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CN116399909A - 一种液体摩擦化学成分分析谱仪及分析方法 - Google Patents

一种液体摩擦化学成分分析谱仪及分析方法 Download PDF

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CN116399909A CN202310408963.4A CN202310408963A CN116399909A CN 116399909 A CN116399909 A CN 116399909A CN 202310408963 A CN202310408963 A CN 202310408963A CN 116399909 A CN116399909 A CN 116399909A
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林世权
张金洋
王中林
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Abstract

本发明涉及一种液体摩擦化学成分分析谱仪及分析方法。该分析谱仪包括电极、绝缘体薄膜、电流采集模块和数据处理模块。电极设置有多个并呈阵列式排布。绝缘体薄膜设置有一层并铺设在多个电极之上。待测液滴按照多个电极的排布方向在绝缘体薄膜上表面滑动时，依次与每个电极上的绝缘体薄膜表面产生摩擦起电，进而诱导相应的电极产生对地电流。电流采集模块用于采集每个电极产生的对地电流数据。数据处理模块用于绘制出待测液滴的实测摩擦化学谱，并将其与多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行比对，得到多个谱重合度，选取谱重合度最高的溶液样本以获得待测液滴的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。本发明廉价、便携且易于维护保养。

Description

一种液体摩擦化学成分分析谱仪及分析方法
技术领域
本发明涉及液体化学成分分析领域，特别是涉及一种液体摩擦化学成分分析谱仪及分析方法。
背景技术
目前的化学成分分析方法有电感耦合等离子体发射光谱仪(inductive coupledplasma emission spectrometer,ICP)，X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectronspectrometer,XPS)，离子色谱分析方法(ion chromatography,IC)等。其中ICP方法利用不同元素电子跃迁时所释放的能量不同，因而产生其固有的特征谱线。同时，谱线强度与原子密度成一定关系，通过测试特征谱线的强度，并与一系列已知浓度的标准溶液相比较，即可得到样品溶液中各元素的含量。IC方法是利用被测物质的离子性进行分离和检测的液相色谱法。而XPS方法以一定能量的X光照射到样品表面，和样品发生作用，可以使样品原子中的电子脱离原子成为自由电子，利用能量分析器，测得光电子的能量，最终获得样品的组成。以上三种化学成分分析方法中ICP和IC针对液相样品，XPS针对固相样品。这三种化学成分分析方法的缺点是设备价格昂贵，维护困难，并不便携。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中化学成分分析方法的设备价格昂贵，维护困难，并不便携的技术问题，本发明提供一种液体摩擦化学成分分析谱仪及分析方法。
本发明公开一种液体摩擦化学成分分析谱仪，包括电极、绝缘体薄膜、电流采集模块以及数据处理模块。电极设置有多个并呈阵列式排布。绝缘体薄膜设置有一层并铺设在多个电极之上。其中，待测液滴按照多个电极的排布方向在绝缘体薄膜上表面滑动时，依次与每个电极上的绝缘体薄膜表面产生摩擦起电，进而诱导相应的电极产生对地电流。电流采集模块用于采集每个电极产生的对地电流数据。数据处理模块用于：
(a)根据多个电极的排布位置及其相应的对地电流数据，获得待测液滴沿排布方向在绝缘体薄膜上不同位置的起电量，绘制出位置-电荷量响应曲线，以此作为待测液滴的实测摩擦化学谱。
