一種用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀,包括樣品引入和排出系統(tǒng)、等離子體原子化器和光譜測量系統(tǒng)，其中等離子體原子化器，包括與高壓電源正極相連的金屬陽極，與上述高壓電源負(fù)極相連的輔助石墨電極，液體收集池以及進(jìn)樣管組成。所述進(jìn)樣管垂直貫穿上述廢液收集池和輔助石墨電極，并位于上述金屬陽極的正下方。含有金屬元素的待測液體經(jīng)進(jìn)樣管頂端溢出，并與輔助石墨電極連通。上述金屬陽極和輔助石墨電極之間施加高電壓，產(chǎn)生輝光放電等離子體。由本發(fā)明制備的金屬元素光譜儀具有可在線實時檢測，檢測靈敏度高、功率消耗低等特點。
【專利說明】一種用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分析化學(xué)光譜分析領(lǐng)域，具體的為一種用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，過渡金屬元素、稀土元素、錒系元素、堿金屬和堿土金屬元素應(yīng)用也越來越廣泛，同時由其造成的污染也越來越嚴(yán)重。這些金屬元素通過礦山開采、金屬冶煉、化工生產(chǎn)廢水和生活垃圾等人為污染源，以及地質(zhì)侵蝕、風(fēng)化等天然源等進(jìn)入水體，加之具有毒性大、不易代謝、易被生物富集并有生物放大效應(yīng)等特點，不但污染水環(huán)境，也嚴(yán)重威脅人類和水生生物的生存。
[0003]隨著人們社會環(huán)保意識的增強(qiáng)和對勞工安全關(guān)注度的提升，世界各國對于實現(xiàn)實時監(jiān)測空氣及水樣中的過渡金屬元素、稀土元素、錒系元素、堿金屬和堿土金屬元素的需求日益強(qiáng)烈。
[0004]目前，對水體金屬元素常用的檢測方法是光譜和質(zhì)譜技術(shù)，如電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜(ICP-AES)、火焰電離-原子吸收光譜(F-AAS)、電感耦合等離子體-質(zhì)譜(ICP-MS)[等。光譜和質(zhì)譜技術(shù)具有檢出限低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，但是所用設(shè)備體積較大，操作步驟繁瑣，檢測成本偏高，難以實現(xiàn)便攜化和快速檢測。專利號為Z1201110207663.7的中國專利公布了一種用于水中重金屬元素檢測的激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)，但是該技術(shù)需要高能量的脈沖激光器，且對光譜儀的分辨率要求較高(通常小于0.1nm)，設(shè)備成本偏高。
[0005]國內(nèi)外真正應(yīng)用于水中重金屬在線分析的技術(shù)主要是比色法和電化學(xué)方法。比色法如ZL201010540802.3的中國專利，原理簡單，不需要特殊設(shè)備，是經(jīng)典的化學(xué)分析方法之一。然而，該方法的靈敏度較低，只適合于測定某些特殊組分以及較高濃度的重金屬；而且，該方法用到的顯色劑、掩蔽劑或生成物本身對環(huán)境和操作人員存在潛在的安全隱患。申請?zhí)枮?01010268202.6的中國專利報道了一種用于重金屬離子檢測的電化學(xué)方法，具有靈敏度高、檢測方便等優(yōu)點，但電化學(xué)的測量結(jié)果易受到水中有機(jī)物等成分的干擾。另外，它通常采用汞為電極，容易帶來二次污染。
