靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，屬于 等離子體光譜檢測技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域包括污水重金屬監(jiān)測、土壤重金屬污染元素測量、塑 料污染分類等分析范疇。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光誘導擊穿光譜技術(shù)（LaserInducedBreakdownSpectroscopy，LIBS)是一種 新興的物質(zhì)組分光化學分析技術(shù)，LIBS技術(shù)與其他檢測方法相比具有無需對樣品進行預(yù)處 理、在線、原位、快速及無接觸地多元素同時分析的優(yōu)勢。目前，在農(nóng)業(yè)、航天及材料化工等 產(chǎn)業(yè)有重要的應(yīng)用價值，因此越來越受到人們的關(guān)注。
[0003] LIBS技術(shù)能有效檢測固體、液體及氣體等多種樣品形態(tài)，液體基質(zhì)獲取光譜信息 的方法主要有靜態(tài)液體法、動態(tài)液體法和液體冰凍法等多種方式，存在液體對等離子體的 壓力、表面波動、液滴飛濺、吸收及樣品預(yù)處理耗時長等缺陷，液體射流式是新興的取樣方 法，可以避免表面波動，克服液滴飛濺，提高實驗重復(fù)率。
[0004]傳統(tǒng)的液體射流式LIBS系統(tǒng)以Nd :YAG激光器發(fā)出的脈沖光作為光源，經(jīng)過聚 焦透鏡作用在液體射流表面，激光燒蝕并電離樣品形成明亮的等離子體，利用光纖探頭收 集等離子體發(fā)射的元素譜線，耦合到光譜儀，傳遞給計算機處理光譜儀接收到的元素譜線 數(shù)據(jù)。這種傳統(tǒng)LIBS技術(shù)在實際應(yīng)用中存在靈敏度較差、檢測極限較高的局限性，阻礙了 LIBS技術(shù)在液體檢測領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，因此如何增強光譜信號靈敏度和降低被測元素的 檢測極限是液體基質(zhì)研究急需解決的一個關(guān)鍵問題。
[0005] 針對這個問題，國內(nèi)外一些研究者相繼提出了雙脈沖激光誘導擊穿光譜技術(shù) (DualPulseLaserInducedBreakdownSpectroscopy，DP-LIBS)，該技術(shù)是兩束激光脈沖 經(jīng)過延時觸發(fā)器控制先后作用到樣品同一燒蝕點，第二束脈沖再激發(fā)第一束脈沖形成的等 離子體，這種雙脈沖技術(shù)與單脈沖技術(shù)相比，能明顯增強等離子體的發(fā)射光譜強度，降低檢 測極限。但是，雙脈沖技術(shù)需要兩個Nd:YAG激光源，確保兩束激光脈沖束共線或正交傳輸 所要求的光學系統(tǒng)及操作極其復(fù)雜，因此雙脈沖技術(shù)也面臨著操作的復(fù)雜性和高成本的缺 陷。另外，在固體研究方面，國內(nèi)一些研究者利用快脈沖放電的方式（LaserAblationFast PulseDischargePlasmaSpectroscopy，LA-FPDPS)增強固體樣品的光譜信號靈敏度，但 是液體基質(zhì)無法利用電火花式增強光譜信號強度，原因是在實踐過程中強放電火花容易引 起液體劇烈飛濺，不利于光譜的采集，影響每發(fā)脈沖的實驗條件，降低實驗重復(fù)率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 隨著社會迅猛發(fā)展，環(huán)境污染問題已成為全球性三大危機之一。水是人類賴以生 存的、稀缺的自然資源，水體污染無疑會對國家經(jīng)濟造成巨額損失，更嚴重危害人類的身體 健康，因此，探究出一種能快速有效地檢測污水重金屬元素的方案迫在眉睫。LIBS技術(shù)是一 種新興的污水重金屬元素檢測技術(shù)，但傳統(tǒng)LIBS技術(shù)仍然存在檢測限較高和探測精度較 差等缺陷，為解決液體基質(zhì)的LIBS光譜信號較弱以及不穩(wěn)定問題，本發(fā)明提出了一種靜電 輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，可提高污水中被測元素的光譜信號 強度，并降低檢測極限，提高探測靈敏度。