(b)将实测摩擦化学谱与一个数据库中多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行谱线比对，依次得到多个相应的谱重合度。其中，数据库中的多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度。
(c)确定数据库中与实测摩擦化学谱的谱重合度最高的溶液样本，进而根据该溶液样本的化学信息获得待测液滴的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。
作为上述方案的进一步改进，电极采用铜膜、铝膜或金膜。
作为上述方案的进一步改进，多个电极呈直线阵列式分布，且直线阵列的方向倾斜于水平面。
作为上述方案的进一步改进，电极的厚度为0.1μm-1mm，长度为1mm-100cm，宽度为1mm-10cm，且宽度方向平行于直线阵列方向。多个电极相互平行且等距排列，间距为1mm-100cm。
作为上述方案的进一步改进，电极沿垂直于直线阵列方向的截面形状为矩形、“V”型、“U”型或圆环形。
作为上述方案的进一步改进，多个电极呈圆周阵列式分布，并固定于一个滚筒上。绝缘体薄膜覆盖在滚筒的内壁且与多个电极接触。其中，液体摩擦化学成分分析谱仪还包括驱动件，其用于驱动滚筒以自身轴线为转动轴进行转动。
作为上述方案的进一步改进，绝缘体薄膜采用聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、尼龙或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为1μm-1mm。
本发明还公开一种液体摩擦化学成分分析方法，其应用于上述任意一项液体摩擦化学成分分析谱仪。分析方法包括以下步骤：
S1.获取待测液滴在绝缘体薄膜上表面滑动时各个电极所产生的对地电流数据。
S2.根据多个电极的排布位置及其相应的对地电流数据，获得待测液滴沿排布方向在绝缘体薄膜上不同位置的起电量，绘制出位置-电荷量响应曲线，以此作为待测液滴的实测摩擦化学谱。
S3.将实测摩擦化学谱与一个数据库中多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行谱线比对，依次得到多个相应的谱重合度。其中，数据库中的多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度。
S4.确定数据库中与实测摩擦化学谱的谱重合度最高的溶液样本，进而根据该溶液样本的化学信息获得待测液滴的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。
作为上述方案的进一步改进，数据库通过预先构建而成，构建方法包括以下步骤：
(1)根据分析需求设置多种特定化学信息的溶液样本，多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度。
(2)参照步骤S1～S2的方法依次对每种溶液样本进行多次的液滴摩擦起电测试，得到每种溶液样本的多组摩擦电化学谱并拟合为该溶液样本的标准摩擦化学谱，进而通过各种溶液样本的特定化学信息及其标准摩擦化学谱构建数据库。
作为上述方案的进一步改进，S3中，谱重合度的比对项目包括特征峰的位置、峰高和峰宽。
与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明的液体摩擦化学成分分析谱仪主要用于液体样品的成分分析，包括液体样品中存在的元素、化学价态、浓度等。本发明使用多个金属电极铺设在绝缘薄膜下，不同液滴在滑过固体薄膜时在不同位置的起电量有所差异，而不同位置的起电量通过金属电极和表面摩擦电荷的静电感应作用测得，实现了通过廉价的金属电极和静电计实现液滴化学成分分析的方法。由于结构简单且容易制作，除了节约成本以外，该液体摩擦化学成分分析谱仪还具备便携、容易维护保养的优点。
2、本发明的分析方法应用于上述分析谱仪，其有益效果与之相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例1中液体摩擦化学成分分析谱仪的原理图；
图2为图1中绝缘体薄膜、阵列电极固定于基材上的局部剖面图；
图3为本发明实施例1中截面呈矩形的直线电极阵列的结构示意图；
