專利名稱：激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中離子檢測的導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利是針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中離子檢測的一種增強(qiáng)方法，屬于海洋技
術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,簡稱丄IBS) 是基于高功率激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體，通過分析等離子體的發(fā)射光譜，實(shí) 現(xiàn)探測物定性與定量分析的一種光譜技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，已被廣泛應(yīng)用于 物質(zhì)成分分析的多個(gè)領(lǐng)域。然而，由于液體環(huán)境下等離子體激發(fā)機(jī)制及探測方法的改變，激 光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)現(xiàn)水中探測相對困難，離子檢測靈敏度大大落后于其他光譜技術(shù)(激光 誘導(dǎo)熒光、質(zhì)譜)，嚴(yán)重制約了 LIBS技術(shù)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，因此，開發(fā)一種用于增強(qiáng) LIBS水中離子檢測靈敏度的方法將很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜的水中檢測，提出一套可用于增強(qiáng)離子光譜探 測、提高水中LIBS靈敏度的改進(jìn)方法。 作為水中離子的激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測，與固體探測相比，液體的激光燒蝕效率 偏低，探測難度增大；對于水環(huán)境，尤其是海水中現(xiàn)場探測，由于受到液體壓力、基質(zhì)的影 響，激光誘導(dǎo)等離子體的壽命進(jìn)一步縮短，使得離子探測相對困難，造成水中離子檢測靈敏 度不高。為提高水中離子LIBS檢測靈敏度，本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種以化學(xué)置換反應(yīng)為主要過 程，通過電場輔助實(shí)現(xiàn)目標(biāo)離子的形態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而達(dá)到增強(qiáng)LIBS水中探測的方法，這種方 法被稱為"導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法"。 本發(fā)明中，將化學(xué)中置換反應(yīng)作為探測增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的主要過程，電場作為置換反應(yīng) 的輔助手段，通過電輔助的置換反應(yīng)使溶液中待測元素的水溶性離子轉(zhuǎn)化為即將被探測的 該元素固態(tài)析出層，同時(shí)使光與物質(zhì)的相互作用由"激光_離子"變?yōu)?激光_固態(tài)附著層"。 增強(qiáng)效應(yīng)的整個(gè)轉(zhuǎn)化過程可分為兩步完成置換反應(yīng)，選用比溶液中待測離子元素化學(xué)性 質(zhì)更活潑的金屬靶材作為反應(yīng)基質(zhì)材料，通過置換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)溶液中待測金屬離子轉(zhuǎn)化為金 屬單質(zhì)；電輔助，電場作用于置換反應(yīng)基質(zhì)材料，吸引溶液中離子至反應(yīng)基質(zhì)附近，使離子 濃度局部增大，除加劇置換反應(yīng)過程以外，還輔助部分金屬離子發(fā)生從"離子"到"單質(zhì)"的 電化學(xué)轉(zhuǎn)化，最終將使一層待測目標(biāo)元素的金屬單質(zhì)薄層沉積并附著于置換基質(zhì)表面。然 后通過高功率脈沖激光消融、蒸發(fā)該析出附著層，形成待測元素的等離子體，達(dá)到對水中離 子的激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測。


圖1是激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中離子檢測的導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法說明圖
圖2是激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中離子檢測的導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法的工作流程圖
圖3是激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中離子檢測的導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法的裝置示意圖
