專利名稱：液體樣品超聲波霧化輔助擊穿光譜檢測(cè)方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)成分檢測(cè)分析技術(shù)領(lǐng)域。具體來說是利用超聲波霧化手段輔
助擊穿等離子體光譜檢測(cè)方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體樣品化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。該技術(shù)可 以用于海洋、湖泊或河流的現(xiàn)場(chǎng)礦產(chǎn)資源或水污染的檢測(cè)，也可以應(yīng)用于各類工廠所排放 污水的重金屬成分監(jiān)測(cè)，也可以應(yīng)用于食品藥品的檢驗(yàn)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過擊穿產(chǎn)樣品產(chǎn)生等離子體，在等離子體冷卻復(fù)合的過程中檢測(cè)其發(fā)射光譜， 從而進(jìn)行樣品成分檢測(cè)分析的技術(shù)，稱為擊穿光譜技術(shù)。與其他成分檢測(cè)分析技術(shù)相比，擊 穿光譜技術(shù)以其無需樣品預(yù)處理以及快速、實(shí)時(shí)、微損等特點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注。該技術(shù) 可根據(jù)擊穿過程產(chǎn)生的等離子體發(fā)射出來的原子發(fā)射光譜及譜線強(qiáng)度來進(jìn)行定性或半定 量的成分分析。將這種技術(shù)應(yīng)用到液體樣品的成分分析技術(shù)也具有較好前景，可預(yù)見該技 術(shù)能夠在水資源的重金屬污染，礦產(chǎn)資源勘探，藥劑飲品生產(chǎn)檢驗(yàn)和工礦企業(yè)排放污水監(jiān) 測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。 根據(jù)誘導(dǎo)擊穿的方式不同，擊穿光譜技術(shù)可以分為激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser inducedbreakdown spectroscopy, UBS)技術(shù)禾口電火花誘導(dǎo)擊穿光譜(Spark induced breakdownspectroscopy， SIBS)技術(shù)。在針對(duì)固體和氣體樣品的檢測(cè)領(lǐng)域中，上述技術(shù)已 經(jīng)得到了較好的發(fā)展，有一些技術(shù)也已經(jīng)轉(zhuǎn)化為較為成熟的產(chǎn)品，得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。在進(jìn) 行液體樣品的成分檢測(cè)時(shí)，由于液體本身電導(dǎo)率較高，導(dǎo)致了電火花誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)本 身無法發(fā)展。而對(duì)于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，許多研究表明液體內(nèi)部壓力等因素會(huì)縮短等 離子體的壽命，從而影響檢測(cè)的靈敏度；而激光脈沖進(jìn)入液體后到擊穿之前的透射、散射及 吸收等因素的影響，使其在液體中的燒蝕效率較低，這就要求所提供的擊穿能量密度較高。 雖然，雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在一定程度上能夠解決上述問題，但是其需要使用一 個(gè)雙脈沖激光器或兩個(gè)脈沖激光器，相對(duì)成本較高，而且其操作過程相對(duì)較為復(fù)雜。在這樣 一個(gè)前提下，就非常需要一種能夠增加等離子體壽命，降低燒蝕閾值的，同時(shí)最好能夠適當(dāng) 控制成本的針對(duì)液體樣品的光譜檢測(cè)技術(shù)。若是該技術(shù)同時(shí)還能夠適合電火花誘導(dǎo)擊穿技 術(shù)，那將進(jìn)一步的降低液體樣品擊穿光譜檢測(cè)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將超聲波霧化技術(shù)引入到擊穿等離子光譜檢測(cè)技術(shù)中來，使液體樣品的等 離子光譜的壽命增加，同時(shí)可以提高檢測(cè)的靈敏度。 