[0006]電解液陰極大氣壓輝光放電-原子發(fā)射光譜(Electrolyte Cathode AtmosphericPressure Glow Discharge-Atomic Emission Spectroscopy, ELCAD-AES)技術(shù)逐漸應(yīng)用到水體金屬元素的探測。其結(jié)構(gòu)為:電解質(zhì)溶液通過進(jìn)樣裝置經(jīng)直徑較大的豎直導(dǎo)管一端導(dǎo)出，形成噴泉，而在導(dǎo)出端上方附近用金屬電極加上一定正電壓，從而產(chǎn)生放電等離子體。Webb等從縮小陰極表面積，減小等離子體體積等方面對ELCAD系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用“J”型導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)，所構(gòu)建的SC-GD (Solution Cathode-Glow Discharge)系統(tǒng)放電所需試樣體積減小到2mm3，接近原來的1/5，同時降低了外部電路功率，而系統(tǒng)對金屬元素的檢測能力則大大提高，可達(dá)到y(tǒng)g/L及以下。申請?zhí)枮?01310072070.3的中國專利公開了一種液體陰極放電裝置，進(jìn)樣管和排液管均從放電池底端插入，采用排液管的高度控制放電池液面的高度，獲得了穩(wěn)定的放電等離子體。
[0007]然而這幾種液態(tài)陰極放電方式均具有一個較大的溶液腔，并且放電陰極均通過溶液腔中的溶液與樣品相連，溶液中的濃度、高度和溫度變化均為弓丨起放電回路的不穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種體積更緊湊、放電更穩(wěn)定、在線實時檢測，檢測靈敏度高，又經(jīng)濟(jì)實惠、能量消耗低的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其包括高壓電源、電阻、金屬陽極、輔助石墨電極、溶液池、進(jìn)樣管、樣品池、雙通道蠕動泵、廢液池、會聚透鏡、光譜儀及處理器；
[0009]所述高壓電源的正極通過電阻與金屬陽極相連接，所述金屬陽極的上端面為一圓柱體，下端面為具有30°?60°倒角的圓錐體，與所述金屬陽極的圓錐體端下方對應(yīng)設(shè)置有一輔助石墨電極，且輔助石墨電極與金屬陽極在一條直線上；所述高壓電源的負(fù)極一路接地，另一路與所述輔助石墨電極的下端相連接，所述輔助石墨電極固定于溶液池的中心位置處，且所述輔助石墨電極的上端延伸出溶液池的上表面，所述輔助石墨電極的下端在溶液池內(nèi)部，所述輔助石墨電極的中空位置設(shè)置有一進(jìn)樣管，且所述進(jìn)樣管的頂端高于輔助石墨電極的上端面，所述進(jìn)樣管的上端開口，所述進(jìn)樣管的下端貫穿所述溶液池并與雙通道蠕動泵相連接，所述雙通道蠕動泵分別與樣品池和廢液池相連接，所述金屬陽極的側(cè)面還設(shè)置有固定在支架上的會聚透鏡及光譜儀，所述會聚透鏡的中心與光譜儀的入口平行；
[0010]當(dāng)打開所述高壓電源，雙通道蠕動泵工作時，所述樣品池中的待測金屬液體通過進(jìn)樣管流入所述輔助石墨電極上方溢出，所述金屬陽極與待測金屬液體形成輝光放電，所述輝光放電的中心、會聚透鏡的中心及光譜儀的入口在一條直線上，所述會聚透鏡對輝光放電的發(fā)射光譜進(jìn)行收集，并經(jīng)過光譜儀的入口進(jìn)入光譜儀進(jìn)行轉(zhuǎn)化成電信號，并將所述電信號傳輸給處理器進(jìn)行處理分析出金屬元素的含量。
[0011]進(jìn)一步的，所述溶液池的底部或者輔助石墨電極的底部還設(shè)置有排液管。
[0012]進(jìn)一步的，所述光譜儀的入口為光纖入口或入射狹縫。
[0013]進(jìn)一步的，所述光譜儀通過光電倍增管或CCD光電轉(zhuǎn)換器件將發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換為電信號。
[0014]進(jìn)一步的，所述樣品池的進(jìn)樣液為采用無機(jī)酸以及有機(jī)酸酸化的金屬離子溶液，所進(jìn)樣液流速為0.5?10mL/min.。
[0015]進(jìn)一步的，所述輔助石墨電極側(cè)邊具有O?6個導(dǎo)流槽，.將進(jìn)樣管頂端溢出的液體收集至導(dǎo)流槽流入溶液池。
[0016]進(jìn)一步的，所述金屬陽極由鈦、鎢、鉭或不銹鋼耐燒蝕金屬制作，直徑為2?5mm ;所述高壓電源為提供O?1500V，0?150mA的直流高壓電源；所述電阻的阻值為300 Ω?5k Ω。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下:
[0018]本發(fā)明提供的等離子體原子化器制備的便攜式在線檢測金屬元素光譜儀，相比于傳統(tǒng)的測量儀器，本測量儀器對于金屬元素的檢測準(zhǔn)確度和精度相當(dāng)?shù)那闆r下，具有功能強(qiáng)大、攜帶方便、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、支持現(xiàn)場檢測、低制造成本和操作成本等優(yōu)勢，可以很理想地被應(yīng)用于一切需要進(jìn)行現(xiàn)場或在線樣品快速測定的場合，在多個領(lǐng)域中都具有極大地市場發(fā)展?jié)撃?，其獨有的?yōu)勢和便攜性將為涉及制造、廢棄物處理、核原料回收再利用的政府實驗室提供極大的便利，還將有利于聞等院校的相關(guān)教學(xué)及科研工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明提供的等離子體原子化器制備的便攜式金屬元素光譜儀的技術(shù)路線流程示意圖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2由本發(fā)明實施例1提供的等離子體原子化器制備的便攜式金屬元素光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0021]圖3為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖示標(biāo)號標(biāo)識對象分別為:1-高壓電源；2-電阻；3_金屬陽極；4_輔助石墨電極；5_溶液池；6_進(jìn)樣管；7_樣品池；8_雙通道蠕動泵；9_廢液池；10_會聚透鏡；11-光譜儀；12-計算機(jī)；13_排液管。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖給出一個非限定性的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0023]參照圖1-圖3所示，實施例1:
[0024]本實施例是由本發(fā)明提供的等離子體原子化器制備的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，主要由樣品引入和排出系統(tǒng)、等離子體原子化系統(tǒng)和光譜測量處理系統(tǒng)，如圖1所示。
[0025]待測液體樣品可以通過雙通道蠕動泵進(jìn)入所述等離子體原子化系統(tǒng)，產(chǎn)生放電等離子體，參與產(chǎn)生等離子體的廢液經(jīng)排液管由蠕動泵排至廢液池。放電等離子體產(chǎn)生的發(fā)射光譜依次經(jīng)過光譜儀進(jìn)行分光處理、檢測系統(tǒng)進(jìn)行放大處理、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，獲得各元素的光譜強(qiáng)度，從而定量分析其中的金屬元素含量。
[0026]如圖2所示，為本發(fā)明提供的等離子體原子化器制備的便攜式金屬元素光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]樣品引入和排出系統(tǒng)由樣品池7、雙通道蠕動泵8、溶液池5和廢液池9組成；存放于樣品池7的待測溶液在螺動泵8的帶動下以0.5?10mL/min的速度進(jìn)入進(jìn)樣管6,參與放電的液體由溶液池5收集后由置于溶液池5下方的排液管13在蠕動泵的帶動下排空。進(jìn)樣管由石英或玻璃材料制成，內(nèi)徑為0.3?2mm,外徑為I?5_ ;采用硝酸、鹽酸或硫酸等無機(jī)酸以及其混合液或添加1%?6%濃度甲酸、乙酸等有機(jī)酸酸化的金屬離子溶液。
