CN117054299B - 一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于生物气溶胶检测技术领域，具体涉及一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，包括走航载体以及设置在走航载体上能够跟随其一起在待检测水域航行的：水体取样装置，用于实时对待检测水域的水体进行取样；雾化装置，用于实时接收水体取样装置获取的水体，并进行雾化，以及将雾化后得到的颗粒物与外部环境气体混合转化为气溶胶颗粒物；干燥装置，用于对雾化装置传输来的气溶胶颗粒物进行干燥处理；气溶胶颗粒检测装置，用于检测分析得到气溶胶颗粒物的粒径与化学组分信息。本申请的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统能够实现对江河湖泊、海洋等水中悬浮颗粒物的粒径与化学组分信息实时在线实时监测和走航分析。
Description
技术领域
本申请属于生物气溶胶检测技术领域，具体涉及一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统。
背景技术
海洋颗粒物质在海水中经过形成、转移、沉降及埋藏等一系列过程，在这些过程中它记录了生物活动及海洋中的物理和化学过程的信息，颗粒物的化学组成特征能够充分的反映自然环境自身的变化和人类活动对海洋环境造成的影响，因此成为各种学科研究生物地球化学作用的重要途径。
目前关于江河湖泊、海洋等水中悬浮颗粒物的组分分析主要通过离线采样的方式，使用扫描电镜、原子发射光谱（AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）等仪器进行分析，分析时通常还需要对采集的悬浮颗粒样品进行繁琐的前处理操作。为实现对江河湖泊、海洋等水环境中悬浮颗粒物的来源组成分析，需要对大面积的监测区域设置多个采样点进行分析，费时费力，且样品时效性无法得到保证，容易在样品转存、预处理等过程中发生变化。
目前尚未有能够实时走航在线实时监测水环境中悬浮颗粒物方法的相关研究。
发明内容
为了解决现有技术中存在的至少一个技术问题，本申请提供了一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统。
本申请公开了一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，包括：
水体取样装置，用于实时对待检测水域的水体进行取样；
雾化装置，用于实时接收所述水体取样装置获取的水体，并对所述水体进行雾化，以及将雾化后得到的颗粒物与外部环境气体混合转化为气溶胶颗粒物；
干燥装置，用于对所述雾化装置传输来的气溶胶颗粒物进行干燥处理；
气溶胶颗粒检测装置，用于接收所述干燥装置传输的干燥处理后的气溶胶颗粒物，并检测分析得到所述气溶胶颗粒物的粒径与化学组分信息；
走航载体，用于承载所述水体取样装置、雾化装置以及气溶胶颗粒检测装置在所述待检测水域航行，以使得所述水体取样装置能够对所述待检测水域的水体进行实时取样。
可选地，所述水体取样装置包括水进样管，所述水进样管上设置有水泵，所述水进样管的进水口处设置有拦截格栅，所述水进样管的出水口连接至所述雾化装置。
可选地，所述水体取样装置还包括设置在所述水进样管上且靠近其出水口端的压力计和流量计。
可选地，所述雾化装置包括雾化器和雾化室，所述雾化室设置有水体进口、气体补偿口、排水口以及气溶胶传输口，其中，所述水进样管通过其出水口端从所述水体进口伸入到所述雾化室，且所述雾化器设置在所述水进样管的出水口端部，另外，所述雾化室的气溶胶传输口通过气溶胶传输管与所述干燥装置连接。
可选地，所述雾化装置还包括：
气体补偿管，其连接至所述气体补偿口，且所述气体补偿管上设置有高效过滤器；
排水管，其连接至所述排水口，且所述排水管上设置有止回阀。
