴向为水平，所述的样品池框架(3)为圆筒形，样品池窗片(4)呈圆环形，样品池窗片(4)置于样品池框架(3)的两侧形成密封的圆筒形容器，样品池框架(3)上设有进样口(1)。

2.按照权利要求1所述的样品池，其特征在于所述的位于样品池外的旋转轴(2)上设有螺纹(5)。

3.按照权利要求1所述的样品池，其特征在于所述的旋转轴(2)为变径轴，其位于样品池内的直径较位于样品池外的直径大。

4.按照权利要求1所述的样品池，其特征在于所述的旋转轴(2)为滑动轴承或滚动轴承。

5.按照权利要求1所述的样品池，其特征在于所述的旋转轴(2)与驱动电机相连并由其驱动。

6.按照权利要求5所述的样品池，其特征在于所述的驱动电机为步进电机或直流电机。

7.一种红外光谱分析通用附件，包括动态旋转样品池及置于其外的盒体(10)，所述盒体(10)左右两侧的壁上分别设有检测光入口(6)和检测光出口(7)，盒体上下两端的壁上分别设有进料口(8)和出料口(9)，所述的动态旋转样品池包括穿过样品池中心的旋转轴(2)、样品池框架(3)和置于样品池框架(3)两侧的样品池窗片(4)，所述旋转轴(2)的轴向为水平，并与置于附件盒体内的驱动电机(15)相连，所述的样品池框架(3)为圆筒形，样品池窗片(4)呈圆环形，样品池窗片(4)置于样品池框架(3)的两侧形成密封的圆筒形容器，样品池框架(3)上设有进样口(1)。

8.按照权利要求7所述的附件，其特征在于所述的盒体上端的进料口(8)处设有进料漏斗(12)，盒体下端的出料口(12)处设有出料漏斗(11)。

9.按照权利要求7所述的附件，其特征在于所述的盒体内还设有积分球(13)，所述积分球的入射光通道与盒体(10)上的检测光入口(6)相连，积分球侧壁设置有光电检测器接口(14)。

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