CN102183508A - 一种溶液中元素含量的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于溶液中元素含量的检测技术领域，具体是一种利用高压自触发快脉冲放电技术的溶液中元素含量的检测装置及方法。该检测装置由一个高压放电电路、一套液体样品进样系统和一套光谱检测系统组成，所述高压放电电路包含由两个放电电极组成的放电器，所述液体进样系统包含一个使液体样品周期性通过放电器放电电极间隙中心的滴液器。本发明在不需要大量增加复杂设备投入和操作简单的前提下，用高压自触发快脉冲放电等离子体光谱方法，能方便地检测出液体中重金属元素，且光谱信号具有很好的稳定性，该方法在实际的水体重金属元素检测中具有潜在的重要的应用价值。

Description

一种溶液中元素含量的检测装置及方法

技术领域

本发明属于溶液中元素含量的检测技术领域，具体是一种利用高压自触发快脉冲放电技术的溶液中元素含量的检测装置及方法。

背景技术

对水中有害重金属元素含量的高灵敏检测长期以来一直是人们关注的重点。目前水环境重金属污染监测所用到的技术有原子吸收光谱分析（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP/AES）和质谱分析技术（ICP/MS）、电化学分析、以及生物监测等。

激光诱导击穿光谱技术（ Laser- Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）因其具有快捷、实时分析等优点而备受关注。该技术采用激光激发等离子体，并通过记录分析激光等离子体发射光谱方式检测其中元素的含量和浓度，目前它被越来越广泛地应用于水﹑土壤和空气污染监测等领域。利用LIBS对液体样品进行痕量分析总体来说还处于实验室研究阶段，目前利用LIBS技术对溶液中元素含量检测的研究，主要有两种样品击穿方式，即液体表面和液体内部。由于液体表面击穿所获得LIBS的光谱寿命和强度均要大于在液体中击穿，具有更高的检测能力，所以近年来的研究大多采用液体表面击穿方式。液面的击穿又可分为静止液面和液体喷流两种采样模式。

如图１所示，喷流模式中激光光源采用调Q激光器， 激光束经聚焦透镜垂直入射到液柱表面， 产生的等离子体辐射光经石英透镜耦合到光纤中，分光后的光谱被ICCD采集后由电脑输出显示。液体的流动由蠕动泵控制。静止液面的模式如图2 所示，其他同图1一样，不同在于激光束经透镜聚焦后， 竖直入射到液体表面， 液体放在一个玻璃容器之中， 所以液体表面是静止的。产生的等离子体辐射光经过透镜耦合到光纤,透镜与液面成45°角。由于喷流模式具有水花的飞溅小、样品的实时采样等优势，更适合于工业生产的现场应用。

但是以上这些水环境重金属污染监测技术有的仪器价格昂贵，运行费用高，不易携带；有的样品预处理程序复杂；有的不能进行多组份或多元素分析。

发明内容

本发明针对水体中重金属元素的检测提出一种新的快速检测装置及方法。该方法采用高压自触发快脉冲放电方式产生放电等离子体，激发水体中元素，通过测量和分析水体的放电等离子体的辐射光谱，检测其中的元素成分和含量。该方法装备简单、易于操作，且成本较低，有很好的实用性。

本发明的具体技术路线是：

一种溶液中元素含量的检测装置，其特征在于该检测装置由一个高压放电电路、一套液体样品进样系统和一套光谱检测系统组成，所述高压放电电路包含由两个放电电极组成的放电器，所述液体进样系统包含一个使液体样品周期性通过放电器放电电极间隙中心的滴液器。

所述高压放电电路由高压直流电源、高压二极管、电感、电容和包含两个放电电极的放电器组成，所述放电器与电容并联后，与电感和高压二极管串联，所述高压直流电源的正极连接高压二极管的正极，负极接地。