可选地，所述干燥装置包括干燥室，所述干燥室设置有干燥进气口和干燥排气口，其中，所述干燥进气口与所述气溶胶传输管连接，所述干燥排气口与干燥排气管连接，所述干燥排气管上设置气泵，另外，在所述气泵与干燥排气口之间的所述干燥排气管上，还设置有气溶胶取样口，所述气溶胶取样口通过气溶胶取样管连接至所述气溶胶颗粒检测装置。
可选地，所述气溶胶颗粒检测装置为单颗粒质谱仪。
可选地，所述单颗粒质谱仪包括进样系统、测径系统、电离系统以及质量分析系统，其中：
所述进样系统用于接收从所述气溶胶取样管输送来的气溶胶颗粒物，并利用空气动力学透镜对气溶胶颗粒物进行聚焦；
所述测径系统用于确定聚焦后的气溶胶颗粒物的粒径尺寸和测径颗粒数；
所述电离系统用于对气溶胶颗粒物的进行剥蚀和离子化，并产生荧光信号；
所述质量分析系统用于在双极性飞行时间质量分析器的作用下，同时进行正负离子分析，获取气溶胶颗粒物的化学组分信息。
可选地，所述走航载体上还设置有：
声呐，用于走航载体的定位和识别周围地形地貌信息；
摄像头，用于录制和监视航行过程周围环境信息；
天线，用于与外部进行远程连接和信息传输；
温湿度计，用于监测走航载体环境温湿度；
主机，用于控制走航载体整体系统运作状态和数据信息采集。
可选地，所述走航载体为走航船，所述走航船包括走航船体下层、走航船体上层、用于提供走航动力的螺旋桨以及用于为所有用电设备提供电力的电力系统。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，通过实时水体采样雾化和干燥的手段，将水中悬浮颗粒转化为气溶胶形态，结合走航载体和单颗粒质谱仪，能够实现对江河湖泊、海洋等水中悬浮颗粒物的粒径与化学组分信息在线实时监测和走航分析，不需要对采集的悬浮颗粒样品进行繁琐的前处理操作，不需要对大面积的监测区域设置多个采样点进行分析，能保证分析对象（样品）的时效性，不用担心在样品转存、预处理等过程中发生变化从而导致监测结果失真。
附图说明
图1是本申请水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统的结构示意图；
图2是本申请水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统中单颗粒质谱仪的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本申请公开了一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，可以实现对水中悬浮颗粒物的粒径与化学组分信息实时分析的在线走航监测。
具体的，本申请的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统包括水体取样装置、雾化装置、干燥装置、气溶胶颗粒检测装置以及走航载体。
其中，水体取样装置用于实时对待检测水域的水体进行取样；雾化装置用于实时接收水体取样装置获取的水体，并对水体进行雾化，以及将雾化后得到的颗粒物与外部环境气体混合转化为气溶胶颗粒物；干燥装置用于对雾化装置传输来的气溶胶颗粒物进行干燥处理；气溶胶颗粒检测装置用于接收干燥装置传输的干燥处理后的气溶胶颗粒物，并检测分析得到气溶胶颗粒物的粒径与化学组分信息；走航载体用于承载水体取样装置、雾化装置以及气溶胶颗粒检测装置在待检测水域航行，以使得水体取样装置能够对待检测水域的水体进行实时取样。
可以理解的是，上述的水体取样装置、雾化装置以及干燥装置可以采用目前已知具有相同功能的多种适合的装置，或者其具体结构可以根据需要进行适合的设置，下面将以一具体实例对各装置的结构进行说明。
如图1所示，在本实施例中，水体取样装置包括水进样管202，在该水进样管202上设置有水泵203，水泵203用于为抽水取样提供动力；另外，在水进样管202的进水口处设置有拦截格栅201，拦截格栅201的孔径优选为100μm，从而能够对水体（也叫水体样品）中直径大于100μm的障碍物进行拦截；进一步，在水进样管202上且靠近其出水口端位置处还依次设置有压力计204和流量计205，分别用于实时测量水进样管202中水体的压力和流量，从而便于对水泵203进行控制；最后，水进样管202的出水口连接至雾化装置。