在對(duì)液體成分進(jìn)行擊穿產(chǎn)生等離子體的時(shí)候，由于受到液體內(nèi)部壓力的影響，等 離子體壽命大大縮短，同時(shí)液體樣品的燒蝕效率也要低于固體樣品。這些因素都使得激光 誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)針對(duì)水的樣品的檢測(cè)受到了很大的限制。而由于液體電導(dǎo)率較高，電火 花誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)則根本無法發(fā)展。本發(fā)明將超聲波霧化技術(shù)引入到光譜分析領(lǐng)域，使 用超聲波換能器將液體樣品霧化成數(shù)百微米量級(jí)的小液滴。由于液滴自身體積小，當(dāng)其處于空氣環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行擊穿時(shí)，燒蝕效率就會(huì)得到提高。而被燒蝕擊穿的而膨脹的過程也是在空氣中進(jìn)行，所受到的環(huán)境壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在液體環(huán)境中所受到的壓力，所以等離子體的壽命也能夠得到延長(zhǎng)，等離子體壽命的延長(zhǎng)，有利于將原子發(fā)射光譜從連續(xù)輻射和韌致輻射等噪聲光譜中進(jìn)行分離。 本發(fā)明的檢測(cè)分析裝置可以分為超聲波霧化裝置，進(jìn)排氣系統(tǒng)，誘導(dǎo)擊穿裝置和光譜采集裝置四個(gè)部分。超聲波霧化裝置采用超聲波換能器，在液體表面產(chǎn)生某一頻率和功率的高頻振動(dòng)，從而在液體表面上方的空氣中產(chǎn)生小液滴?？梢愿鶕?jù)所需檢測(cè)的液體樣品的粘滯系數(shù)不同，在1M Hz到10M Hz范圍內(nèi)選擇振蕩頻率，振動(dòng)功率也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最佳霧化效果。進(jìn)排氣系統(tǒng)，利用空氣動(dòng)力學(xué)的原理將霧氣送入擊穿燒蝕位置，以確保擊穿等離子體成分能夠表征液體成分。同時(shí)，進(jìn)排氣系統(tǒng)也將霧氣排入廢氣處理裝置，防止造成空氣環(huán)境污染。誘導(dǎo)擊穿裝置，采用脈沖激光器或高壓放電裝置誘導(dǎo)擊穿過程，產(chǎn)生等離子體。光譜采集裝置，利用光學(xué)透鏡收集擊穿后產(chǎn)生的等離子體發(fā)出的光信號(hào)，使用采用光譜儀分光，光電傳感器配合ICCD探測(cè)器采集時(shí)間分辨光譜數(shù)據(jù)。


下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。 圖1為超聲波輔助擊穿光譜檢測(cè)裝置圖，其中1為直流電源，2為產(chǎn)生超聲波振蕩信號(hào)的控制電路，3為超聲波換能器，4為所測(cè)液體樣品，5為中部開有進(jìn)氣孔的樣品池，6為導(dǎo)氣管，7為收集透鏡組，8為光纖，9為光柵光譜儀，10為ICCD探測(cè)器，11為光電傳感器，12為進(jìn)氣扇，13為排氣扇，14為激光器，15為聚焦透鏡，16為高壓線圈，17為放電電極，18為密封艙，19為廢氣管。其中控制電路2可以對(duì)輸出的高頻振蕩信號(hào)，并能夠?qū)ζ湔袷幍念l率和功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。收集透鏡固定于密封艙18的艙壁上。進(jìn)氣扇12同樣品池5相連接，進(jìn)氣扇12同密封艙18不聯(lián)通。 圖2為典型液體中金屬成分的時(shí)間分辨光譜圖，采用的樣品為溶解有Mn離子的水溶液。檢測(cè)使用激光脈沖誘導(dǎo)擊穿，設(shè)置的延時(shí)時(shí)間間隔為300ns，積分時(shí)間300ns，記錄數(shù)據(jù)13組，反映了Mn離子在水溶液中的演化特性。根據(jù)不同樣品的不同金屬成分的時(shí)間分辨光譜圖，可以反映其不同的時(shí)間演化特性。從而可以針對(duì)不同成分的演化特性，來設(shè)置ICCD探測(cè)器10的延時(shí)時(shí)間和積分時(shí)間。