專利名稱：一種基于低電壓液態(tài)電極等離子體的金屬離子檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低電壓液態(tài)電極等離子體發(fā)光光譜分析技術(shù)的金屬離子檢測方法。
背景技術(shù)：
金屬離子檢測是一個在很多領(lǐng)域都極大應(yīng)用價值的課題，例如，在生物醫(yī)學(xué)工程和臨床實踐中，血鉀、血鈉的測定是一常規(guī)項目。同時，隨著生活環(huán)境中重金屬污染的增加，血鉛等重金屬離子的測量也變得日益重要。在環(huán)保和污染防治方面，也需要監(jiān)測各種水體，如河流、水庫中的金屬離子。食品和飲料中的金屬離子檢測已經(jīng)引起人們的重視。因此，國內(nèi)外科學(xué)工作者們開始尋找一種可靠、有效、快速、方便的金屬離子檢測方法。
在這方面，一個比較成功的例子是基于陽極溶出法的電化學(xué)重金屬離子檢測法。傳統(tǒng)上陽極溶出法采用滴汞作為電極材料，為了避免滴汞造成新的環(huán)境污染，著名電分析化學(xué)家Joseph Wang提出了基于鉍電極的重金屬離子檢測技術(shù)，引起人們的廣泛重視。但是，電化學(xué)重金屬離子檢測法從根本上講還是一種間接測量方法，它的檢測受所測溶液中其他各種成分的影響。同時，該法也不能用于檢測鈉、鉀等活潑元素。
原子發(fā)光光譜是一種實驗室條件下常用的分析化學(xué)技術(shù)，它根據(jù)物質(zhì)中不同原子能級躍遷所產(chǎn)生的光譜線來研究物質(zhì)的化學(xué)組成。由于各種元素原子結(jié)構(gòu)不同，其電子能級的躍遷可以產(chǎn)生按一定波長次序排列的特征譜線，同時，譜線的強度同元素的濃度有關(guān)，可以實現(xiàn)定量測量。發(fā)光光譜分析是一種十分穩(wěn)定可靠的分析技術(shù)。
在光譜分析中，都需要一定的光源。這些光源能夠把試樣中的組分蒸發(fā)離解為氣態(tài)原子，然后將這些氣態(tài)原子激發(fā)，使之產(chǎn)生特征光譜。當前，發(fā)光光譜系統(tǒng)中用的比較多的，性能也比較理想的是電感耦合等離子體光源。自從1975年美國Applied Research Laboratories公司生產(chǎn)了第一臺商品電感耦合等離子體發(fā)光光譜儀以來，電感耦合等離子體發(fā)光光譜儀已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著微米/納米技術(shù)的發(fā)展，特別是芯片實驗室概念的興起，人們也開始嘗試用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)制作微型的電感耦合等離子體發(fā)光光譜系統(tǒng)，希望使其既保持光譜分析準確可靠的特性，又融合傳感器技術(shù)方便，容易使用的優(yōu)點。但是目前該領(lǐng)域的研究還有兩個問題還有待解決。第一是液態(tài)樣品的進樣，目前所報道的這些系統(tǒng)都還是需要霧化器，而霧化器的微型化不是一件容易的事情。第二是這些等離子體的生成和維持都需要一些泵和閥來控制。目前真正穩(wěn)定實用化的微泵和微閥還是很少的。
液態(tài)電極等離子體這一現(xiàn)象最早是由Gubkin在1887年進行電化學(xué)相關(guān)研究時發(fā)現(xiàn)的。之后Couch和Brenner于1955年首次發(fā)現(xiàn)液態(tài)電極等離子體的發(fā)射光譜和電解質(zhì)的成分有關(guān)。但是，直到1993年Cserfalvi提出并建立電解質(zhì)陰極放電系統(tǒng)并將其應(yīng)用于溶液中離子的發(fā)光光譜分析后，液態(tài)電極等離子體才又引起人們的重視。液態(tài)電極等離子體能夠在常溫常壓下操作，因此極大地簡化了儀器的結(jié)構(gòu)。