本实施例中，雾化装置包括雾化器206、雾化室207；进一步的，雾化室207设置有水体进口、气体补偿口、排水口以及气溶胶传输口；其中，上述水进样管202是通过其出水口端从雾化室207的水体进口伸入到雾化室207中，另外，雾化器206也是设置于雾化室207中，并且是设置在水进样管202的出水口端部，从而使得雾化器206能够将水进样管202输送至雾化室207中的水体进行实时雾化；另外，雾化室207的气溶胶传输口通过气溶胶传输管212与干燥装置连接。
进一步的，在雾化室207的气体补偿口处连接有气体补偿管208，且气体补偿管208上设置有高效过滤器209，通过气体补偿管208和高效过滤器209的设置，使得雾化室207中能够将引入过滤后的外部环境气体，从而与水体样品雾化后的颗粒物混合转化为气溶胶形态。
进一步的，在雾化室207的排水口处连接有排水管211，且在排水管211上设置有止回阀210，通过排水管211和止回阀210的设置，使得雾化室207中多余的（未被完全雾化的）水体能够实时排出。
本实施例中，干燥装置包括干燥室213；具体的，干燥室213设置有干燥进气口和干燥排气口，其中，干燥进气口用于与上述气溶胶传输管212连接（即通过气溶胶传输管212来连接雾化室207与干燥室213）；进一步，干燥排气口处连接有干燥排气管216，且干燥排气管216上设置气泵215，另外，在气泵215与干燥排气口之间的干燥排气管216上，还设置有气溶胶取样口，气溶胶取样口通过气溶胶取样管214连接至气溶胶颗粒检测装置；其中干燥排气管216和气泵215的设置，是用于提供气溶胶在雾化室207、气溶胶传输管212和干燥室213中的传输动力，防止气溶胶在内部沉降损失。
进一步的，本申请中的气溶胶颗粒检测装置可以采用单颗粒质谱仪或其他质谱仪，也可以将单颗粒质谱仪联合其他光谱、质谱等在线气溶胶颗粒检测仪器使用。
本实施例中，优选气溶胶颗粒检测装置为单颗粒质谱仪300。需要说明的是，单颗粒质谱（SPMS）是一种无须预处理能够直接对环境中的气溶胶颗粒物的粒径和化学成分信息进行在线检测的质谱仪器，在大气气溶胶组分研究、气溶胶颗粒源解析、大气走航监测等方面已得到广泛应用；即单颗粒质谱仪300属于目前较为成熟的设备，因此下面仅介绍其工作原理（或工作过程）且仅通过工作原理对其结构进行反应。
单颗粒质谱仪300包括进样系统、测径系统、电离系统以及质量分析系统；其中，进样系统用于接收从气溶胶取样管214输送来的气溶胶颗粒物，并利用空气动力学透镜304对气溶胶颗粒物进行聚焦；测径系统用于确定聚焦后的气溶胶颗粒物的粒径尺寸和测径颗粒数；电离系统用于对气溶胶颗粒物的进行剥蚀和离子化，并产生荧光信号；质量分析系统用于在双极性飞行时间质量分析器的作用下，同时进行正负离子分析，获取气溶胶颗粒物的化学组分信息。
进一步的，单颗粒质谱仪300的具体工作过程如下（结合附图2所示）：
单颗粒质谱仪300内部的真空系统由第一差分室分子泵抽气口306、第二差分室分子泵抽气口308和第三差分室分子泵抽气口316进行抽真空，维持内部气溶胶检测所需真空环境；气溶胶颗粒首先进入进样口301，经过临界孔302过渡至内部低真空环境，气溶胶颗粒在下游缓冲腔303内速度降低稳定后，进入空气动力学透镜304中聚焦成准直粒子束，然后在加速喷嘴305的超音速气流加速下，经过差分孔307，然后依次通过第一束连续激光器309和第二束连续激光器312产生的激光照射，颗粒照射后产生的散射光分别由第一球面镜310和第二球面镜313汇聚至第一光电探测器311和第二光电探测器314，通过第一光电探测器311和第二光电探测器314的两个光电信号波峰，得到单个气溶胶颗粒的飞行时间，进而换算得到相应的空气动力学粒径和飞行速度；颗粒随后进入下游传输管315进入引出电极318中心，由上游测得的颗粒飞行速度触发脉冲电离激光器317产生高能量的脉冲激光，对颗粒进行解析电离。电离后产生的正负离子以相反方向由引出电极318加速引出后，进入无场飞行区飞行，分别由第一反射电极319和第二反射电极321反射转向，再经过一次无场飞行区飞行进入第一离子探测器320和第二离子探测器322中测得相应离子信号强度，进而转换为相应颗粒物的正负离子质谱图，得到相应的化学组分信息。
