CN101788487A - 液体样品超声波雾化辅助击穿光谱检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对液体样品进行击穿光谱检测的方法及其装置。该装置利用超声波雾化的手段，将液体样品雾化成空气中大量密集的小液滴，再通过击穿诱导等离子体并辐射发射光谱信号。其装置通过超声波换能器(3)产生的高频振荡，使样品池(5)中的液体样品(4)生成雾状液滴，在进气扇(12)和排气扇(13)的辅助下，在导气管(6)上方产生柱状雾汽。在柱状雾汽的边缘击穿产生等离子体，等离子体发射光谱信号由采集透镜7收集，并经光纤(8)进入光谱仪(9)进行分光。最终光电传感器(11)配合ICCD探测器(10)采集光谱数据。该方法降低了击穿阈值，提高了烧蚀效率，并能够延长等离子体的寿命。其检测装置适用于环境及矿产资源的现场成分检测分析领域，并比同类方法具有更高的信背比和更低的成本。

Description

液体样品超声波雾化辅助击穿光谱检测方法与装置

技术领域

本发明属于现场化学成分检测分析技术领域。具体来说是利用超声波雾化手段辅助击穿等离子体光谱检测方法，从而实现对液体样品化学成分进行检测的技术。该技术可以用于海洋、湖泊或河流的现场矿产资源或水污染的检测，也可以应用于各类工厂所排放污水的重金属成分监测，也可以应用于食品药品的检验等领域。

背景技术

通过击穿产样品产生等离子体，在等离子体冷却复合的过程中检测其发射光谱，从而进行样品成分检测分析的技术，称为击穿光谱技术。与其他成分检测分析技术相比，击穿光谱技术以其无需样品预处理以及快速、实时、微损等特点，得到了广泛的关注。该技术可根据击穿过程产生的等离子体发射出来的原子发射光谱及谱线强度来进行定性或半定量的成分分析。将这种技术应用到液体样品的成分分析技术也具有较好前景，可预见该技术能够在水资源的重金属污染，矿产资源勘探，药剂饮品生产检验和工矿企业排放污水监测等各个领域发挥作用。

根据诱导击穿的方式不同，击穿光谱技术可以分为激光诱导击穿光谱(Laser inducedbreakdown spectroscopy，LIBS)技术和电火花诱导击穿光谱(Spark induced breakdownspectroscopy，SIBS)技术。在针对固体和气体样品的检测领域中，上述技术已经得到了较好的发展，有一些技术也已经转化为较为成熟的产品，得到了市场的认可。在进行液体样品的成分检测时，由于液体本身电导率较高，导致了电火花诱导击穿光谱技术本身无法发展。而对于激光诱导击穿光谱技术，许多研究表明液体内部压力等因素会缩短等离子体的寿命，从而影响检测的灵敏度；而激光脉冲进入液体后到击穿之前的透射、散射及吸收等因素的影响，使其在液体中的烧蚀效率较低，这就要求所提供的击穿能量密度较高。虽然，双脉冲激光诱导击穿光谱技术在一定程度上能够解决上述问题，但是其需要使用一个双脉冲激光器或两个脉冲激光器，相对成本较高，而且其操作过程相对较为复杂。在这样一个前提下，就非常需要一种能够增加等离子体寿命，降低烧蚀阈值的，同时最好能够适当控制成本的针对液体样品的光谱检测技术。若是该技术同时还能够适合电火花诱导击穿技术，那将进一步的降低液体样品击穿光谱检测的成本。

