專利名稱：一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法及裝置。
技術(shù)背景
近年來，在考古、臨床、生物化學(xué)、有色金屬、材料化學(xué)、冶金、環(huán)境檢測(cè)及食品安全等等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)固體樣品中針對(duì)元素進(jìn)行微區(qū)、成像以及深度的分析已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。對(duì)于等離子體發(fā)射光譜、等離子體質(zhì)譜、原子吸收或者原子熒光光譜儀，最早分析固體樣品時(shí)均有復(fù)雜的前處理過程，比如酸溶法、熔融法、微波消解法等，存在前處理時(shí)間長(zhǎng)，揮發(fā)性元素?fù)p失、樣品二次污染、污染環(huán)境、消解不完全的可能，且所有固體樣品必須破壞，無法實(shí)現(xiàn)元素微區(qū)、成像以及深度的分析。目前發(fā)展的固體樣品直接分析方法主要有激光燒蝕和輝光放電等。激光燒蝕進(jìn)樣裝置通常光路復(fù)雜，維護(hù)復(fù)雜，成本高，不易實(shí)現(xiàn)小型化。而輝光放電需要一定的真空度，因此必須同時(shí)配備真空設(shè)備和除水裝置，導(dǎo)致了儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜化，而且輝光放電電極與樣品直接接觸，必須定時(shí)清洗才能得到良好的重現(xiàn)性。
介質(zhì)阻擋放電的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是至少存在一層絕緣性的阻擋介質(zhì)和小的放電通道。當(dāng)在放電電極上施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體，即使在大氣壓下也會(huì)被擊穿而形成所謂的介質(zhì)阻擋放電。該放電現(xiàn)象為藍(lán)紫色，均勻、散漫而穩(wěn)定，實(shí)際上是由大量細(xì)微的快速脈沖放電通道構(gòu)成的。目前，還未有將介質(zhì)阻擋放電用于固體物質(zhì)的濺射/剝蝕直接進(jìn)行元素分析的裝置的報(bào)道，其在電感耦合等離子體光譜、電感耦合等離子質(zhì)譜、原子吸收及原子熒光等分析方法方面具有廣闊的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法及裝置。
本發(fā)明提供的一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法，包括如下步驟
工作氣體在交流電場(chǎng)的作用下進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體射流；所述等離子體射流聚于待測(cè)固體樣品上即可對(duì)所述待測(cè)固體樣品中的元素進(jìn)行剝蝕。
上述的方法中，所述工作氣體具體可為氦氣、氬氣、氖氣、氮?dú)狻錃夂脱鯕庵兄辽僖环N。
上述的方法中，所述工作氣體的流速可為100 600mL/min，具體可為100mL/min 或 400mL/mino
上述的方法中，所述交流電場(chǎng)的放電功率可為Iw 100w，具體可為5w或16w。
本發(fā)明提供的方法中，待測(cè)固體樣品中的元素可為元素周期表中除了 H、C、N、0、F 等難電離的元素以外的金屬元素和部分非金屬元素，如鈉、鎂、鋁、硅、鉀、鈣、鉻、鐵、鈦、鈷、 鎳、銅、錳、鋅、砷、硒、碘、鎢、錫、銀、碲、金、汞、鉛、鉍等。
本發(fā)明還提供了一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕裝置，包括樣品室和毛細(xì)管，所述樣品室包括樣品室腔體和與該樣品室腔體相配合的樣品室蓋體；所述毛細(xì)管固設(shè)于所述樣品室蓋體上且一端延伸至所述樣品室腔體內(nèi)；所述毛細(xì)管設(shè)于所述樣品室腔體外的部分上貼附有兩個(gè)電極，所述兩個(gè)電極之間設(shè)有間距，所述兩個(gè)電極均與交流電源相連接；所述樣品室腔體的側(cè)壁上的相對(duì)位置處分別設(shè)有輔助氣體進(jìn)口和出氣口 ；所述樣品室和毛細(xì)管的材質(zhì)均為絕緣介質(zhì)。
上述的裝置中，所述毛細(xì)管的內(nèi)徑可為IOOnm 5mm，所述兩個(gè)電極之間的距離可為2cm 8cm，形成放電通道，通入至該毛細(xì)管內(nèi)的載氣后，接通所述交流電源，可形成藍(lán)紫色等離子體射流。