圖4是激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中離子檢測的導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法的樣品裝置示意圖
圖中，1為會(huì)聚透鏡，2為第一個(gè)收集透鏡，3為第二個(gè)收集透鏡，4為收集光纖，5為 旋轉(zhuǎn)電機(jī)，6為激光器，7為光柵光譜儀，8為CCD， 9為計(jì)算機(jī)，10為經(jīng)聚焦后的激光束，11為 待測離子溶液，12為待測離子，13為等離子體，14為目標(biāo)離子析出層，15為活性金屬基質(zhì)， 16為電線，17為直流電源。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是針對水中離子實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測的一種增強(qiáng)方法，稱為導(dǎo)向沉 積增強(qiáng)。此方法包含兩種作用機(jī)制化學(xué)置換反應(yīng)轉(zhuǎn)化離子形態(tài)；電場運(yùn)用輔助實(shí)現(xiàn)置換。 其中，置換反應(yīng)為主要過程，電場運(yùn)用是輔助手段，兩個(gè)過程共同實(shí)現(xiàn)"離子"的轉(zhuǎn)化析出， 改善激光燒蝕效果，最終提高水中離子的檢測靈敏度，整個(gè)增強(qiáng)過程相當(dāng)于"樣品的預(yù)制 備"。 導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法中，選用比溶液中待測元素化學(xué)活性更強(qiáng)的金屬靶材作為離子 轉(zhuǎn)化的反應(yīng)基質(zhì)材料，以水中銅離子檢測為例，我們選用金屬鋁片作為反應(yīng)基質(zhì)材料，對硫 酸銅中的銅離子進(jìn)行轉(zhuǎn)化。當(dāng)加載電場后的鋁片浸入待測溶液，一方面通過置換反應(yīng)使得 溶液中的銅離子迅速轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)銅沉積并附著于鋁片表面；同時(shí)，在另一方面，通電的 鋁片可調(diào)節(jié)加載的電壓或電流，吸引并引導(dǎo)溶液中銅離子更多地聚集于鋁片周圍，增大了 銅離子局部濃度的同時(shí)，又以電化學(xué)反應(yīng)方式置換出溶液中的部分銅離子并再次沉積，最 終將在鋁片表面形成一層附著層。兩方面中，電場作用是作為置換反應(yīng)的輔助，用于加強(qiáng)和 加速化學(xué)過程。最終，將激光聚焦至銅單質(zhì)附著薄層，燒蝕蒸發(fā)后擊穿形成水中等離子體， 通過分析銅元素的特征圖譜，獲得水中銅離子的相應(yīng)信息。以此類推，只要選擇合適的活潑 金屬材料，即可實(shí)現(xiàn)水中的不同金屬離子LIBS快速檢測。 導(dǎo)向增強(qiáng)LIBS水中探測離子實(shí)驗(yàn)過程中，激光器(6)出射波長為1064nm的激光， 經(jīng)透鏡(1)聚焦至水中鋁片(15)表面，鋁片(15)以電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)確保表面形成的銅單質(zhì) 附著層能夠被激光燒蝕均勻，然后將水中等離子輻射經(jīng)透鏡(2)和透鏡(3)會(huì)聚至收集光 纖(4)，耦合進(jìn)入光柵光譜儀(7)，經(jīng)過分光后，電腦(9)控制光柵光譜儀(7)和CCD (8)獲 得LIBS光譜。 實(shí)驗(yàn)樣品部分是將直流電源(17)通過電線(16)連接鋁金屬片(15)后形成電場， 吸引待測溶液(11)中的銅離子(12)至鋁片(15)附近，反生反應(yīng)后使得銅離子轉(zhuǎn)化并沉積 于鋁片(15)表面，形成銅單質(zhì)析出層(14)，然后激光束(10)聚焦燒蝕該析出層(14)，最終 形成水中等離子體(13)，通過分析其發(fā)射光譜檢測該溶液中的銅離子(12)。
本發(fā)明以置換化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，電場輔助作用實(shí)現(xiàn)水中離子從"游離態(tài)"到"固態(tài)" 的轉(zhuǎn)化，從物理機(jī)制上完成"離子_激光"到"固態(tài)附著層_激光"的作用轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)探測效 果，提高檢測靈敏度，為激光誘導(dǎo)擊穿光譜的水中離子探測提供一套簡單實(shí)用的檢測增強(qiáng) 方法。
權(quán)利要求