发明内容

本发明将超声波雾化技术引入到击穿等离子光谱检测技术中来，使液体样品的等离子光谱的寿命增加，同时可以提高检测的灵敏度。

在对液体成分进行击穿产生等离子体的时候，由于受到液体内部压力的影响，等离子体寿命大大缩短，同时液体样品的烧蚀效率也要低于固体样品。这些因素都使得激光诱导击穿光谱技术针对水的样品的检测受到了很大的限制。而由于液体电导率较高，电火花诱导击穿光谱技术则根本无法发展。本发明将超声波雾化技术引入到光谱分析领域，使用超声波换能器将液体样品雾化成数百微米量级的小液滴。由于液滴自身体积小，当其处于空气环境当中进行击穿时，烧蚀效率就会得到提高。而被烧蚀击穿的而膨胀的过程也是在空气中进行，所受到的环境压力要远远小于在液体环境中所受到的压力，所以等离子体的寿命也能够得到延长，等离子体寿命的延长，有利于将原子发射光谱从连续辐射和韧致辐射等噪声光谱中进行分离。

本发明的检测分析装置可以分为超声波雾化装置，进排气系统，诱导击穿装置和光谱采集装置四个部分。超声波雾化装置采用超声波换能器，在液体表面产生某一频率和功率的高频振动，从而在液体表面上方的空气中产生小液滴。可以根据所需检测的液体样品的粘滞系数不同，在1M Hz到10M Hz范围内选择振荡频率，振动功率也可以根据需要进行调节，从而达到最佳雾化效果。进排气系统，利用空气动力学的原理将雾气送入击穿烧蚀位置，以确保击穿等离子体成分能够表征液体成分。同时，进排气系统也将雾气排入废气处理装置，防止造成空气环境污染。诱导击穿装置，采用脉冲激光器或高压放电装置诱导击穿过程，产生等离子体。光谱采集装置，利用光学透镜收集击穿后产生的等离子体发出的光信号，使用采用光谱仪分光，光电传感器配合ICCD探测器采集时间分辨光谱数据。

附图说明

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1为超声波辅助击穿光谱检测装置图，其中1为直流电源，2为产生超声波振荡信号的控制电路，3为超声波换能器，4为所测液体样品，5为中部开有进气孔的样品池，6为导气管，7为收集透镜组，8为光纤，9为光栅光谱仪，10为ICCD探测器，11为光电传感器，12为进气扇，13为排气扇，14为激光器，15为聚焦透镜，16为高压线圈，17为放电电极，18为密封舱，19为废气管。其中控制电路2可以对输出的高频振荡信号，并能够对其振荡的频率和功率进行调节。收集透镜固定于密封舱18的舱壁上。进气扇12同样品池5相连接，进气扇12同密封舱18不联通。

图2为典型液体中金属成分的时间分辨光谱图，采用的样品为溶解有Mn离子的水溶液。检测使用激光脉冲诱导击穿，设置的延时时间间隔为300ns，积分时间300ns，记录数据13组，反映了Mn离子在水溶液中的演化特性。根据不同样品的不同金属成分的时间分辨光谱图，可以反映其不同的时间演化特性。从而可以针对不同成分的演化特性，来设置ICCD探测器10的延时时间和积分时间。

具体实施方式

本发明按照如下方式进行实施。将适量待测液体样品放入底部安装有超声波换能器3的样品池5中。根据待测液体样品4的粘滞系数不同，调节控制电路2的输出振荡频率和输出功率，输出高频振荡信号给超声波换能器3，使之开始工作。超声波换能器3的工作频率调节范围为1MHz到10MHz之间。超声波换能器3产生的高频振荡将会在液体表面产生大量直径较小的雾状液滴，液滴直径在200um左右。在进气扇12和排气扇13的辅助下，空气自进气扇12进入样品池5，带动雾状小液滴自下向上运动，流出导气管6，在导气管正上方产生柱状雾汽。

击穿产生等离子体的位置选择在导气管6正上方柱状雾汽内部。为了减少等离子体发射出来的光信号被雾气吸收和散射，提高的信号光的收集效率，击穿点应靠近柱状雾汽的边缘。等离子体光信号由采集透镜7收集，并经光纤8进入光谱仪9进行分光。光谱仪工作的光谱范围为200nm到900nm之间，光谱分辨率为0.1nm。最终ICCD探测器10采用时间分辨的方法采集光谱数据。光电传感器11为ICCD探测器10提供门控信号。根据样品特性不同，可以设置不同的延时时间和门宽。ICCD探测器10的所设置的延时时间，为光电传感器11的上升沿后600ns，也可根据样品的具体特性不同在300ns到1500ns内调整。积分门宽约为2000ns，也可根据样品的具体情况在1000ns-5000ns之间选择。