图4为本发明实施例1中截面呈“V”型的电极直线电极阵列的结构示意图；
图5为本发明实施例1中截面呈半圆环型(U型)的电极直线阵列的结构示意图；
图6为本发明实施例1中截面呈圆环形的电极直线阵列的结构示意图；
图7为本发明实施例1中电极圆周阵列在滚筒上的结构示意图；
图8为本发明实施例1中提供的不同溶液的化学成分分析谱；
图9为本发明实施例2中液体摩擦化学成分分析方法的流程图。
主要元件符号说明
1、电极；2、绝缘体薄膜；3、电流采集模块；4、滚筒；5、基材；6、待测液滴。
以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供一种液体摩擦化学成分分析谱仪，包括电极1、绝缘体薄膜2、电流采集模块3以及数据处理模块(图未示)。
电极1设置有多个并呈阵列式排布。绝缘体薄膜2设置有一层并铺设在多个电极1之上。
本实施例中，电极1可以使用任何导电材料，比如铜膜、铝膜、金模等，厚度可以是0.1μm-1mm，长度可以是1mm-100cm，宽度尺寸可以是1mm-10cm。所有电极1相互平行等距排列，间隔可以是1mm-100cm。
绝缘体薄膜2可以使用任何绝缘固体材料，比如聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯等，厚度可以是1μm-1mm。
其中，待测液滴6按照多个电极1的排布方向在绝缘体薄膜2上表面滑动时，依次与每个电极1上的绝缘体薄膜2表面产生摩擦起电，进而诱导相应的电极1产生对地电流。
电流采集模块3用于采集每个电极1产生的对地电流数据。本实施例中，电极1的对地电流可以通过静电计进行测量。另外，待测液滴的体积可以是0.1微升到1毫升。
请参阅图2，本实施例中，多个电极1可以呈直线阵列式分布，从而可以实现电极1数量不受限制，根据需求沿直线阵列的方向进行布置。另外，多个电极1可以固定于一个起到支撑作用的基材5上，基材5和绝缘体薄膜2的形状可随电极1的形状适应性设置。
请参阅图3，多个电极1可呈直线阵列式分布，且直线阵列的方向倾斜于水平面，倾斜角度为锐角，能够保证待测液滴6顺利滚落即可。图中下方的直线箭头表示直线阵列的方向。其中，电极1沿垂直于直线阵列方向的截面形状为矩形，即基材5整体可呈一块倾斜的矩形直板，而位于覆盖与多个电极1上方的绝缘体薄膜2也可与基材5随型。这样一来，待测液滴6可在倾斜的坡面上随多个电极1直线阵列的方向滑落，从绝缘体薄膜2的最高点滑落到最低点。
请参阅图4、图5和图6，作为上述方案的进一步改进，电极1沿垂直于直线阵列方向的截面形状也可以设置为“V”型、“U”型或圆环形等，从而可以形成沿直线阵列方向延伸的沟槽结构，以供待测液滴6更稳定地沿直线移动滑落。
当然，在本实施例中，还提供多个电极1的另外一种排布方式：圆周式阵列分布。请参阅图7，具体地，这些电极1可固定于一个圆形滚筒4的周向侧壁上，例如镶嵌式固定在滚筒4上，即滚筒4视为起支撑作用的基材5。每个电极1呈平行于滚筒4轴心线的直线条状，且电极1沿滚筒4径向的内侧构成滚筒4内壁的一部分。而绝缘体薄膜2恰好覆盖在滚筒4的整个内壁，且与多个电极1的内侧接触。这样一来，可以组成与上述直线式电极1阵列原理相同，但结构以及运行模式不同的分析谱仪。滚筒4的端部可以与一个驱动电机的输出轴同轴固定，从而可以驱动滚筒4以自身轴线为转动轴进行转动，图中的圆形双箭头指代滚筒4转动方向。当滚筒4携带多个电极1以及绝缘体薄膜2定向转动时，液滴由于自身重力始终处于滚筒4底壁的绝缘体薄膜2之上。这样一来，整个装置相当于跑步机或跑轮，液滴相当于在内部原地跑动，从而可以在滚筒4受外力作用转动时，依次经过各个圆周分布的电极1，使得各个电极1依次产生对地电流。需要说明的是，此种设置方式的滚筒4的轴心线与水平面平行，无需像上述直线阵列那样倾斜放置，从而可以在一定程度下节省分析谱仪的体积。在一些实施例中，还可以将多个滚筒4串联固定，只需要一个驱动电机即可同时带动多个滚筒4转动，从而可以针对不同的待测液滴6进行同时测量，有效提高了分析工作效率。