[0007] 本發(fā)明是一種靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，包括激 光器1、衰減系統(tǒng)(半波片2和格蘭棱鏡3)、聚焦透鏡4、蠕動栗5、燒杯6、正極板7、負極板 8、高壓電源9、聚焦透鏡10、光譜儀11和計算機12 ;其中激光器1在其輸出光束的光軸上 依次與半波片2、格蘭棱鏡3和聚焦透鏡4連接；蠕動栗5、燒杯6和樣品連接；正極板7、負 極板8和高壓電源9連接；聚焦透鏡10、光譜儀11和計算機12連接。
[0008] 激光器1為NchYAG激光器；半波片2和格蘭棱鏡為激光能量衰減系統(tǒng)；蠕動栗5 和燒杯6為液體樣品的循環(huán)系統(tǒng)；聚焦透鏡10、光譜儀11和計算機12為光譜檢測系統(tǒng)；正 極板7、負極板8和高壓電源9構(gòu)成的電路為靜電輔助增強LIBS系統(tǒng)。
[0009] 正極板7和負極板8為邊長為50mmX50mmX3mm的平面銅板，避免產(chǎn)生尖端放電， 其板間距為4cm~5cm，產(chǎn)生靜電作用在液體等離子體上，限流電阻札為30MQ，采樣電阻R2 為lkQ，電容C為1000pF，高壓電源的電壓范圍為0kV~30kV。
[0010] 由蠕動栗5、燒杯6和樣品連接構(gòu)成液體樣品的流速控制系統(tǒng)，液體流速范圍為0 ml/min~200ml/min〇
[0011] 靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置的檢測過程如下： 由上述的激光器1發(fā)出的脈沖激光作為光源，激光束經(jīng)過半波片2、格蘭棱鏡3和聚焦 透鏡4后垂直作用到液體射流表面上產(chǎn)生等離子體，等離子體內(nèi)帶電粒子受強靜電作用正 負電荷向相分離運動，使向前運動的等離子體與靜電作用的正負離子間的碰撞幾率增強， 使等離子體中高能態(tài)粒子數(shù)目增多，因此等離子體輻射光增強；等離子體發(fā)射的光經(jīng)過光 纖探頭收集，耦合到光譜儀中，光譜儀將光譜數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行處理和分析。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置結(jié)構(gòu)圖 圖2為本發(fā)明靜電輔助單元的電路圖 圖3為本發(fā)明激光束與液體樣品相對位置示意圖 圖4為本發(fā)明裝置和傳統(tǒng)LIBS檢測的光譜對比圖 圖5為本發(fā)明裝置下繪制的CuI324. 75nm的定標曲線 圖6為本發(fā)明裝置下繪制的CuI327. 40nm的定標曲線。
【具體實施方式】
[0013] 如圖1、圖2、圖3所示，為靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝 置，包括由Nd:YAG激光器1、半波片2、格蘭棱鏡3和聚焦透鏡4組成的激光誘導單元；由聚 焦透鏡10、光譜儀11和計算機12組成的光譜檢測單元，本發(fā)明較傳統(tǒng)LIBS檢測裝置，特征 在于增設(shè)一個靜電輔助增強光譜信號單元。
[0014] 本發(fā)明中的靜電輔助增強光譜信號單元包括正極板7、負極板8、電容C、電阻R^R2 和高壓電源9。
[0015] 正極板7和負極板8為邊長50mmX50mmX3mm的銅板，其板間距為4cm~5cm，限流 電阻札為30MQ，采樣電阻1?2為IkQ，電容C為35kF。高壓電源的電壓范圍為0kV~30kV。
[0016] 激光器1為Nd:YAG激光器，其波長為1064nm，脈寬為8ns，重復(fù)頻率為10Hz，光 斑直徑為7mm，激光能量在30~300mJ范圍內(nèi)可調(diào)。
[0017] 光譜儀11為Avantes八通道光纖光譜儀，最小曝光時間為1ms，最小系統(tǒng)內(nèi)部延遲 時間為1. 28ys，光譜儀的光譜范圍為200nm~1050nm，分辨率為0.lnm。
[0018] 根據(jù)《GB8978-1996污水綜合排放標準》（中華人民共和國國家標準)，Cu元素被 列為第二類污水重金屬污染物，因此本發(fā)明主要選取Cu元素作為分析實例，所用樣品為北 京化工廠生產(chǎn)的CuSO4 ? 5H20作為溶質(zhì)，使用蒸餾水配置CuSO4溶液。蠕動栗5和燒杯6與 液體樣品共同組成了液體射流循環(huán)系統(tǒng)，射流噴嘴直徑為1_，流速為65ml/min。