击穿产生等离子体的方式有两种，既可以采用激光诱导击穿方式，也可以采用电火花诱导击穿方式。采用激光诱导击穿方式时，激光器14射出的激光脉冲经聚焦透镜15聚焦。由于焦点处具有较高的能量密度，从而产生击穿。采用电火花诱导击穿方式时，利用高压放电线圈16放电瞬间产生的高压，在放电电极17的尖端进行放电，放电瞬间的电压在10000伏到100000伏之间选择。放电瞬间在电极的尖端产生较大的电流，从而使电极之间的区域击穿。被击穿的物质产生等离子体，并逐渐冷却。随着等离子体的冷却过程，发射出原子发射光谱或离子发射谱。

密封舱18保证雾状液滴与外界隔离，以保证导气管6流出的雾状小液滴不会弥散到空气中造成空气污染。排气扇13将含有样品的废气经废气管19排出，由附加废气处理装置进行处理。

本发明利用超声波雾化技术，降低了液体样品击穿阈值，提高了液体样品的烧蚀效率，延长了等离子体的寿命，提高了发射光谱信号的信背比，进而提高了液体样品击穿光谱技术成分检测的灵敏度。

本发明成功能够实现电火花击穿光谱技术在液体样品成分检测中的应用，节省脉冲激光器的同时节省了大量成本，使之适合于一些对成本控制要求较高的场合。

Claims (10)

1.一种针对液体样品成分分析的光谱检测方法，该方法的特征在于：

通过超声波雾化方法产生高频振荡，使液体样品的形态改变为雾状液滴。使用诱导击穿装置，击穿雾状液滴产生等离子体发射光谱。通过光谱检测装置对发射光谱的检测分析，确定液体中的所含有的成分。

2.根据权利要求2所述的方法设计的检测装置，该装置的特征在于：

该装置的特征在于，采用底部安装有超声波换能器(3)的样品池(5)，由控制电路2输出的振荡信号使超声波换能器(3)工作。超声波换能器(3)产生的高频振荡在液体表面产生大量直径较小的雾状液滴。通过进气扇(12)和排气扇(13)的辅助，带动雾状小液滴运动，流出导气管(6)，在导气管正上方产生柱状雾汽。在导气管(6)正上方柱状雾汽内部靠近边缘的位置进行击穿。等离子体的光信号由采集透镜(7)收集，经光纤(8)进入光谱仪(9)进行分光。最终光电传感器(11)配合ICCD探测器(12)采用时间分辨的方法采集光谱数据。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于利用超声波振荡的手段，改变液体样品的状态，使其改变成大量密集小液滴。

4.根据权利要求2所述的超声波装置，其特征在于其工作频率可以根据液体的粘滞系数不同进行调节，调节的范围为1MHz到10MHz之间。

5.根据权利要求2所述的击穿装置，其特征在于其击穿点的位置处于小液体构成的柱状雾汽的内部，并处于柱状雾气的边缘。

6.根据权利要求2所述的击穿装置，其特征在于可以由脉冲激光器发射的脉冲激光经透镜组聚焦后进行击穿；也可以由高压放电线圈和放电电极进行击穿。

7.根据权利要求2和5中所述的激光器，其特征在于输出波长可以在532nm和1064nm之间选择。

8.根据权利要求2和5所述的高压线圈，其特征在于其瞬间最高放电电压范围为10000伏到100000伏之间。

9.根据权利要求2中所述的光谱仪，其特征在于其工作光谱范围为200nm到900nm之间，其光谱分辨率为0.1nm。

10.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于ICCD的延时时间在300ns-1500ns之间选择，积分门宽在900ns-30000ns之间选择。

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