上述的裝置中，所述樣品室蓋體的材質(zhì)可為石英玻璃、硅氧玻璃、有機(jī)玻璃等透明材質(zhì)，可隨時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中觀察所述樣品室腔體內(nèi)的樣品剝蝕情況。
上述的裝置中，所述毛細(xì)管與樣品室蓋體之間可通過真空硅脂、橡皮泥、玻璃膠或密封圈進(jìn)行密封配合。
上述的裝置中，所述樣品室的底部與其側(cè)壁之間可為旋轉(zhuǎn)配合，該底部與電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)相連接，通過所述電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)可控制樣品剝蝕的起始位置，兩者結(jié)合起來可進(jìn)行點(diǎn)、線或面的點(diǎn)陣或連續(xù)工作模式。
上述的裝置中，所述絕緣介質(zhì)具體可為石英玻璃、有機(jī)玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯塑料等。
使用上述裝置時(shí)，可將出氣口通過惰性氣體導(dǎo)管與原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體光譜或質(zhì)譜儀相連，輔助氣體進(jìn)口用于輸入輔助載氣，提升剝蝕顆粒的傳輸效率；可應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件控制所述交流電源開關(guān)和輸出電壓大小，從而控制樣品剝蝕的開啟與結(jié)束，通過電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)控制樣品剝蝕的起始位置，兩者結(jié)合起來可進(jìn)行點(diǎn)、線或面的點(diǎn)陣或連續(xù)工作模式；控制剝蝕時(shí)間并提供同步觸發(fā)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜或質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)采集與樣品剝蝕的同步。
本發(fā)明提供的一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法及裝置，可以在不破壞樣品表面形貌的前提下，通過放電產(chǎn)生的微等離子體進(jìn)而剝蝕出樣品元素氣溶膠同時(shí)引入分析儀器的原子化器進(jìn)行元素分析，放電通道可以達(dá)到納米級(jí)，并可以對(duì)樣品進(jìn)行類似層狀的原子層或分子層的剝蝕，為元素微區(qū)、成像以及深度的分析提供了新的可行方法；另一方面，此方法減小了由樣品前處理過程引入的基體干擾，提高分析儀器的信噪比，降低了儀器檢出限；同激光燒蝕和輝光放電相比，介質(zhì)阻擋放電無需搭建復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和無需真空設(shè)備和除水過程，可在大氣壓下實(shí)現(xiàn)，體積小，裝置簡(jiǎn)單易操作，低耗能，低氣體溫度，為等離子體發(fā)射光譜、等離子體質(zhì)譜、原子吸收或者原子熒光光譜儀的小型化、便攜式提供了有力的研究基礎(chǔ)。


圖1為本發(fā)明提供的基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)施例2中測(cè)定合金樣品的半定量分析圖譜。
圖3為實(shí)施例3中測(cè)定大氣顆粒物膜樣品中！^元素圖譜。
圖1中各標(biāo)記如下1毛細(xì)管、2樣品室腔體、3樣品室蓋體、4電極、5交流電源、6 輔助氣體進(jìn)口、7出氣口、8底部、9電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
實(shí)施例1、基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕裝置