[0028]等離子體原子化系統(tǒng)由進(jìn)樣管6、輔助石墨電極4、金屬陽極3、電阻2和高壓電源I組成；待測樣品經(jīng)蠕動泵8帶動進(jìn)入進(jìn)樣管，并從進(jìn)樣管6的頂端溢出，實現(xiàn)待測液體與輔助石墨電極4導(dǎo)通，溢出的液體經(jīng)輔助電極4的導(dǎo)流管流入溶液池5 ;輔助石墨電極4套住進(jìn)樣管6,并且所述進(jìn)樣管6的頂端高于輔助石墨電極4的頂端I?5_ ;輔助石墨電極4側(cè)邊具有O?6個導(dǎo)流槽，可將進(jìn)樣管6頂端溢出的液體收集至導(dǎo)流槽流入溶液池5，保證液體流動的順暢，使放電更穩(wěn)定。輔助石墨電極4下端有輔助金屬電極連接高壓電源I的負(fù)極，作為放電陰極；在進(jìn)樣管6的正上方放置金屬陽極3，并可三維調(diào)整，實現(xiàn)進(jìn)樣管6和金屬陽極3在一條直線，并且實現(xiàn)金屬陽極3與進(jìn)樣管6的間距在O?5mm調(diào)整。金屬陽極3由鈦、鎢、鉭或不銹鋼等耐燒蝕金屬制作，直徑為2?5mm，且下端具有30°?60°倒角。高壓電源I為能夠提供O?1500V，0?150mA的直流高壓。高壓電源I正極經(jīng)電阻連接等離子體發(fā)生裝置的陽極端。所述電阻的阻值為300 Ω?5kΩ。大氣壓空氣環(huán)境中，通過高壓電源I向金屬陽極3和液體陰極施加高電壓，導(dǎo)致電極間的氣體發(fā)生電離，在進(jìn)樣管6頂端溢出的待測溶液與金屬陽極3之間構(gòu)成輝光放電。待測液體中的金屬離子在等離子體的作用下進(jìn)入等離子體內(nèi)部，并實現(xiàn)原子化，原子化的金屬元素在等離子體高能電子的作用下激發(fā)到高能級，高激發(fā)態(tài)的金屬原子向低能級躍遷，產(chǎn)生金屬元素的發(fā)射光譜。通過實驗得出，本測量儀器的準(zhǔn)確度可達(dá)到95%，相比于傳統(tǒng)的測量儀器，在金屬元素的檢測準(zhǔn)確度和精度相當(dāng)。但是本儀器具有功能強(qiáng)大、攜帶方便、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、支持現(xiàn)場檢測、低制造成本和操作成本等優(yōu)勢，可以很理想地被應(yīng)用于一切需要進(jìn)行現(xiàn)場或在線樣品快速測定的場合，在多個領(lǐng)域中都具有極大地市場發(fā)展?jié)撃?，其獨有的?yōu)勢和便攜性將為涉及制造、廢棄物處理、核原料回收再利用的政府實驗室提供極大的便利，還將有利于高等院校的相關(guān)教學(xué)及科研工作。
[0029]光譜測量處理系統(tǒng)由會聚透鏡10、光譜儀11和計算機(jī)12組成。發(fā)射光譜采用固定在支架上的聚光透鏡10收集，經(jīng)光譜儀11連接的光纖入口或入射狹縫進(jìn)入光譜儀的分光系統(tǒng)，然后通過光電倍增管或CCD等光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號。產(chǎn)生的電信號由放大后，由計算機(jī)12進(jìn)行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析處理，獲得各元素的光譜強(qiáng)度，從而定量分析其中的元素含量。較佳的，大氣壓液態(tài)陰極輝光放電區(qū)域中心、聚焦透鏡10中心和光譜儀11的入口中心在一條直線。所述光譜儀為單色儀與光電倍增管或CCD等光電轉(zhuǎn)換器件的組合光譜儀，也可為便攜式光譜儀。光譜儀的入射口可為光譜儀的狹縫入口或者光纖入口。
[0030]實施例2:
[0031]如圖3所示，一種用于水中金屬離子在線光譜測量的大氣壓輝光放電原子化器，與實施例1不同的是:
[0032]1.所述石墨電極4的內(nèi)徑為稍大于進(jìn)樣管6的外徑，即石墨電極4與進(jìn)樣管間6存在間隙，間隙在0.1?Imm之間。同時，所述石墨電極4上端的內(nèi)徑處倒角，做成樣品收集口，從進(jìn)樣管溢出的液體經(jīng)過石墨電極上端收集口流入石墨電極4和進(jìn)樣管6的間隙。石墨電極4的內(nèi)側(cè)可設(shè)置O?6個導(dǎo)流槽，保證液體與石墨電極的良好接觸以及順暢流下。
[0033]2.排液管13出口設(shè)于石墨電極4的下方。