本发明正是利用液滴与固体表面的起电特性，当液滴在固体表面滑动时，在滑动的路劲上摩擦电荷并不均匀，而是呈一定规律的分布。而不同的液体与固体之间滑动路径上的摩擦电荷分布规律不同，即有的液滴在滑动开始时起电量大，在路径末尾起电量小，而有的液滴则是在滑动开始的起电量小，在路径末尾起电量大。根据这一事实，本发明在固体薄膜表面下方铺设金属电极1，使用静电计测量每个电极1的对地电流，当待测液滴6滑过固体表面时，与固体表面产生摩擦起电，诱导金属电极1上的对地电流，通过静电计测量金属电极1的对地电流，便可获得固体表面的摩擦电荷量分布。
数据处理模块用于：
(a)根据多个电极1的排布位置及其相应的对地电流数据，获得待测液滴6沿排布方向在绝缘体薄膜2上不同位置的起电量，绘制出位置-电荷量响应曲线，以此作为待测液滴6的实测摩擦化学谱。
如图8所示，该图给出的是用液体摩擦化学成分分析谱仪方法测得的不同溶液的摩擦化学成分谱，包括NaCl溶液、Na2CO3溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液、CuSO4溶液以及Zn(NO3)2溶液等，发现不同的离子有不同的特征峰，能够完成不同溶液的区分。其中，摩擦化学谱的横坐标为待测液滴6沿多个电极1的分布方向在绝缘体薄膜2上的移动距离，纵坐标为液体在固体表面不同位置的起电量。
(b)将实测摩擦化学谱与一个数据库中多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行谱线比对，依次得到多个相应的谱重合度。其中，数据库中的多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度。
具体地，两种溶液样本的化学成分、化学价态以及浓度这三种化学信息，其中至少一种存在区别。溶液样本的种类和数量越多，所构建的数据库就越丰富，计算谱重合度的结果就越精准。例如在其他化学信息和分析条件相同的前提下，在一定浓度区间内，可通过提高浓度样本数据的密度来丰富数据库，比如浓度范围在10％～50％浓度的NaCl溶液具有约40组样本，提高到400组样本。
(c)确定数据库中与实测摩擦化学谱的谱重合度最高的溶液样本，进而根据该溶液样本的化学信息获得待测液滴6的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。
其中，谱重合度的比对项目包括特征峰的位置、峰高和峰宽。在一些实施例中，可以根据大量实验以及经验值，为特征峰的位置、峰高和峰宽这三个比对项目分配不同的权重，通过加权融合得到谱重合度。
实施例2
本实施例提供一种液体摩擦化学成分分析方法，其可应用于实施例1中的液体摩擦化学成分分析谱仪。分析方法包括以下步骤：
S1.获取待测液滴6在绝缘体薄膜2上表面滑动时各个电极1所产生的对地电流数据。
S2.根据多个电极1的排布位置及其相应的对地电流数据，获得待测液滴6沿排布方向在绝缘体薄膜2上不同位置的起电量，绘制出位置-电荷量响应曲线，以此作为待测液滴6的实测摩擦化学谱。
S3.将实测摩擦化学谱与一个数据库中多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行谱线比对，依次得到多个相应的谱重合度。其中，数据库中的多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度。
S4.确定数据库中与实测摩擦化学谱的谱重合度最高的溶液样本，进而根据该溶液样本的化学信息获得待测液滴6的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。
作为上述方案的进一步改进，数据库通过预先构建而成，构建方法包括以下步骤：
(1)根据分析需求设置多种特定化学信息的溶液样本，多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度。
(2)参照步骤S1～S2的方法依次对每种溶液样本进行多次的液滴摩擦起电测试，得到每种溶液样本的多组摩擦电化学谱并拟合为该溶液样本的标准摩擦化学谱，进而通过各种溶液样本的特定化学信息及其标准摩擦化学谱构建数据库。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种液体摩擦化学成分分析谱仪，其特征在于，包括电极、绝缘体薄膜、电流采集模块以及数据处理模块；所述电极设置有多个并呈阵列式排布；所述绝缘体薄膜设置有一层并铺设在多个所述电极之上；其中，待测液滴按照多个所述电极的排布方向在所述绝缘体薄膜上表面滑动时，依次与每个所述电极上的绝缘体薄膜表面产生摩擦起电，进而诱导相应的所述电极产生对地电流；所述电流采集模块用于采集每个所述电极产生的对地电流数据；所述数据处理模块用于：
