CN100422723C - 一种基于低电压液态电极等离子体的金属离子检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低电压液态电极等离子体的金属离子检测方法，包括固态电极、辅助电极和外接电源，检测步骤为：先将固态电极下移浸入待测溶液中，在线检测固态电极和辅助电极之间的阻抗；慢慢向上移动固态电极，当阻抗出现跃变时停止移动，此时固态电极刚刚移出液面；将固态电极和辅助电极的距离进行固定，通过外接电源向固态电极和辅助电极施加电压，形成液态电极等离子体，通过光纤将光谱信号接入光谱分析系统，从而检测待测溶液中的金属离子。本发明的检测方法可自动控制固态电极和液态电极之间的距离在微米量级，低电压产生等离子体后检测溶液中所含的金属离子。通过本发明方法，可进一步开发出使用电池供电的便携式金属离子检测系统。

Description

一种基于低电压液态电极等离子体的金属离子检测方法

技术领域

本发明涉及一种低电压液态电极等离子体发光光谱分析技术的金属离子检测方法。

背景技术

金属离子检测是一个在很多领域都极大应用价值的课题，例如，在生物医学工程和临床实践中，血钾、血钠的测定是一常规项目。同时，随着生活环境中重金属污染的增加，血铅等重金属离子的测量也变得日益重要。在环保和污染防治方面，也需要监测各种水体，如河流、水库中的金属离子。食品和饮料中的金属离子检测已经引起人们的重视。因此，国内外科学工作者们开始寻找一种可靠、有效、快速、方便的金属离子检测方法。

在这方面，一个比较成功的例子是基于阳极溶出法的电化学重金属离子检测法。传统上阳极溶出法采用滴汞作为电极材料，为了避免滴汞造成新的环境污染，著名电分析化学家Joseph Wang提出了基于铋电极的重金属离子检测技术，引起人们的广泛重视。但是，电化学重金属离子检测法从根本上讲还是一种间接测量方法，它的检测受所测溶液中其他各种成分的影响。同时，该法也不能用于检测钠、钾等活泼元素。

原子发光光谱是一种实验室条件下常用的分析化学技术，它根据物质中不同原子能级跃迁所产生的光谱线来研究物质的化学组成。由于各种元素原子结构不同，其电子能级的跃迁可以产生按一定波长次序排列的特征谱线，同时，谱线的强度同元素的浓度有关，可以实现定量测量。发光光谱分析是一种十分稳定可靠的分析技术。

在光谱分析中，都需要一定的光源。这些光源能够把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后将这些气态原子激发，使之产生特征光谱。当前，发光光谱系统中用的比较多的，性能也比较理想的是电感耦合等离子体光源。自从1975年美国Applied Research Laboratories公司生产了第一台商品电感耦合等离子体发光光谱仪以来，电感耦合等离子体发光光谱仪已经在各个领域得到了广泛的应用。随着微米/纳米技术的发展，特别是芯片实验室概念的兴起，人们也开始尝试用微电子机械系统技术制作微型的电感耦合等离子体发光光谱系统，希望使其既保持光谱分析准确可靠的特性，又融合传感器技术方便，容易使用的优点。但是目前该领域的研究还有两个问题还有待解决。第一是液态样品的进样，目前所报道的这些系统都还是需要雾化器，而雾化器的微型化不是一件容易的事情。第二是这些等离子体的生成和维持都需要一些泵和阀来控制。目前真正稳定实用化的微泵和微阀还是很少的。

液态电极等离子体这一现象最早是由Gubkin在1887年进行电化学相关研究时发现的。之后Couch和Brenner于1955年首次发现液态电极等离子体的发射光谱和电解质的成分有关。但是，直到1993年Cserfalvi提出并建立电解质阴极放电系统并将其应用于溶液中离子的发光光谱分析后，液态电极等离子体才又引起人们的重视。液态电极等离子体能够在常温常压下操作，因此极大地简化了仪器的结构。

一般的液态电极等离子体发光光谱分析技术的金属离子检测装置如图1所示：这里溶液3通过一辅助电极2和外接电源4的负端相连，而另一个固态电极1和外接电源4的正端相连，固态电极和液面之间的距离为l。当外接的电压足够高时，固态电极和液面之间的气体就会被击穿放电，从而形成等离子体。由于这里等离子体的一极为液面，所以也被称之为液态电极等离子体。同时，由于阴极溅射作用，溶液中的溶质成分，特别是金属离子会进入等离子体中并被激发产生发射光谱。这样再通过光纤5把信号引向光谱分析系统6，通过光谱分析就可以检测溶液中金属离子了。

采用液态电极等离子体技术可以在常温常压下检测溶液中的金属离子成分，而通常的等离子体发射光谱分析技术往往需要在低压条件下产生等离子体。同时，对于液态样品还需要专门的雾化器使其气化后才能引入等离子体中，因此液态电极等离子体发射光谱分析提供了一种简便有效的金属离子检测方法。不过，目前液态电极等离子体液态电极和固态电极之间的距离一般在毫米量级，这样使气体电离产生等离子体所需的电压较高，很难开发出使用电池供电的便携式系统。