所述滴液器放出的液体样品液滴直径不大于1mm。

所述放电器放电电极的间距为6mm～8mm，所述电容容量为低电感小电容，高压直流电源的电压范围为0kv～30kv。

所述滴液器包含流量控制开关。

一种溶液中元素含量的检测装置的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）、加压步骤：高压放电电路中的电容充电后把高压加至电极的两端。其中所述高压应略低于电极两端自击穿电压V1。当电极电压加到足够高，电极两端会有自放电现象，因此我们加的高压V要小于这个自击穿电压V1，同时电压也要足够高液滴穿过电极中央时才能放电，所以所加电压V不能太低，只能比自击穿电压V1略低一点。

2）、进样步骤：开启滴液器，使液体样品液滴周期性地穿过放电器放电电极的间隙中心，当液滴穿过电极的中央时，自动触发电极放电，激发通过电极中央的液体形成放电等离子体。

3）、检测分析步骤：前述等离子体发出的光被光纤收集并传输到光谱仪进行数据记录，然后送入计算机进行处理分析。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

检测方法简便、设备简单，使用方便，能在大气压下工作；

采用样品自触发脉冲式放电工作方式，不需要高压开关和脉冲开关控制电路；

高压火花放电时间很短，在纳秒量级（放电振荡周期约150ns， 放电时间约800ns），图5是用高压探头测量的放电过程中电极两端的电压波形图。

本发明在不需要大量增加复杂设备投入和操作简单的前提下，用高压自触发快脉冲放电等离子体光谱方法，能方便地检测出液体中重金属元素，且光谱信号具有很好的稳定性，该方法在实际的水体重金属元素检测中具有潜在的重要的应用价值。

附图说明

图1是液体喷流采样检测装置的结构示意图。

图2是静止液面采样检测装置的结构示意图。

图3是本发明高压自触发快脉冲放电等离子光谱检测装置结构示意图。

图4是本发明高压放电电路的电路图。

图5是用高压探头测量的放电过程中电极两端的电压波形图。

图6本发明实施例CuCl₂溶液的等离子体光谱图。

图7本发明实施例FeCl₃溶液的等离子体光谱图。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本发明做进一步的描述。

图 4 为高压放电电路图。包括直流电源、高压二极管、电感、电容和由两个放电电极组成的放电器，所述的放电器与电容并联后，与电感和高压二极管串联，所述高压直流电源的正极连接高压二极管的正极，负极接地。两电极的间距通常是6-8mm左右。高压直流电源的电压范围为0到30kv可调，经高压二极管和电感与两个放电电极相连，电路负极接地，在电极两端并联有一个大小为6nF的低电感小电容，以保证放电时间为ns量级。电极端面形状为圆形平面，直径6mm, 也可以稍大一些，电极边缘有较小的弧度，以避免尖端放电。整个放电回路放电时间很短，主放电能量沉积过程在纳秒（ns）量级。

进样系统的滴液器采用医院打吊瓶用的注射器，针头固定在两电极间隙中心的正上方。工作时液体样品放在与注射器相连的瓶中，调节注射器流量控制按钮，水滴从针尖滴落，并通过电极间隙中心落到下面的容器中，调整液体滴落速度以不发生连续放电为限。为保持放电过程的稳定，所述滴液器放出的液体样品液滴直径不大于1mm。

光谱采样系统由探头、光纤、光谱仪组成，并把接收的光谱信号传送到计算机进行数据分析处理。光谱仪是Avantes Spectrometer，它由CCD探测器、小型光纤光栅、数字脉冲延迟发生器、信号采集系统和相关软件组成。线阵CCD探测器共有2048个像素组成，采用外触发方式工作。CCD的开启时间和曝光时间是由光谱软件设置数字脉冲延迟发生器来实现的。软件能够设置的数字脉冲延迟发生器最小曝光时间为2ms，最小延迟时间间隔为42ns。光谱仪的光谱范围为200nm～500nm，采样间隔为0.1nm。

首先打开电源开关，电源对电容充电，并把高压加到电极的两端，并使电压略低于电极两端自击穿电压。

开启液体进样装置，使液滴周期性地穿过电极的中央，当液滴穿过电极的中央时，自动触发电极放电，激发通过电极中央的液体，形成放电等离子体。并将电容中的电能沉积到放电等离子体中，形成所击穿液滴的放电等离子体光谱。由于整个放电脉冲持续时间约800ns时间，在该时间内液滴在电极间垂直方向移动的距离小于1微米，与电极尺度相比可忽略不计。