(a)根据多个所述电极的排布位置及其相应的对地电流数据，获得所述待测液滴沿所述排布方向在所述绝缘体薄膜上不同位置的起电量，绘制出位置-电荷量响应曲线，以此作为所述待测液滴的实测摩擦化学谱；
(b)将所述实测摩擦化学谱与一个数据库中多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行谱线比对，依次得到多个相应的谱重合度；其中，所述数据库中的多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度；
(c)确定所述数据库中与所述实测摩擦化学谱的谱重合度最高的溶液样本，进而根据该溶液样本的化学信息获得所述待测液滴的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。
2.根据权利要求1所述的液体摩擦化学成分分析谱仪，其特征在于，所述电极采用铜膜、铝膜或金膜。
3.根据权利要求1所述的液体摩擦化学成分分析谱仪，其特征在于，多个所述电极呈直线阵列式分布，且直线阵列的方向倾斜于水平面。
4.根据权利要求3所述的液体摩擦化学成分分析谱仪，其特征在于，所述电极的厚度为0.1μm-1mm，长度为1mm-100cm，宽度为1mm-10cm，且宽度方向平行于所述直线阵列方向；多个所述电极相互平行且等距排列，间距为1mm-100cm。
5.根据权利要求3所述的液体摩擦化学成分分析谱仪，其特征在于，所述电极沿垂直于所述直线阵列方向的截面形状为矩形、“V”型、“U”型或圆环形。
6.根据权利要求1所述的液体摩擦化学成分分析谱仪，其特征在于，多个所述电极呈圆周阵列式分布，并固定于一个滚筒上；所述绝缘体薄膜覆盖在所述滚筒的内壁且与多个所述电极接触；其中，所述液体摩擦化学成分分析谱仪还包括驱动件，其用于驱动所述滚筒以自身轴线为转动轴进行转动。
7.根据权利要求1所述的液体摩擦化学成分分析仪，其特征在于，所述绝缘体薄膜采用聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、尼龙或聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为1μm-1mm。
8.一种液体摩擦化学成分分析方法，其特征在于，其应用于如权利要求1至7中任意一项所述的液体摩擦化学成分分析谱仪；所述分析方法包括以下步骤：
S1.获取所述待测液滴在所述绝缘体薄膜上表面滑动时各个所述电极所产生的对地电流数据；
S2.根据多个所述电极的排布位置及其相应的对地电流数据，获得所述待测液滴沿所述排布方向在所述绝缘体薄膜上不同位置的起电量，绘制出位置-电荷量响应曲线，以此作为所述待测液滴的实测摩擦化学谱；
S3.将所述实测摩擦化学谱与一个数据库中多种溶液样本的标准摩擦化学谱逐个进行谱线比对，依次得到多个相应的谱重合度；其中，所述数据库中的多种溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度；
S4.确定所述数据库中与所述实测摩擦化学谱的谱重合度最高的溶液样本，进而根据该溶液样本的化学信息获得所述待测液滴的化学成分、离子种类、化学价态以及浓度信息。
9.根据权利要求8所述的液体摩擦化学成分分析方法，其特征在于，所述数据库通过预先构建而成，构建方法包括以下步骤：
(1)根据分析需求设置多种特定化学信息的溶液样本，多种所述溶液样本具有不同的化学成分、化学价态和/或浓度；
(2)参照步骤S1～S2的方法依次对每种溶液样本进行多次的液滴摩擦起电测试，得到每种溶液样本的多组摩擦电化学谱并拟合为该溶液样本的标准摩擦化学谱，进而通过各种所述溶液样本的特定化学信息及其标准摩擦化学谱构建所述数据库。
10.根据权利要求8所述的液体摩擦化学成分分析方法，其特征在于，S3中，所述谱重合度的比对项目包括特征峰的位置、峰高和峰宽。
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