一般的液態(tài)電極等離子體發(fā)光光譜分析技術(shù)的金屬離子檢測裝置如圖1所示這里溶液3通過一輔助電極2和外接電源4的負端相連，而另一個固態(tài)電極1和外接電源4的正端相連，固態(tài)電極和液面之間的距離為l。當外接的電壓足夠高時，固態(tài)電極和液面之間的氣體就會被擊穿放電，從而形成等離子體。由于這里等離子體的一極為液面，所以也被稱之為液態(tài)電極等離子體。同時，由于陰極濺射作用，溶液中的溶質(zhì)成分，特別是金屬離子會進入等離子體中并被激發(fā)產(chǎn)生發(fā)射光譜。這樣再通過光纖5把信號引向光譜分析系統(tǒng)6，通過光譜分析就可以檢測溶液中金屬離子了。
采用液態(tài)電極等離子體技術(shù)可以在常溫常壓下檢測溶液中的金屬離子成分，而通常的等離子體發(fā)射光譜分析技術(shù)往往需要在低壓條件下產(chǎn)生等離子體。同時，對于液態(tài)樣品還需要專門的霧化器使其氣化后才能引入等離子體中，因此液態(tài)電極等離子體發(fā)射光譜分析提供了一種簡便有效的金屬離子檢測方法。不過，目前液態(tài)電極等離子體液態(tài)電極和固態(tài)電極之間的距離一般在毫米量級，這樣使氣體電離產(chǎn)生等離子體所需的電壓較高，很難開發(fā)出使用電池供電的便攜式系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種通過測量液態(tài)電極和對電極之間的阻抗來精密控制電極之間的距離從而實現(xiàn)低電壓產(chǎn)生液態(tài)電極等離子體，并與發(fā)光光譜分析技術(shù)結(jié)合用于檢測金屬離子的方法。
根據(jù)帕邢定律，氣體電離電壓由氣體壓強(p)和電極間的距離(l)決定p×l＝常數(shù)當固態(tài)電極和液態(tài)電極之間的距離在微米量級時，氣體電離所需的外加電壓也大大降低，從而為開發(fā)電池供電的便攜式檢測系統(tǒng)提供了可能性。
一種基于低電壓液態(tài)電極等離子體的金屬離子檢測方法，包括固態(tài)電極、輔助電極和外接電源，檢測步驟為(1)先將固態(tài)電極下移浸入待測溶液中，同時在線檢測固態(tài)電極和輔助電極之間的阻抗；(2)慢慢向上移動固態(tài)電極，當阻抗出現(xiàn)躍變時停止移動，此時固態(tài)電極剛剛移出液面；(3)將固態(tài)電極和輔助電極的距離進行固定，通過外接電源向固態(tài)電極和輔助電極施加電壓，形成液態(tài)等離子體，通過光纖將光譜信號接入光譜分析系統(tǒng)，從而檢測待測溶液中的金屬離子。
本發(fā)明的原理為開始后先將固態(tài)電極1下移浸入溶液中，同時檢測固態(tài)電極1和輔助電極2之間的阻抗。這時固態(tài)電極和輔助電極之間的等效阻抗如圖2所示。
一般情況下電極和溶液間的阻抗(包括法拉第阻抗7和雙電層電容8)以及溶液阻抗9都是小的。當固態(tài)電極1慢慢向上移動并剛剛移出液面時，則相應(yīng)的等效電路就如圖3所示。這時除了溶液阻抗9外，又引進了空氣阻抗10。和法拉第阻抗7及溶液阻抗9相比，空氣阻抗10要大得多。這樣，通過一邊向上移動固態(tài)電極1，一邊監(jiān)測回路得阻抗，在阻抗值出現(xiàn)躍變時就停止移動固態(tài)電極1，就可以控制固態(tài)電極和液態(tài)電極之間的距離在微米量級，從而大大降低氣體電離所需的外加電壓。當液態(tài)電極和固態(tài)電極的距離控制在微米量級時，再向這兩電極施加約20伏的電壓，就可以使兩電極間的氣體電離，形成等離子體，然后通過光譜分析就能實現(xiàn)金屬離子的檢測。
本發(fā)明方法采用在線測量固態(tài)電極和液態(tài)電極之間的阻抗，可以自動控制固態(tài)電極和液態(tài)電極之間的距離在微米量級，使氣體電離產(chǎn)生等離子體所需的電壓較低，與金屬發(fā)射光譜分析技術(shù)結(jié)合，可以檢測溶液中所含的金屬離子。通過本發(fā)明方法，可進一步開發(fā)出使用電池供電的便攜式金屬離子檢測系統(tǒng)。


圖1液態(tài)電極等離子體發(fā)光光譜分析系統(tǒng)示意圖，其中1-固態(tài)電極、2-輔助電極、3-液面、4-電壓源、5-光纖、6-光譜分析系統(tǒng)。
圖2固態(tài)電極浸入溶液時回路等效阻抗圖，其中4-電壓源、7-法拉第阻抗、8-電極雙電層電容、9-溶液阻抗。