本實(shí)施例提供的基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕裝置包括圓柱體形的樣品室和毛細(xì)管1，樣品室的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，毛細(xì)管1的材質(zhì)為石英玻璃，其內(nèi)徑為20μπι ；樣品室包括樣品室腔體2和與之配合的樣品室蓋體3，樣品室蓋體3的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，可隨時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中觀察樣品室腔體2中的樣品剝蝕情況；毛細(xì)管1固設(shè)于樣品室蓋體3上，兩者之間通過真空硅脂密封配合；毛細(xì)管1的一端延伸至樣品室腔體2內(nèi)，毛細(xì)管1位于樣品室腔體2外的部分上設(shè)有兩個(gè)電極4，兩個(gè)電極4之間的距離為5cm，即形成5cm長(zhǎng)的放電通道；兩個(gè)電極4均與交流電源5相連接，當(dāng)開啟所述交流電源5后，通入至放電通道內(nèi)的載氣可在高壓下產(chǎn)生等離子體射流；樣品室的側(cè)壁的兩個(gè)相對(duì)位置處分別設(shè)有輔助氣體進(jìn)口 6和出氣口 7，出氣口 7可通過惰性氣體導(dǎo)管與原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體光譜或質(zhì)譜儀相連接，輔助氣體進(jìn)口 6用于輸入輔助載氣，可提升剝蝕顆粒的傳輸效率；樣品室的底部8與其側(cè)壁之間為旋轉(zhuǎn)配合，該底部8與電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)9相連接，通過電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)9 可控制樣品剝蝕的起始位置，兩者結(jié)合起來可進(jìn)行點(diǎn)、線或面的點(diǎn)陣或連續(xù)工作模式。
上述的裝置中，毛細(xì)管1和樣品室的材質(zhì)還可選擇為陶瓷或硅氧玻璃和聚四氟乙烯塑料；毛細(xì)管1的內(nèi)徑可在IOOnm 5mm的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，兩個(gè)電極4之間形成的放電通道的長(zhǎng)度可在2cm 8cm的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；毛細(xì)管1與樣品室蓋體3之間還可通過真空硅脂、橡皮泥或玻璃膠等進(jìn)行密封配合。
實(shí)施例2、實(shí)施例1中的裝置與ICP-MS儀配合對(duì)合金樣品進(jìn)行分析
將放電氣體氬氣從毛細(xì)管1的開口端通入，控制其流速為400mL/min，開啟交流電源5，放電功率為16w，載氣在交流電源5的電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生等離子體射流；產(chǎn)生的等離子體射流進(jìn)入至樣品室腔體2內(nèi)后聚于合金標(biāo)準(zhǔn)樣品的特定位置，即可剝蝕該合金樣品中的元素形成氣溶膠，通過旋轉(zhuǎn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9可對(duì)整個(gè)合金樣品進(jìn)行剝蝕，形成的氣溶膠在從輔助氣體進(jìn)口 6通入的輔助氣體的作用下從出氣口 7進(jìn)入至與該裝置相連接的ICP-MS 儀中進(jìn)行分析；按照上述步驟對(duì)一系列合金標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行分析，得到的合金樣品的半定量分析圖譜如圖2所示，由該圖可知，此裝置可以準(zhǔn)確的測(cè)定合金標(biāo)準(zhǔn)樣品中的無機(jī)元素。
上述實(shí)施例中，ICP-MS儀的測(cè)試條件為RF功率1200W，冷卻氣流量13900mL/min， 輔助氣流量750mL/min，分析室真空8. 4X 10_8mbar，采集數(shù)據(jù)模式continuous停留時(shí)間 40s，樣品分析時(shí)間為50 IOOs0
實(shí)施例3、實(shí)施例1中的裝置與ICP-MS儀配合對(duì)大氣顆粒物包膜樣品中Fe的分析
將放電氣體氦氣從毛細(xì)管1的開口端通入，控制其流速為lOOmL/min，開啟交流電源5，放電功率為5w，載氣在交流電源5的電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生等離子體射流；產(chǎn)生的等離子體射流進(jìn)入至樣品室腔體2內(nèi)后聚于大氣顆粒物薄膜樣品的特定位置，即可剝蝕該樣品中的元素形成氣溶膠，通過旋轉(zhuǎn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9可對(duì)整個(gè)薄膜樣品進(jìn)行剝蝕，形成的氣溶膠在從輔助氣體進(jìn)口 6通入的輔助氣體的作用下從出氣口 7進(jìn)入至與該裝置相連接的ICP-MS 儀中進(jìn)行分析，得到的大氣顆粒物薄膜樣品中的狗元素分析圖譜如圖3所示，由該圖可知， 此裝置可以準(zhǔn)確的測(cè)定薄膜樣品中的無機(jī)元素狗。