[0034]以上這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于:包括高壓電源(I)、電阻(2)、金屬陽極(3)、輔助石墨電極(4)、溶液池(5)、進(jìn)樣管(6)、樣品池(7)、雙通道蠕動泵(8)、廢液池(9)、會聚透鏡(10)、光譜儀(11)及計算機(jī)(12)； 所述高壓電源⑴的正極通過電阻⑵與金屬陽極⑶相連接，所述金屬陽極⑶的上端面為一圓柱體，下端面為具有30°?60°倒角的圓錐體，與所述金屬陽極(3)的圓錐體端下方對應(yīng)設(shè)置有一輔助石墨電極(4)，且輔助石墨電極(4)與金屬陽極(3)在一條直線上；所述高壓電源(I)的負(fù)極一路接地，另一路與所述輔助石墨電極(4)的下端相連接，所述輔助石墨電極(4)固定于溶液池(5)的中心位置處，且所述輔助石墨電極(4)的上端延伸出溶液池(5)的上表面，所述輔助石墨電極(4)的下端在溶液池(5)內(nèi)部，所述輔助石墨電極(4)的中空位置設(shè)置有一進(jìn)樣管(6)，且所述進(jìn)樣管(6)的頂端高于輔助石墨電極(4)的上端面，所述進(jìn)樣管(6)的上端開口，所述進(jìn)樣管(6)的下端貫穿所述溶液池(5)并與雙通道蠕動泵(8)相連接，所述雙通道蠕動泵(8)分別與樣品池(7)和廢液池(9)相連接，所述金屬陽極(3)的側(cè)面還設(shè)置有固定在支架上的會聚透鏡(10)及光譜儀(11)，所述會聚透鏡(10)的中心與光譜儀(11)的入口平行； 當(dāng)打開所述高壓電源(I)，雙通道蠕動泵(8)工作時，所述樣品池(7)中的待測金屬液體通過進(jìn)樣管(6)流入所述輔助石墨電極(4)上方溢出，所述金屬陽極(3)與待測金屬液體形成輝光放電，所述輝光放電的中心、所述會聚透鏡(10)的中心及光譜儀(11)的入口在一條直線上，所述會聚透鏡(10)對輝光放電的發(fā)射光譜進(jìn)行收集，并經(jīng)過光譜儀(11)的入口進(jìn)入光譜儀(11)進(jìn)行轉(zhuǎn)化成電信號，并將所述電信號傳輸給計算機(jī)(12)進(jìn)行處理分析出金屬兀素的含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于:所述溶液池(5)的底部或者輔助石墨電極(4)的底部還設(shè)置有排液管(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于:所述光譜儀(11)的入口為光纖入口或入射狹縫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于:所述光譜儀(11)通過光電倍增管或CCD光電轉(zhuǎn)換器件將發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換為電信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于:所述樣品池(7)的進(jìn)樣液為采用無機(jī)酸以及有機(jī)酸酸化的金屬離子溶液，所進(jìn)樣液流速為0.5 ?10mT,/mi η.。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于:所述輔助石墨電極(4)側(cè)邊具有O?6個導(dǎo)流槽，.將進(jìn)樣管(6)頂端溢出的液體收集至導(dǎo)流槽流入溶液池(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于液體樣品在線檢測的便攜式元素光譜儀，其特征在于；所述金屬陽極(3)由鈦、鎢、鉭或不銹鋼耐燒蝕金屬制作，直徑為2?5mm;所述高壓電源(I)為提供O?1500V，O?150mA的直流高壓電源；所述電阻⑵的阻值為300 Ω?5k Ω。
【文檔編號】G01N21/67GK103969244SQ201410211206
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】鄭培超, 鞏亞明, 王金梅, 張斌 申請人:重慶郵電大學(xué)