一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng)方法，包含通過化學(xué)置換反應(yīng)轉(zhuǎn)化離子形態(tài)和電場運(yùn)用輔助實(shí)現(xiàn)置換使待測離子轉(zhuǎn)化為單質(zhì)態(tài)并附著于活性金屬靶材表層，其特征在于以所述活性金屬靶材作為反應(yīng)基質(zhì)，所述活性金屬靶材與溶液中待測離子的化學(xué)置換反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)離子的轉(zhuǎn)化并沉積于基質(zhì)表面；所述的電場運(yùn)用將電源與活性金屬連接形成電場后，引導(dǎo)溶液中待測離子向所述反應(yīng)基質(zhì)聚集，增強(qiáng)和加速化學(xué)置換反應(yīng)并且輔助實(shí)現(xiàn)部分離子的電化學(xué)轉(zhuǎn)化。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 方法，其特征在于所述的化學(xué)置換反應(yīng)是將所述金屬靶材置于待測溶液中，并且作為反應(yīng) 基質(zhì)的金屬靶材在材質(zhì)的化學(xué)活性比溶液中待測元素更活潑；所述電場運(yùn)用則是通過電源 與金屬靶材連接，調(diào)節(jié)電源電壓和電流實(shí)現(xiàn)對所述導(dǎo)向沉積方法的輔助。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 方法，其特征在于所述化學(xué)置換反應(yīng)和所述電場運(yùn)用輔助可分別實(shí)現(xiàn)離子的激光誘導(dǎo)擊穿 光譜(LIBS)檢測增強(qiáng)；也可以所述化學(xué)置換反應(yīng)為主，以所述電場運(yùn)用輔助為輔，配合實(shí) 現(xiàn)水中離子的LIBS檢測增強(qiáng)。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 方法，其特征在于所述探測離子為水溶性的陽離子和陰離子。
5. —種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng)裝置，激光器(6)發(fā)出 的激光束照射到待測溶液(11)中作為反應(yīng)基質(zhì)的活性金屬靶材表面，收集溶液中形成的 等離子輻射，通過檢測發(fā)射光譜檢測溶液中的待測離子(12)，其特征在于通過電源(17)與 所述金屬靶材(15)的連接形成電場，引導(dǎo)待測溶液中的待測離子至所述金屬靶材(15)附 近，所述活性金屬靶材(15)與溶液中待測離子(12)的化學(xué)置換反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)離子的轉(zhuǎn)化并沉 積于金屬靶材(15)表面。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 裝置，其特征在于所述的化學(xué)置換反應(yīng)是將所述金屬靶材置于待測溶液中，并且作為反應(yīng) 基質(zhì)的金屬靶材(15)在材質(zhì)的化學(xué)活性比溶液中待測離子(12)更活潑。
7. 如權(quán)利要求5所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 裝置，其特征在于通過調(diào)節(jié)所述電源(17)電壓和電流實(shí)現(xiàn)所述待測離子的轉(zhuǎn)化。
8. 如權(quán)利要求5所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 裝置，其特征在于所述金屬靶材(15)在旋轉(zhuǎn)電機(jī)(5)帶動(dòng)下在溶液中轉(zhuǎn)動(dòng)，確保LIBS檢測 擊穿點(diǎn)的均勻性。
9. 如權(quán)利要求5所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 裝置，其特征在于所述探測離子(12)為水溶性的陽離子和陰離子。
10. 如權(quán)利要求5所述的一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的導(dǎo)向沉積的增強(qiáng) 裝置，其特征在于所述金屬靶材(15)與所述電源(17)通過電刷方式連接實(shí)現(xiàn)電場作用。
全文摘要
本發(fā)明是一種針對激光誘導(dǎo)擊穿光譜水中探測離子的增強(qiáng)方法，稱之為“導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法”。方法包含兩種作用機(jī)制化學(xué)置換反應(yīng)轉(zhuǎn)化離子形態(tài)；電場運(yùn)用輔助實(shí)現(xiàn)置換。二者都是以活性金屬靶材作為反應(yīng)基質(zhì)，前者通過活性金屬與溶液中待測離子的化學(xué)置換反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)離子的轉(zhuǎn)化并沉積于基質(zhì)表面；后者將電源與活性金屬連接，形成電場，引導(dǎo)溶液中離子向反應(yīng)基質(zhì)聚集，增強(qiáng)化學(xué)置換反應(yīng)的同時(shí)也輔助完成部分離子的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，兩個(gè)過程的共同作用結(jié)果使待測離子轉(zhuǎn)化并附著于基質(zhì)表面，然后，通過LIBS探測該附著層，達(dá)到對水中離子檢測的目的，整個(gè)增強(qiáng)作用相當(dāng)于“樣品的預(yù)制備”過程。其中，置換反應(yīng)是主要過程，電場運(yùn)用是輔助手段。
文檔編號(hào)G01N21/71GK101694469SQ20091021085
公開日2010年4月14日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者盧淵, 李穎, 鄭榮兒 申請人:中國海洋大學(xué);