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明按照如下方式進(jìn)行實(shí)施。將適量待測(cè)液體樣品放入底部安裝有超聲波換能器3的樣品池5中。根據(jù)待測(cè)液體樣品4的粘滯系數(shù)不同，調(diào)節(jié)控制電路2的輸出振蕩頻率和輸出功率，輸出高頻振蕩信號(hào)給超聲波換能器3，使之開始工作。超聲波換能器3的工作頻率調(diào)節(jié)范圍為lMHz到lOMHz之間。超聲波換能器3產(chǎn)生的高頻振蕩將會(huì)在液體表面產(chǎn)生大量直徑較小的霧狀液滴，液滴直徑在200um左右。在進(jìn)氣扇12和排氣扇13的輔助下，空氣自進(jìn)氣扇12進(jìn)入樣品池5，帶動(dòng)霧狀小液滴自下向上運(yùn)動(dòng)，流出導(dǎo)氣管6，在導(dǎo)氣管正上方產(chǎn)生柱狀霧汽。 擊穿產(chǎn)生等離子體的位置選擇在導(dǎo)氣管6正上方柱狀霧汽內(nèi)部。為了減少等離子體發(fā)射出來的光信號(hào)被霧氣吸收和散射，提高的信號(hào)光的收集效率，擊穿點(diǎn)應(yīng)靠近柱狀霧
4汽的邊緣。等離子體光信號(hào)由采集透鏡7收集，并經(jīng)光纖8進(jìn)入光譜儀9進(jìn)行分光。光譜儀工作的光譜范圍為200nm到900nm之間，光譜分辨率為0. lnm。最終ICCD探測(cè)器10采用時(shí)間分辨的方法采集光譜數(shù)據(jù)。光電傳感器11為ICCD探測(cè)器10提供門控信號(hào)。根據(jù)樣品特性不同，可以設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間和門寬。ICCD探測(cè)器10的所設(shè)置的延時(shí)時(shí)間，為光電傳感器11的上升沿后600ns，也可根據(jù)樣品的具體特性不同在300ns到1500ns內(nèi)調(diào)整。積分門寬約為2000ns，也可根據(jù)樣品的具體情況在1000ns-5000ns之間選擇。
擊穿產(chǎn)生等離子體的方式有兩種，既可以采用激光誘導(dǎo)擊穿方式，也可以采用電火花誘導(dǎo)擊穿方式。采用激光誘導(dǎo)擊穿方式時(shí)，激光器14射出的激光脈沖經(jīng)聚焦透鏡15聚焦。由于焦點(diǎn)處具有較高的能量密度，從而產(chǎn)生擊穿。采用電火花誘導(dǎo)擊穿方式時(shí)，利用高壓放電線圈16放電瞬間產(chǎn)生的高壓，在放電電極17的尖端進(jìn)行放電，放電瞬間的電壓在10000伏到100000伏之間選擇。放電瞬間在電極的尖端產(chǎn)生較大的電流，從而使電極之間的區(qū)域擊穿。被擊穿的物質(zhì)產(chǎn)生等離子體，并逐漸冷卻。隨著等離子體的冷卻過程，發(fā)射出原子發(fā)射光譜或離子發(fā)射譜。 密封艙18保證霧狀液滴與外界隔離，以保證導(dǎo)氣管6流出的霧狀小液滴不會(huì)彌散到空氣中造成空氣污染。排氣扇13將含有樣品的廢氣經(jīng)廢氣管19排出，由附加廢氣處理裝置進(jìn)行處理。 本發(fā)明利用超聲波霧化技術(shù)，降低了液體樣品擊穿閾值，提高了液體樣品的燒蝕效率，延長(zhǎng)了等離子體的壽命，提高了發(fā)射光譜信號(hào)的信背比，進(jìn)而提高了液體樣品擊穿光譜技術(shù)成分檢測(cè)的靈敏度。 本發(fā)明成功能夠?qū)崿F(xiàn)電火花擊穿光譜技術(shù)在液體樣品成分檢測(cè)中的應(yīng)用，節(jié)省脈沖激光器的同時(shí)節(jié)省了大量成本，使之適合于一些對(duì)成本控制要求較高的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
