一種液體中元素激光光譜分析裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)開展溶液中的元素定量分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種液體中元素激光光譜分析裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]快速檢測分析溶液中的元素及其含量對于環(huán)境監(jiān)測、水污染的治理、鹽湖資源開發(fā)，海洋資源勘探具有重要的意義。目前，常用的分析方法主要有:火花直讀發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法(AAS)、X射線熒光光譜法(XRF)、電感耦合等離子體(ICP)光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)、無機質(zhì)譜儀、有機質(zhì)譜儀、化學(xué)比色法和電化學(xué)分析方法等。
[0003]盡管這些傳統(tǒng)方法具有較高的準確度和靈敏度，但是，這些方法大多需要將樣品帶回實驗室檢測分析，有些還需要對樣品進行復(fù)雜的預(yù)處理后才可以分析，對樣品形態(tài)、所分析元素種類等都具有較大限制，且檢測過程和結(jié)果分析耗時較長，這使得檢測的時效性不強，難以滿足水體污染實時監(jiān)測、大范圍海洋與鹽湖中礦物資源勘探等方面的應(yīng)用需求。
[0004]激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)是利用強激光聚焦于樣品表面形成等離子體，通過測量等離子體發(fā)射光譜中的特征譜線來分析樣品中元素成分的分析手段。該方法已經(jīng)在金屬等固體樣品中的痕量元素的定性、定量分析應(yīng)用研究方面取得了不錯的效果。與傳統(tǒng)分析方法相比，LIBS技術(shù)最大的特點是幾乎不需要制備，對樣品破壞小、靈敏度高等特點，并且由于該分析方法僅有光束與目標靶材的接觸，因而可實現(xiàn)多元素、原位分析。
[0005]液體樣品中的元素分析是LIBS技術(shù)的一個重要應(yīng)用目標。通常，利用LIBS技術(shù)進行液體樣品分析，采用脈沖激光直接聚焦于容器中液面附，將液體擊穿產(chǎn)生等離子體，進而收集等離子體光譜。這種測量方式盡管非常簡單，但是由于等離子體產(chǎn)生過程中產(chǎn)生的沖擊波會造成液面濺射，激光聚焦透鏡會被快速污染進而導(dǎo)致激光能量大幅衰減，難以持續(xù)測量。另一方面，由于等離子體沖擊波會導(dǎo)致液面大幅振動，使得作用在液體上的激光功率密度有很大的變化，從而導(dǎo)致測量結(jié)果重復(fù)性差，誤差大，這也限制了 LIBS的探測極限。近些年研究中，國際上主要研究機構(gòu)試圖通過降低激光重復(fù)頻率、將液體快速固化、濾紙吸附、液體噴流方法等方法提高LIBS技術(shù)對液體中元素的分析能力。但是，這些方法均以降低LIBS技術(shù)分析效率或者增加樣品前處理過程等為代價，削弱了 LIBS技術(shù)快速、原位分析的優(yōu)勢，并且效果也不盡理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種液體中元素激光光譜分析裝置及方法，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:所述的一種液體中元素激光光譜分析裝置，其特征是包括導(dǎo)光支撐籠，導(dǎo)光支撐籠下部設(shè)置有支撐底座，導(dǎo)光支撐籠上端內(nèi)部設(shè)置有激光聚焦透鏡，激光聚焦透鏡上方對應(yīng)設(shè)置有單點激光反射鏡，激光聚焦透鏡下方對應