电子顺磁共振（EPR）是探测具有未配对电子的样品在外磁场作用下能级发生塞曼劈裂时对入射微波的共振吸收效应.EPR灵敏度非常高，实验样品管清洗不干净测试谱图就会出现残留杂质的信号，和样品信号叠加在一起很难解谱分析，EPR样品管是一端有封口的细长管.实验人员在进行大量实验的同时就会有很多待清洗的样品管，而EPR样品管购买成本较高，一般都是重复清洗回收利用的.样品管的清洗效率及清洗后的洁净程度直接影响到实验的进程和数据的准确性，因此每次测试后的样品管清洗工作尤为重要.目前已经报道的和实验室在用的清洗方式有以下四种：一是手动用带钩铁丝裹着浸润酒精的脱脂棉插入样品管内进行来回摩擦清洗^[1⇓-3]，该方法清洗较干净但比较费时费力；二是使用有机溶剂或强酸浸泡后超声清洗，该方法可同时清洗大量样品管但化学试剂使用量大造成浪费和对环境不友好，而且石英材质的样品管采用超声波清洗会对其造成一定程度的损坏，这种方法对顽固污渍的清洗也不彻底^[4]；三是采用专门的清洗装置，目前市售的均为核磁共振（NMR）样品管清洗器，利用抽真空形成负压的原理对样品管进行冲洗^[5,6]，有一个清洗口和多个清洗口的，但负压抽真空玻璃材质易碎；四是有文献^[7]提及用高压冲洗的方式对NMR样品管进行冲洗，但该方法只对盛装液体样品的NMR样品管清洗效果好，且一次只能清洗单根样品管.后3种方式清洗之后都还需沥干溶剂，利用干燥箱烘干（50~60 ℃烘2~3 h）.

针对以上问题，本文设计并实现了一种全自动式EPR样品管的清洗装置，专门用于此类细长样品管的清洗干燥.清洗装置通过微电脑触控屏即可控制和自由选择清洗通道以及清洗、干燥时间，一键启动即可，实现了全自动化同时清洗以及干燥多根样品管并可直接上机使用.该研究方向属于磁共振实验领域，本领域国内外学者研究的文献并不多，本设计的现实意义在于通过控制系统来提高EPR样品管的清洗效率、洁净度.

本文介绍了一种同时对多根EPR样品管进行全自动快速清洗装置.清洗装置设有用于将液体和气体泵入清洗区的增压水泵与空气压缩机，主要原理是旋转摩擦清洗和高压高速冲洗干燥^[7]，启动电源后储水箱里的纯净水通过增压水泵打出高压水，经过电磁阀控制的各路管路将高压水打到倒置的EPR样品管底部，利用高压水射流的强大冲击力冲击清洗物体，把污垢剥离、清除，另外利用中空毛刷以及样品管的上下左右旋转运动对内壁进行摩擦清洗，达到更好的清洗目的，清洗后的废液由清洗台的基座废液孔流出至收集废液处.然后空气压缩机将空气压缩到所需的高压状态，强风干燥，迅速吹干样品管内部水渍，确保样品管的洁净、干燥，可以直接上机使用，提升工作效率.

设计清洗装置考虑的因素主要有：成本、清洗量、耐用性、操作便捷性、安全性和清洁环保.装置的构思是通过系统设计实现全自动化清洗EPR样品管这一特定功能，主要结构包括纯水机、空气压缩机、增压水泵、过滤器、储水箱、电磁阀管路、清洗台、电脑控制箱和废水箱构成的一整套系统.电磁阀管路包括若干个控制管路通向清洗单元的电磁阀.清洗台包括洗管器基座、自动洗管单元，其中洗管器基座有若干固定EPR样品管的支撑清洗单元，每组支撑清洗单元包括一根中空支撑针管，分为毛刷清洗区和无毛刷清洗区.电脑控制箱包括树莓派电脑、若干个继电器、液晶显示屏（LCD）以及电源.装置的整体组成框图如图1所示.