一種針對(duì)液體樣品成分分析的光譜檢測(cè)方法，該方法的特征在于通過超聲波霧化方法產(chǎn)生高頻振蕩，使液體樣品的形態(tài)改變?yōu)殪F狀液滴。使用誘導(dǎo)擊穿裝置，擊穿霧狀液滴產(chǎn)生等離子體發(fā)射光譜。通過光譜檢測(cè)裝置對(duì)發(fā)射光譜的檢測(cè)分析，確定液體中的所含有的成分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置，該裝置的特征在于該裝置的特征在于，采用底部安裝有超聲波換能器(3)的樣品池(5)，由控制電路2輸出的振蕩信號(hào)使超聲波換能器(3)工作。超聲波換能器(3)產(chǎn)生的高頻振蕩在液體表面產(chǎn)生大量直徑較小的霧狀液滴。通過進(jìn)氣扇(12)和排氣扇(13)的輔助，帶動(dòng)霧狀小液滴運(yùn)動(dòng)，流出導(dǎo)氣管(6)，在導(dǎo)氣管正上方產(chǎn)生柱狀霧汽。在導(dǎo)氣管(6)正上方柱狀霧汽內(nèi)部靠近邊緣的位置進(jìn)行擊穿。等離子體的光信號(hào)由采集透鏡(7)收集，經(jīng)光纖(8)進(jìn)入光譜儀(9)進(jìn)行分光。最終光電傳感器(11)配合ICCD探測(cè)器(12)采用時(shí)間分辨的方法采集光譜數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于利用超聲波振蕩的手段，改變液體樣品的狀態(tài)，使其改變成大量密集小液滴。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波裝置，其特征在于其工作頻率可以根據(jù)液體的粘滯系數(shù)不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的范圍為lMHz到10MHz之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的擊穿裝置，其特征在于其擊穿點(diǎn)的位置處于小液體構(gòu)成的柱狀霧汽的內(nèi)部，并處于柱狀霧氣的邊緣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的擊穿裝置，其特征在于可以由脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)透鏡組聚焦后進(jìn)行擊穿；也可以由高壓放電線圈和放電電極進(jìn)行擊穿。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2和5中所述的激光器，其特征在于輸出波長(zhǎng)可以在532nm和1064nm之間選擇。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2和5所述的高壓線圈，其特征在于其瞬間最高放電電壓范圍為10000伏到100000伏之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的光譜儀，其特征在于其工作光譜范圍為200nm到900nm之間，其光譜分辨率為0. lnm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)方法，其特征在于ICCD的延時(shí)時(shí)間在300ns-1500ns之間選擇，積分門寬在900ns-30000ns之間選擇。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種針對(duì)液體樣品進(jìn)行擊穿光譜檢測(cè)的方法及其裝置。該裝置利用超聲波霧化的手段，將液體樣品霧化成空氣中大量密集的小液滴，再通過擊穿誘導(dǎo)等離子體并輻射發(fā)射光譜信號(hào)。其裝置通過超聲波換能器(3)產(chǎn)生的高頻振蕩，使樣品池(5)中的液體樣品(4)生成霧狀液滴，在進(jìn)氣扇(12)和排氣扇(13)的輔助下，在導(dǎo)氣管(6)上方產(chǎn)生柱狀霧汽。在柱狀霧汽的邊緣擊穿產(chǎn)生等離子體，等離子體發(fā)射光譜信號(hào)由采集透鏡7收集，并經(jīng)光纖(8)進(jìn)入光譜儀(9)進(jìn)行分光。最終光電傳感器(11)配合ICCD探測(cè)器(10)采集光譜數(shù)據(jù)。該方法降低了擊穿閾值，提高了燒蝕效率，并能夠延長(zhǎng)等離子體的壽命。其檢測(cè)裝置適用于環(huán)境及礦產(chǎn)資源的現(xiàn)場(chǎng)成分檢測(cè)分析領(lǐng)域，并比同類方法具有更高的信背比和更低的成本。
文檔編號(hào)G01N21/71GK101788487SQ20091021085
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者程凱, 鄭榮兒, 鐘石磊 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)