进一步的，如图1所示，本申请中的走航载体上还可以根据需要设置例如声呐401、摄像头402、天线403、温湿度计404以及主机405。
其中，声呐401用于走航载体的定位和识别周围地形地貌信息；摄像头402用于录制和监视航行过程周围环境信息；天线403用于与外部进行远程连接和信息传输；温湿度计404用于监测走航载体环境温湿度；主机405用于控制走航载体整体系统运作状态和数据信息采集。
进一步的，本申请的单走航载体同样根据需要进行适合的选择，例如可以是走航船、潜水艇或其他形式的能够对水体悬浮颗粒物进行走航在线实时监测的载体（载具）。
本实施例中，优选走航载体为走航船，走航船包括走航船体下层101（走航时其部分或全部位于待检测水域的水体中）、走航船体上层102（走航时其位于待检测水域的水体之外）、用于提供走航动力的螺旋桨103以及用于为走航系统中所有用电设备提供电力的电力系统104。需要说明的是，在上述提及的例如水体取样装置、雾化装置、干燥装置以及气溶胶颗粒检测装置中，可以单独设置相应的供电设备，以满足其使用要求，而本实施例中，为提高整体走航系统的稳定性，是优选所有装置电力都由走航船上的电力系统104来提供。
其中，如图1所示，除螺旋桨103之外，优选水体取样装置、雾化装置、声呐401以及电力系统104位于航船体下层101，优选干燥装置、气溶胶颗粒检测装置、摄像头402、天线403、温湿度计404以及主机405位于走航船体上层102。
综上，本申请的走航船在走航过程中，能够对途经水体进行持续抽取，水体悬浮颗粒物经过雾化干燥后呈气溶胶形态，由单颗粒质谱仪对其进行实时检测分析得到相应颗粒物的粒径与化学组分信息。
进一步的，本申请的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统的具体运作方式如下：
走航船在航行过程中，由电力系统104对走航船整体系统进行供电，螺旋桨103提供走航船航行动力；水泵203持续对走航船体下层101底部进行抽水取样，水体样品首先经过水体进样口拦截格栅201拦截直径大于100 μm的障碍物，依次经过水进样管202、水泵203、压力计204和流量计205，然后由雾化器206对水体进行实时雾化进入雾化室207；雾化室207通过气体补偿管208和高效过滤器209引入过滤后的外部环境气体，与水体样品雾化后的颗粒物混合转化为气溶胶形态；
进一步，雾化室207产生的气溶胶经过气溶胶传输管212传输至干燥室213中进行干燥，去除气溶胶中的水分，然后由气溶胶取样管214将经过干燥后的气溶胶传输至单颗粒质谱仪300中，进行单粒子的粒径与化学组分信息在线检测分析；
走航过程中，声呐401能够在走航船定位和识别周围地形地貌信息，摄像头402能够录制和监视航行过程周围环境信息，天线403能够与外部进行远程连接和信息传输，温湿度计404能够监测走航船环境温湿度，主机405能够控制走航船整体系统运作状态和数据信息采集。
本申请的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，通过实时水体采样雾化和干燥的手段，将水中悬浮颗粒转化为气溶胶形态，结合走航检测船和单颗粒质谱仪，能够实现对江河湖泊、海洋等水中悬浮颗粒物的粒径与化学组分信息实时在线实时监测和走航分析。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，其特征在于，包括：
水体取样装置，用于实时对待检测水域的水体进行取样；
雾化装置，用于实时接收所述水体取样装置获取的水体，并对所述水体进行雾化，以及将雾化后得到的颗粒物与外部环境气体混合转化为气溶胶颗粒物；
干燥装置，用于对所述雾化装置传输来的气溶胶颗粒物进行干燥处理；