[0019] 激光能量為160mJ，激光束作用在液體射流表面上，距離噴嘴3mm，利用此條件分 別采用傳統(tǒng)LIBS和電源電壓2kV、板間距4. 5cm下激光誘導結(jié)果靜電輔助的方法對CuSO4 溶液進行Cu元素的光譜分析，獲得圖4的兩種方法的光譜對比圖，靜電輔助下得到的CuI 324. 75nm和CuI327. 40nm譜線的光譜信號強度約為傳統(tǒng)LIBS的2陪。
[0020] 利用七種不同Cu元素濃度（9. 98ppm、99. 95ppm、299. 99ppm、500. 04ppm、 700. 08ppm、999. 96ppm和2000. 14ppm)的CuSO4溶液得到靜電輔助LIBS光譜信號，圖5 和圖6分別為本發(fā)明裝置和傳統(tǒng)LIBS裝置下獲得的光譜分析線CuI324. 75nm和CuI 327. 40nm的定標曲線，計算得到相應(yīng)的檢測限（LimitofDetection，LoD)見表1，本發(fā)明 的檢測裝置得到的LoD值較傳統(tǒng)LIBS低約2倍，可見靜電輔助的方式有效降低了傳統(tǒng)LIBS 的最小檢測精度。通過計算兩種實驗方案的相對誤差值(見表2)，得出靜電輔助的LIBS技 術(shù)相比于傳統(tǒng)方法，每種樣品下的相對誤差均有所減小，說明靜電輔助LIBS技術(shù)提高了傳 統(tǒng)方法的探測精度，從而增加了該技術(shù)的實用價值。
[0021] 綜上所述，本發(fā)明提供的這種靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢 測裝置降低了光學系統(tǒng)的復(fù)雜性和激光系統(tǒng)成本，有效增強了光譜信號強度，在污水檢測 方面有重要的應(yīng)用價值。
[0022] 表1本發(fā)明及傳統(tǒng)LIBS獲得的LoD值

【主權(quán)項】
1. 靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，包括激光器1、衰減系 統(tǒng)(半波片2和格蘭棱鏡3)、聚焦透鏡4、蠕動栗5、燒杯6、正極板7、負極板8、高壓電源9、 聚焦透鏡10、光譜儀11和計算機12 ;其中由激光器1在其輸出光束的光軸上依次與半波片 2、格蘭棱鏡3和聚焦透鏡4連接組成激光入射單元，由蠕動栗5、燒杯6和樣品連接構(gòu)成液 體樣品的流速控制系統(tǒng)，由聚焦透鏡10、光譜儀11和計算機12連接構(gòu)成光譜檢測單元；由 正極板7、負極板8和高壓電源9連接，高壓電源正極與限流電阻R 1連接，負極與采樣電阻 R2連接，電容C與正負極板并聯(lián)組成靜電輔助LIBS光譜信號增強單元，入射激光束在靜電 場板極中間傳輸聚焦液體流誘導產(chǎn)生液體激光等離子體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，其 特征在于靜電場極板為邊長50mmX50mmX3mm的平面銅板，其板間距為4cm~5cm，所用電 容容量為l〇〇〇pF，高壓電源的電壓范圍為0kV~30kV。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，其 特征在于液體流速為懦動栗控制，流速范圍為0ml/min~200ml/min。
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光誘導擊穿光譜檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種靜電輔助增強激光誘導擊穿光譜污水重金屬元素檢測裝置，包括由YAG激光器、能量衰減系統(tǒng)、透鏡組成的入射單元，由探頭、光纖、光譜儀組成的光譜信號接收單元，污水流速控制單元以及數(shù)據(jù)分析單元，本裝置比傳統(tǒng)LIBS裝置增設(shè)了靜電輔助增強LIBS光譜信號單元和蠕動泵控制污水流速單元，獲取的LIBS光譜信號強度比傳統(tǒng)LIBS高約2倍，探測靈敏度提高2倍，本發(fā)明既繼承了傳統(tǒng)LIBS的快速、在線、原位檢測等優(yōu)勢，更具有增強LIBS光譜信號強度的特點，相比于雙脈沖激光誘導擊穿光譜技術(shù)，檢測系統(tǒng)裝備簡單，易于操作，降低了激光系統(tǒng)成本和光學系統(tǒng)復(fù)雜性，有較好的實用性。
【IPC分類】G01N21/71
【公開號】CN105067593
【申請?zhí)枴緾N201510401969
【發(fā)明人】高 勛, 張亞維, 林景全
【申請人】長春理工大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月10日