具体的结构为，纯水机连接到储水箱进水口（内设有止水上水阀），储水箱自动进水，水满则自动停止进水，储水箱出水口连接到增压水泵进水口，储水箱出水口设有阀门.水泵选择全自动智能增压恒压水泵，压力可根据清洗需求调节（例如3 kg），储水箱的水经过增压水泵压入洗管器的清洗单元对样品管进行高压冲洗.工作在恒压模式下的空气压缩机输送空气经安装在电磁阀前端的空气过滤器之后直接压入洗管器的支撑清洗单元对样品管进行吹气干燥.电磁阀管路的若干个电磁阀通过聚氨酯管（PU）与洗管器的基座相连接，与清洗单元（针管）相通；电磁阀管路包含进水、进气和备用通道，可实现液体（纯净水、无水乙醇或其他清洗剂）和气体（空气）的自由切换.电脑控制箱包括树莓派卡片式电脑、继电器扩展模块、LCD显示屏以及电源等，其内部结构示意图和实物图分别如图2和图3所示.树莓派电脑安装有自己设计的Python图形用户界面（GUI）程序，通过LCD显示屏上的按钮即可控制整个洗管装置的进水冲洗时间、进气干燥时间、选择支撑清洗单元，以及一键启动或停止清洗.清洗台中的自动洗管单元设置了毛刷清洗区和无毛刷清洗区，以满足不同清洗需求.清洗台的结构图如图4所示，毛刷清洗区和无毛刷清洗区都在基座（1）上，其中毛刷清洗区设有中空毛刷针管（2）、样品管（3）、电动伸缩杆（4）、固定板（5）、电动马达（6）、固定座（7）和管道口（8），基座（1）上竖直固定多个与支管道数量对应的中空毛刷针管（2），电动伸缩杆（4）包括套座（41）、杆体（43）和锁紧螺钉（42），（6）为电动马达，清洗时将EPR样品管倒置固定在固定座（7）上，电动伸缩杆的竖向伸缩带动电动马达竖向移动，进而带动EPR样品管进行上下往复旋转摩擦清洗运动；无毛刷清洗区设有中空针管（9）、支撑杆（10）和水平挡板（11），清洗时直接将EPR样品管（3）倒置在中空针管顶部，并将水平挡板转至样品管正上方（水平挡板可360˚旋转），气路和水路的自动控制与毛刷清洗区一样. 水平挡板的作用是防止样品管在清洗过程中由于压力冲击飞出，通过在水平挡板（11）下方固定3 mm厚的橡胶垫，能够对冲洗的样品管底部起到缓冲作用，防止样品管因受压力作用而破裂，有助于延长样品管的使用寿命.基座的右端留有废液出口孔（12），清洗后的液体通过基座内部的倾斜设计直接流入至废液桶.通过电磁阀管路和电脑控制箱的相互结合对清洗台进行控制即实现了整个装置的全自动化清洗，图5为清洗台的实物图.

树莓派卡片式电脑中有自动开机运行的Python GUI程序，可在GUI中设置整个洗管装置的进水冲洗时间、进气干燥时间以及自由选择清洗单元，实现整个清洗过程的全自动化运行.图6为树莓派电脑显示屏的控制面板图示，程序运行原理如下：

1）捕捉界面上的按钮参数，如：设置通道的选择、时间的设定；

2）判断start是否点击打开；

3）通过树莓派的GPIO针脚控制相应的继电器.先打开继电器2控制水路的电磁阀，同时进行倒计时，然后判断通道1（或者通道2、通道3等）的选择是否打开继电器3（或者继电器4、继电器5），同时控制继电器6、7、8接通推杆和马达的开关，倒计时结束，水路电磁阀关闭；

4）10 s（可根据实际设置更改时间）后推杆回到原位，继电器6断开马达停止转动；

5）继电器1控制气路开始运行并进行倒计时，倒计时结束后控制继电器关闭电磁阀.

全自动式EPR样品管的清洗装置按照设计图安装好并接上水路和气路，在EPR实验室已经进行试验清洗，使用一段时间以来EPR样品管清洗效果很好，装置操作简单、清洗效率高.毛刷清洗区操作步骤：一、打开纯净水机出水阀门，打开增压水泵和空气压缩机的电源开关（自动往储水装置里进水），电脑控制箱开机，LCD显示屏出现EPR清洗器控制的图形界面.二、将需要清洗的EPR样品管倒置放入清洗单元的中空针管毛刷（支撑针体）上，将样品管底部插入马达的底部螺纹固定器（即图4中的固定座7），使马达的转动中心与样品管的中心在同一条轴线上，点击LCD显示屏中的“rod down”将样品管底部降至中空针管顶端.三、进行洗管程序设定，LCD显示屏点击选择清洗的样品管通道（灰色圆圈变为绿色即选定，图6中均为灰色圆圈即未选定清洗通道），根据样品管的污染程度自由设定进气或进水的时间（更改后自动保存，下次开机后自动调用上次设置），最后点击“start”即可启动.四、到达程序设定时间后，清洗装置自动停止工作，点击LCD显示屏中的“rod up”，松开与马达底部的螺纹固定器即可取出样品管.清洗后的样品管洁净干燥可直接装样品继续实验.无毛刷清洗区操作步骤：一、同毛刷清洗区操作步骤一；二、将需要清洗的EPR样品管倒置中空针管（支撑针体）上，并将水平挡板转至样品管正上方；三、同毛刷清洗区操作步骤三；四、到达程序设定时间后，清洗装置自动停止工作，旋转水平挡板180˚，直接取出样品管即可.