发明内容

本发明提供了一种通过测量液态电极和对电极之间的阻抗来精密控制电极之间的距离从而实现低电压产生液态电极等离子体，并与发光光谱分析技术结合用于检测金属离子的方法。

根据帕邢定律，气体电离电压由气体压强(p)和电极间的距离(l)决定：

p×l＝常数

当固态电极和液态电极之间的距离在微米量级时，气体电离所需的外加电压也大大降低，从而为开发电池供电的便携式检测系统提供了可能性。

一种基于低电压液态电极等离子体的金属离子检测方法，包括固态电极、辅助电极和外接电源，检测步骤为：

(1)先将固态电极下移浸入待测溶液中，同时在线检测固态电极和辅助电极之间的阻抗；

(2)慢慢向上移动固态电极，当阻抗出现跃变时停止移动，此时固态电极刚刚移出液面；

(3)将固态电极和辅助电极的距离进行固定，通过外接电源向固态电极和辅助电极施加电压，形成液态电极等离子体，通过光纤将光谱信号接入光谱分析系统，从而检测待测溶液中的金属离子。

本发明的原理为：

开始后先将固态电极1下移浸入溶液中，同时检测固态电极1和辅助电极2之间的阻抗。这时固态电极和辅助电极之间的等效阻抗如图2所示。

一般情况下电极和溶液间的阻抗(包括法拉第阻抗7和双电层电容8)以及溶液阻抗9都是小的。当固态电极1慢慢向上移动并刚刚移出液面时，则相应的等效电路就如图3所示。这时除了溶液阻抗9外，又引进了空气阻抗10。和法拉第阻抗7及溶液阻抗9相比，空气阻抗10要大得多。这样，通过一边向上移动固态电极1，一边监测回路得阻抗，在阻抗值出现跃变时就停止移动固态电极1，就可以控制固态电极和液态电极之间的距离在微米量级，从而大大降低气体电离所需的外加电压。当液态电极和固态电极的距离控制在微米量级时，再向这两电极施加约20伏的电压，就可以使两电极间的气体电离，形成等离子体，然后通过光谱分析就能实现金属离子的检测。

本发明方法采用在线测量固态电极和液态电极之间的阻抗，可以自动控制固态电极和液态电极之间的距离在微米量级，使气体电离产生等离子体所需的电压较低，与金属发射光谱分析技术结合，可以检测溶液中所含的金属离子。通过本发明方法，可进一步开发出使用电池供电的便携式金属离子检测系统。

附图说明

图1液态电极等离子体发光光谱分析系统示意图，其中：1-固态电极、2-辅助电极、3-液面、4-电压源、5-光纤、6-光谱分析系统。

图2固态电极浸入溶液时回路等效阻抗图，其中：4-电压源、7-法拉第阻抗、8-电极双电层电容、9-溶液阻抗。

图3固态电极离开溶液时回路等效阻抗图，其中：4-电压源、7-法拉第阻抗、8-电极双电层电容、9-溶液阻抗、10-空气阻抗。

图4本发明方法采用直流阻抗检测时的系统示意图，其中：1-固态电极、2-辅助电极、3-液面、4-电压源、5-光纤、6-光谱分析系统、11-直流电流计。

图5本发明方法采用交流阻抗检测时的系统示意图，其中：1-固态电极、2-辅助电极、3-液面、4-电压源、5-光纤、6-光谱分析系统、12-交流电流计。

具体实施方式

实施例1：用直流方法监测回路阻抗的液态电极等离子体发光光谱金属离子检测方法

如图4所示。在固态电极1向上移动的过程中，通过电压源4向回路施加一大小为2伏左右的直流电压并通过直流电流计11检测回路阻抗。在此电压条件下，在电极和溶液的界面发生水的电解反应，这时法拉第阻抗7值很小，可参见图2。这样，当固态电极1和溶液3还有直接接触时，整个回路的阻抗就很小，约在1k欧姆左右。一旦固态电极1移出溶液，这时由于空气阻抗10的引入，可参见图3，回路电阻将大于1M欧姆，在此时停止移动固态电极1。然后通过电压源4再向两电极间施加约20伏的直流电压，使电极间的气体电离，形成等离子体。这时通过检测等离子体的发光光谱，就可实现溶液中金属离子的检测。

实施例2用交流方法监测回路阻抗的液态电极等离子体发光光谱金属离子检测方法

如图5所示。在固态电极1向上移动的过程中，通过电压源4向回路施加一大小为100毫伏，频率为10千赫兹左右的交流信号并通过交流电流计12检测回路阻抗。在此电压条件下，在电极和溶液的界面信号主要通过双电层电容，阻抗值很小，可参见图2。这样，当固态电极1和溶液3还有直接接触时，整个回路的阻抗就很小，约为100欧姆。一旦固态电极1移出溶液，这时由于空气阻抗10的引入，可参见图3，回路电阻有一阶跃上升，阻抗将大于1M欧姆，在此时停止移动固态电极1。然后通过电压源4再向两电极间施加约20伏的直流电压，使电极间的气体电离，形成等离子体。这时通过检测等离子体的发光光谱，就可实现溶液中金属离子的检测。

Claims (1)

1. 一种基于低电压液态电极等离子体的金属离子检测方法，检测步骤为：

(1)先将固态电极下移浸入待测溶液中，同时检测固态电极和辅助电极之间的阻抗；

(2)慢慢向上移动固态电极，当阻抗出现跃变时停止移动，此时固态电极刚刚移出液面；

(3)将固态电极和辅助电极的距离进行固定，通过外接电源向固态电极和辅助电极施加电压，形成液态电极等离子体，通过光纤将光谱信号接入光谱分析系统，从而检测待测溶液中的金属离子。

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