等离子体发出的光被光纤收集并传输到光谱仪，同时利用光电二极管接受等离子体的辐射光形成一个触发脉冲信号来触发数字脉冲延迟发生器来开启光谱仪记录实验数据。

光谱仪将实验数据送入计算机进行处理和分析。

实施例1

浓度为1%的CuCl₂溶液的高压自触发快脉冲放电等离子体光谱。

本实例采用CuCl₂液体样品。选用蒸馏水配制了浓度为1%的CuCl₂溶液。实验时电极距离为6.5mm, 放电电压10kV，放电电容6nF。采用高压自触发快脉冲放电等离子光谱检测方法采集了配制的CuCl₂液体样品的原子发射光谱，将所得的数据送入电脑进行分析。

图6a是记录的浓度为1%的CuCl₂溶液在322-329 nm光谱范围的高压自触发快脉冲放电等离子体光谱，作为对比，记录了同样条件下样品为蒸馏水时的高压自触发快脉冲放电等离子体光谱图，如图6b所示。可以看出，在同样的放电条件下，图6a中有非常明显的Cu原子谱线，而图6b 中缺少相应的Cu原子光谱峰。

实施例2

浓度为7.6% 的FeCl₃溶液的高压自触发快脉冲放电等离子体光谱。

与实例1类似，使用蒸馏水配制了浓度为7.6% 的FeCl₃液体样品。实验时采用的电极距离为6.5mm, 放电电压11kV，放电电容6nF。用高压自触发快脉冲放电等离子光谱新方法采集了配制的FeCl₃液体样品的原子发射光谱，将所得的数据送入电脑进行分析。

图7a是记录的浓度为7.6%的 FeCl₃溶液的高压自触发快脉冲放电等离子体光谱，图7b采用蒸馏水时的高压自触发快脉冲放电等离子体光谱。可以发现，图7a中有非常明显的Fe原子谱线，而图7b中没有。

本发明高压自触发快脉冲放电等离子光谱新方法具有很好的光谱信号稳定性。在本实例中我们用相对标准偏差（RSD）来衡量光谱信号的稳定性。测量中，每滴水滴触发一次放电并记录一次光谱数据，在记录的光谱数据中，分别对每个样品采集300个光谱，取其中20个谱线平均得到的平均光谱作为一次测量，共进行15次测量，所得Cu和Fe谱线强度的相对标准偏差都小于10%，光谱测量的可重复性（或稳定性）与传统的辉光放电光谱方法或激光诱导击穿光谱方法类似。

Claims (6)

1.一种溶液中元素含量的检测装置，其特征在于该检测装置由一个高压放电电路、一套液体样品进样系统和一套光谱检测系统组成，所述高压放电电路包含由两个放电电极组成的放电器，所述液体进样系统包含一个使液体样品周期性通过放电器放电电极间隙中心的滴液器。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述高压放电电路由高压直流电源、高压二极管、电感、电容和包含两个放电电极的放电器组成，所述放电器与电容并联后，与电感和高压二极管串联，所述高压直流电源的正极连接高压二极管的正极，负极接地。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述滴液器放出的液体样品液滴直径不大于1mm。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述放电器放电电极的间距为6mm～8mm，所述电容容量为低电感小电容，高压直流电源的电压范围为0kv～30kv。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述滴液器包含流量控制开关。

6.一种应用于权利要求1所述检测装置的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）、加压步骤：高压放电电路中的电容充电后把高压加至电极的两端；

2）、进样步骤：开启滴液器，使液体样品液滴周期性地穿过放电器放电电极的间隙中心，当液滴穿过电极的中央时，自动触发电极放电，激发通过电极中央的液体形成放电等离子体；

3）、检测分析步骤：前述等离子体发出的光被光纤收集并传输到光谱仪进行数据记录，然后送入计算机进行处理分析。

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