(yīng)設(shè)置有中心帶孔擋板，中心帶孔擋板下方對應(yīng)設(shè)置有金屬毛細管，中心帶孔擋板與金屬毛細管之間的導(dǎo)光支撐籠一側(cè)設(shè)置有等離子光譜收集預(yù)留窗口，等離子光譜收集預(yù)留窗口內(nèi)還設(shè)置有光譜收集透鏡組，金屬毛細管與蠕動栗相連，蠕動栗通過硅膠管和導(dǎo)光支撐籠一側(cè)設(shè)置的樣品池相連；導(dǎo)光支撐籠上端部設(shè)置有工業(yè)CCD相機，脈沖激光源的激光束通過激光反射鏡進入導(dǎo)光支撐籠，工業(yè)CXD相機和脈沖激光源與數(shù)字延遲發(fā)生器相連，光譜儀與數(shù)字延遲發(fā)生器相連，光譜儀通過光纖接等離子光譜收集預(yù)留窗口引出端。
[0008]所述的金屬毛細管穿過導(dǎo)光支撐籠設(shè)置，激光靶點設(shè)置在導(dǎo)光支撐籠軸線和等離子光譜收集預(yù)留窗口軸線交叉的中心位置，以保證激光燒蝕產(chǎn)生的等離子體羽發(fā)射光譜高效的被收集到光纖中。
[0009]所述的金屬毛細管以相對支撐籠軸線小于45度的角度嵌裝在導(dǎo)光支撐籠上，所述的中心帶孔擋板的中心孔直徑小于5mm;所述的光譜儀、脈沖激光源和工業(yè)CCD均由數(shù)字延遲發(fā)生器觸發(fā)控制，保證精確同步或者調(diào)解延遲時間，所述的工業(yè)C⑶相機放置在導(dǎo)光支撐籠軸線上，用于監(jiān)控激光靶點位置。
[0010]所述的數(shù)字延遲發(fā)生器的信號輸出端通過電纜線分別與脈沖激光源、光譜儀和工業(yè)C⑶相機連接，通過數(shù)字延遲發(fā)生器延遲時間調(diào)節(jié)精確控制激光脈沖與光譜儀采集之間的延遲時間。就可以進一步優(yōu)化光譜測量信噪比，提高元素探測靈敏度。
[0011]所述的一種液體中元素激光光譜分析方法，其特點是包括所述的金屬毛細管傳輸樣品池內(nèi)的目標溶液，蠕動栗將目標溶液從樣品池處通過硅膠軟管栗至激光作用區(qū)處，由激光器發(fā)射的激光束通過激光聚焦透鏡聚焦在金屬毛細管管壁燒蝕穿透后，激光束直接作用于管內(nèi)的溶液表面上，通過形成等離子體羽發(fā)射目標液體形成的等離子體光譜，等離子體光譜通過光譜收集透鏡組收集后經(jīng)過光纖傳輸至光譜儀進行特征光譜分析。
[0012]所述的金屬毛細管在光譜分析過程中更換的方法為:首先用超純水做循環(huán)溶液，利用脈沖激光連續(xù)燒蝕金屬毛細管，并利用光譜儀實時同步監(jiān)測光譜，直至光譜儀觀測不到任何非超純水中固有元素的光譜信號為止，以避免金屬毛細管中元素對測量結(jié)果的干擾；然后更換目標溶液，開始目標溶液中元素的測量分析，通過標準溶液測量標定含量曲線，既可以對未知溶液進行定量測量分析，每次更換毛細管后，均需要利用工業(yè)CCD同步觀測激光靶點位置，確認毛細管安裝位置與初始位置一致。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:所述的一種液體中元素激光光譜分析裝置及方法，其采用蠕動栗循環(huán)液體樣品、金屬毛細管傳輸液體并約束等離子體沖擊波、納秒激光燒蝕樣品、光譜儀測量等離子體光譜、脈沖信號延時器控制測量時序等，可以實現(xiàn)對液體中元素的快速定性、定量分析，且無需樣品制備、不降低激光重復(fù)頻率等，從而為水體中重金屬污染、核廢液原位檢測、海洋湖泊中礦產(chǎn)資源高效勘探等提供新手段。其利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)分析液體中元素及其含量的穩(wěn)定性與精度，極大降低檢測限；可以實現(xiàn)利用高重復(fù)頻率的激光脈沖作為燒蝕光源，可有效提高分析效率；避免液體濺射污染光學(xué)器件，保證設(shè)備長時間運行穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0015]圖2是采用本發(fā)明的方法標定溶液中Cr元素濃度曲線。