上述實(shí)施例中，ICP-MS儀的測(cè)試條件為RF功率1200W，冷卻氣流量13900mL/min， 輔助氣流量750mL/min，分析室真空8. 4X 10_8mbar，采集數(shù)據(jù)模式continuous停留時(shí)間 40s，樣品分析時(shí)間為50-100s。
權(quán)利要求
1.一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法，包括如下步驟工作氣體在交流電場(chǎng)的作用下進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體射流；所述等離子體射流聚于待測(cè)固體樣品上即可對(duì)所述待測(cè)固體樣品中的元素進(jìn)行剝蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述工作氣體為氦氣、氬氣、氖氣、氮?dú)狻?氫氣和氧氣中至少一種；所述工作氣體的流速為100mL/min 600mL/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述交流電源的放電功率為Iw IOOw0
4.一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕裝置，其特征在于所述裝置包括樣品室和毛細(xì)管，所述樣品室包括樣品室腔體和與該樣品室腔體相配合的樣品室蓋體；所述毛細(xì)管固設(shè)于所述樣品室蓋體上且一端延伸至所述樣品室腔體內(nèi)；所述毛細(xì)管設(shè)于所述樣品室腔體外的部分上貼附有兩個(gè)電極，所述兩個(gè)電極之間設(shè)有間距，所述兩個(gè)電極均與交流電源相連接；所述樣品室腔體的側(cè)壁上的相對(duì)位置處分別設(shè)有輔助氣體進(jìn)口和出氣口 ；所述樣品室和毛細(xì)管的材質(zhì)均為絕緣介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述毛細(xì)管的內(nèi)徑為IOOnm 5mm，所述兩個(gè)電極之間的距離為2cm 8cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于所述樣品室蓋體的材質(zhì)為石英玻璃、 硅氧玻璃或有機(jī)玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一所述的裝置，其特征在于所述毛細(xì)管與樣品室蓋體之間通過真空硅脂、橡皮泥、玻璃膠或密封圈進(jìn)行密封配合。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7中任一所述的裝置，其特征在于所述樣品室的底部與其側(cè)壁之間可為旋轉(zhuǎn)配合，該底部與電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8中任一所述的裝置，其特征在于所述絕緣介質(zhì)為石英玻璃、有機(jī)玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯塑料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于介質(zhì)阻擋放電的固體樣品剝蝕方法及裝置。該方法包括如下步驟工作氣體在交流電場(chǎng)的作用下進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體射流；所述等離子體射流聚于待測(cè)固體樣品上即可對(duì)所述待測(cè)固體樣品中的元素進(jìn)行剝蝕。所述裝置包括樣品室和毛細(xì)管，所述樣品室包括樣品室腔體和與該樣品室腔體相配合的樣品室蓋體；所述毛細(xì)管固設(shè)于所述樣品室蓋體上且一端延伸至所述樣品室腔體內(nèi)；所述毛細(xì)管設(shè)于所述樣品室腔體外的部分上貼附有兩個(gè)電極，所述兩個(gè)電極之間設(shè)有間距，所述兩個(gè)電極均與交流電源相連接；所述樣品室腔體的側(cè)壁上的相對(duì)位置處分別設(shè)有輔助氣體進(jìn)口和出氣口。本發(fā)明為等離子體發(fā)射光譜、等離子體質(zhì)譜、原子吸收或者原子熒光光譜儀的小型化、便攜式提供了有力的研究基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01N21/62GK102519917SQ20111041534
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者張四純, 張新榮, 楊萌, 邢志 申請(qǐng)人:清華大學(xué)