气溶胶颗粒检测装置，用于接收所述干燥装置传输的干燥处理后的气溶胶颗粒物，并检测分析得到所述气溶胶颗粒物的粒径与化学组分信息；
走航载体，用于承载所述水体取样装置、雾化装置以及气溶胶颗粒检测装置在所述待检测水域航行，以使得所述水体取样装置能够对所述待检测水域的水体进行实时取样，所述走航载体为走航船，所述走航船包括走航船体下层(101)、走航船体上层(102)、用于提供走航动力的螺旋桨(103)以及用于为所有用电设备提供电力的电力系统(104)，其中，所述水体取样装置、雾化装置以及电力系统(104)位于走航船体下层(101)，所述干燥装置、气溶胶颗粒检测装置位于走航船体上层(102)；
所述水体取样装置包括水进样管(202)，所述水进样管(202)上设置有水泵(203)，所述水进样管(202)的进水口由内向外贯穿所述走航船体下层(101)底部，并在进水口处设置有拦截格栅(201)，所述水进样管(202)的出水口连接至所述雾化装置；
所述雾化装置包括雾化器(206)和雾化室(207)，所述雾化室(207)设置有水体进口、气体补偿口、排水口以及气溶胶传输口，其中，所述水进样管(202)通过其出水口端从所述水体进口伸入到所述雾化室(207)，且所述雾化器(206)设置在所述水进样管(202)的出水口端部，另外，所述雾化室(207)的气溶胶传输口通过气溶胶传输管(212)与所述干燥装置连接；
所述雾化装置还包括：
气体补偿管(208)，其连接至所述气体补偿口，且所述气体补偿管(208)上设置有高效过滤器(209)；
排水管(211)，其连接至所述排水口，且所述排水管(211)上设置有止回阀(210)。
2.根据权利要求1所述的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，其特征在于，所述水体取样装置还包括设置在所述水进样管(202)上且靠近其出水口端的压力计(204)和流量计(205)。
3.根据权利要求1所述的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，其特征在于，所述干燥装置包括干燥室(213)，所述干燥室(213)设置有干燥进气口和干燥排气口，其中，所述干燥进气口与所述气溶胶传输管(212)连接，所述干燥排气口与干燥排气管(216)连接，所述干燥排气管(216)上设置气泵(215)，另外，在所述气泵(215)与干燥排气口之间的所述干燥排气管(216)上，还设置有气溶胶取样口，所述气溶胶取样口通过气溶胶取样管(214)连接至所述气溶胶颗粒检测装置。
4.根据权利要求3所述的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，其特征在于，所述气溶胶颗粒检测装置为单颗粒质谱仪(300)。
5.根据权利要求4所述的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，其特征在于，所述单颗粒质谱仪(300)包括进样系统、测径系统、电离系统以及质量分析系统，其中：
所述进样系统用于接收从所述气溶胶取样管(214)输送来的气溶胶颗粒物，并利用空气动力学透镜(304)对气溶胶颗粒物进行聚焦；
所述测径系统用于确定聚焦后的气溶胶颗粒物的粒径尺寸和测径颗粒数；
所述电离系统用于对气溶胶颗粒物的进行剥蚀和离子化，并产生荧光信号；
所述质量分析系统用于在双极性飞行时间质量分析器的作用下，同时进行正负离子分析，获取气溶胶颗粒物的化学组分信息。
6.根据权利要求1-5任一项所述的水中悬浮颗粒在线实时监测走航系统，其特征在于，所述走航载体上还设置有：
声呐(401)，用于走航载体的定位和识别周围地形地貌信息；
摄像头(402)，用于录制和监视航行过程周围环境信息；
天线(403)，用于与外部进行远程连接和信息传输；
温湿度计(404)，用于监测走航载体环境温湿度；
主机(405)，用于控制走航载体整体系统运作状态和数据信息采集。
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