[0016]圖中所不:1.脈沖激光源，2.激光束，3.激光反射鏡，4.單點激光反射鏡，5.工業(yè)CCD相機，6.激光聚焦透鏡，7.導(dǎo)光支撐籠，8.中心帶孔擋板，9.等離子光譜收集預(yù)留窗口，10.光譜收集透鏡組；11.光纖；12.光譜儀；13.蠕動栗；14.硅膠管；15.金屬毛細管；16.等離子體羽；17.支撐底座；18.樣品池；19.數(shù)字延遲發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0018]如圖1所示，所述的一種液體中元素激光光譜分析裝置，其特點是包括導(dǎo)光支撐籠7，導(dǎo)光支撐籠7下部設(shè)置有支撐底座17，導(dǎo)光支撐籠7上端內(nèi)部設(shè)置有激光聚焦透鏡6，激光聚焦透鏡6上方對應(yīng)設(shè)置有單點激光反射鏡4，激光聚焦透鏡6下方對應(yīng)設(shè)置有中心帶孔擋板8，中心帶孔擋板8下方對應(yīng)設(shè)置有金屬毛細管15，中心帶孔擋板8與金屬毛細管15之間的導(dǎo)光支撐籠7 —側(cè)設(shè)置有等離子光譜收集預(yù)留窗口 9，等離子光譜收集預(yù)留窗口9內(nèi)還設(shè)置有光譜收集透鏡組10，金屬毛細管15與蠕動栗13相連，蠕動栗13通過硅膠管14和導(dǎo)光支撐籠7 —側(cè)設(shè)置的樣品池18相連；導(dǎo)光支撐籠7上端部設(shè)置有工業(yè)CXD相機5，脈沖激光源I的激光束2通過激光反射鏡3進入導(dǎo)光支撐籠7，工業(yè)CXD相機5和脈沖激光源I與數(shù)字延遲發(fā)生器19相連，數(shù)字延遲發(fā)生器19與光譜儀12相連，光譜儀12通過光纖11接等離子光譜收集預(yù)留窗口 9引出端。
[0019]進一步，所述的金屬毛細管15穿過導(dǎo)光支撐籠7設(shè)置，激光靶點設(shè)置在導(dǎo)光支撐籠7軸線和等離子光譜收集預(yù)留窗口 9軸線交叉的中心位置，以保證激光燒蝕產(chǎn)生的等離子體羽16發(fā)射光譜高效的被收集到光纖11中。
[0020]進一步，所述的金屬毛細管15以相對于支撐籠軸線小于45度的角度嵌裝在導(dǎo)光支撐籠7上，所述的中心帶孔擋板8的中心孔直徑小于5mm ;所述的光譜儀12、脈沖激光源I和工業(yè)CXD相機5均由數(shù)字延遲發(fā)生器19控制，保證精確同步或者調(diào)解延遲時間，所述的工業(yè)CXD相機5放置在導(dǎo)光支撐籠7軸線上，用于監(jiān)控激光靶點位置。
[0021]進一步，所述的數(shù)字延遲發(fā)生器19的信號輸出端通過電纜線分別與脈沖激光源1、光譜儀12和工業(yè)CXD相機5連接，通過數(shù)字延遲發(fā)生器19延遲時間調(diào)節(jié)精確控制激光脈沖與光譜儀12采集之間的延遲時間，就可以進一步優(yōu)化光譜測量信噪比，提高元素探測靈敏度。
[0022]—種液體中元素激光光譜分析方法，其特點是包括所述的金屬毛細管15傳輸樣品池18內(nèi)的目標溶液，蠕動栗13將目標溶液從樣品池18處通過硅膠軟管14栗至激光作用區(qū)處，由激光器發(fā)射的激光束2通過激光聚焦透鏡6聚焦在金屬毛細管管15壁燒蝕穿透后，激光束2直接作用于管內(nèi)的溶液表面上，通過形成等離子體羽16發(fā)射目標液體形成的等離子體光譜，等離子體光譜通過光譜收集透鏡組收集后經(jīng)過光纖11傳輸至光譜儀12進行特征光譜分析。
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