圖3固態(tài)電極離開溶液時回路等效阻抗圖，其中4-電壓源、7-法拉第阻抗、8-電極雙電層電容、9-溶液阻抗、10-空氣阻抗。
圖4本發(fā)明方法采用直流阻抗檢測時的系統(tǒng)示意圖，其中1-固態(tài)電極、2-輔助電極、3-液面、4-電壓源、5-光纖、6-光譜分析系統(tǒng)、11-直流電流計。
圖5本發(fā)明方法采用交流阻抗檢測時的系統(tǒng)示意圖，其中1-固態(tài)電極、2-輔助電極、3-液面、4-電壓源、5-光纖、6-光譜分析系統(tǒng)、12-交流電流計。
具體實施例方式
實施例1用直流方法監(jiān)測回路阻抗的液態(tài)等離子體發(fā)光光譜金屬離子檢測方法如圖4所示。在固態(tài)電極1向上移動的過程中，通過電壓源4向回路施加一大小為2伏左右的直流電壓并通過直流電流計11檢測回路阻抗。在此電壓條件下，在電極和溶液的界面發(fā)生水的電解反應(yīng)，這時法拉第阻抗7值很小，可參見圖2。這樣，當固態(tài)電極1和溶液3還有直接接觸時，整個回路的阻抗就很小，約在1k歐姆左右。一旦固態(tài)電極1移出溶液，這時由于空氣阻抗10的引入，可參見圖3，回路電阻將大于1M歐姆，在此時停止移動固態(tài)電極1。然后通過電壓源4再向兩電極間施加約20伏的直流電壓，使電極間的氣體電離，形成等離子體。這時通過檢測等離子體的發(fā)光光譜，就可實現(xiàn)溶液中金屬離子的檢測。
實施例2用交流方法監(jiān)測回路阻抗的液態(tài)等離子體發(fā)光光譜金屬離子檢測方法如圖5所示。在固態(tài)電極1向上移動的過程中，通過電壓源4向回路施加一大小為100毫伏，頻率為10千赫茲左右的交流信號并通過交流電流計12檢測回路阻抗。在此電壓條件下，在電極和溶液的界面信號主要通過雙電層電容，阻抗值很小，可參見圖2。這樣，當固態(tài)電極1和溶液3還有直接接觸時，整個回路的阻抗就很小，約為100歐姆。一旦固態(tài)電極1移出溶液，這時由于空氣阻抗10的引入，可參見圖3，回路電阻有一階躍上升，阻抗將大于1M歐姆，在此時停止移動固態(tài)電極1。然后通過電壓源4再向兩電極間施加約20伏的直流電壓，使電極間的氣體電離，形成等離子體。這時通過檢測等離子體的發(fā)光光譜，就可實現(xiàn)溶液中金屬離子的檢測。
權(quán)利要求
1.一種基于低電壓液態(tài)電極等離子體的金屬離子檢測方法，包括固態(tài)電極、輔助電極和外接電源，檢測步驟為(1)先將固態(tài)電極下移浸入待測溶液中，同時在線檢測固態(tài)電極和輔助電極之間的阻抗；(2)慢慢向上移動固態(tài)電極，當阻抗出現(xiàn)躍變時停止移動，此時固態(tài)電極剛剛移出液面；(3)將固態(tài)電極和輔助電極的距離進行固定，通過外接電源向固態(tài)電極和輔助電極施加電壓，形成液態(tài)等離子體，通過光纖將光譜信號接入光譜分析系統(tǒng)，從而檢測待測溶液中的金屬離子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于低電壓液態(tài)電極等離子體的金屬離子檢測方法，包括固態(tài)電極、輔助電極和外接電源，檢測步驟為先將固態(tài)電極下移浸入待測溶液中，在線檢測固態(tài)電極和輔助電極之間的阻抗；慢慢向上移動固態(tài)電極，當阻抗出現(xiàn)躍變時停止移動，此時固態(tài)電極剛剛移出液面；將固態(tài)電極和輔助電極的距離進行固定，通過外接電源向固態(tài)電極和輔助電極施加電壓，形成液態(tài)等離子體，通過光纖將光譜信號接入光譜分析系統(tǒng)，從而檢測待測溶液中的金屬離子。本發(fā)明的檢測方法可自動控制固態(tài)電極和液態(tài)電極之間的距離在微米量級，低電壓產(chǎn)生等離子體后檢測溶液中所含的金屬離子。通過本發(fā)明方法，可進一步開發(fā)出使用電池供電的便攜式金屬離子檢測系統(tǒng)。
文檔編號G01N21/69GK1818622SQ20061004980
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者吳堅, 葉璟 申請人:浙江大學(xué)