分子和原子固体中的磁矩包含原子核磁矩和电子磁矩的贡献，电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，EPR的灵敏度也比NMR高得多，因此选用EPR实验用样品管对本装置的清洗效果进行比较讨论.实验用的是Wilmad品牌的EPR管，型号707-SQ-250M，尺寸：长25 cm，外径4 mm，内径3 mm.

图7(a)为固体粉末样品的EPR谱图，右上角为盛装样品的EPR样品管实物图，结果显示该样品有很强的EPR信号，测试结束后将样品管内的粉末倒出，会发现管壁上还是有细小的粉末残留，将样品管按照第2.3小节的操作步骤在清洗装置中的毛刷清洗区完成清洗，设定恒压水泵压力为2 kg，进水时间30 s，进气时间240 s，清洗完成的样品管直接放入EPR谱仪（设备型号Bruker EMX plus 10/12）中进行信号测试.EPR谱仪测试参数为：微波频率9.40 GHz、微波功率2 mW、调制幅度2 G（1 G=10^_4 T）、增益10 000、扫场范围0 ~ 8 000 G、时间常数163.84 ms等，测试温度为仪器能达到的最低温度2 K（温度越低杂质信号越明显，低温更有利于判定样品管的清洗效果），所得谱图如图7(b)所示，右上角为清洗后EPR样品管实物图.对比两幅图可见清洗后EPR样品管外观上看洁净干燥，谱图光滑平整无任何杂峰（注意：避免低温下固态空气信号^[8]的干扰，上述测试均是排空气后密封膜封口上机测试），说明该清洗装置对有严重附着固体粉末的样品管清洗效果很好，清洗后能达到直接上机使用的效果，大大提高了实验人员的测试效率.

图7(c)为粘度较大的液体样品的EPR谱图，右上角为盛装液体样品的EPR样品管实物图.测试结束后将样品管按照第2.3小节的操作步骤在清洗装置中的无毛刷清洗区完成清洗（液体样品的残留比较好清洗），无毛刷区域操作更加简单便捷.清洗完成的样品管直接放入EPR谱仪中进行信号测试（T=2 K），图7(d)为清洗后EPR样品管的谱图，右上角为清洗后EPR样品管实物图.对比两幅图可见清洗后EPR样品管内壁洁净干燥无水珠，谱图光滑平整无杂峰.图7(d)左下角插图为Bruker EMX plus 10/12型EPR谱仪谐振腔的空白谱，属于仪器的本底信号，而清洗后样品管谱图7(b)和7(d)与之基本一致，说明该清洗装置对盛装过粘稠液体的EPR样品管清洗效果较好.

本文设计的全自动式EPR样品管的清洗装置安全可靠，对于细长的EPR样品管的清洗效果较好，在磁共振实验领域有很大的应用前景.根据实验室的需求将清洗台的基座尺寸设计的更大一些，安装上类似的中空针管将大大提高一次性清洗样品管的数量.该装置具有如下优势：（1）使用水和空气作为清洗介质，绿色环保；（2）可适用不同长度和粗细的样品管清洗，且可方便更换不同长度或粗细的针管，以适用更大尺寸范围的样品管；（3）同时实现对多根样品管快速冲洗干燥，高效便捷；（4）一键启动全自动清洗吹干，操作简单；（5）不易对样品管造成物理伤害，延长样品管使用寿命，降低成本.这个装置也适用于NMR样品管的清洗，清洗效果有待于用户使用与检验.本清洗装置也存在一些不足之处，比如电动毛刷清洗区域中自制中空毛刷针管不耐用易损坏、废水收集处没有过滤处理系统、缺少加热清洗的功能等，后期将逐步完善.

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