CN103969243A - 微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，该装置包括进样系统、电弧光源系统、凹面光栅(11)、摄谱仪(10)、高压电源(5)和集液瓶(13)，主要利用一体化的进样-光源系统结构设计，结合电弧法样品消耗量小和电感耦合等离子体法稳定性好且可以检测溶液样品的优势，实现对微量(微升级)溶液样品的原子发射光谱检测。本装置如果与自动进样装置配合，还可以实现高通量连续快速检测微量样品组的功能。与现有技术相比，本发明具有样品溶液用量少，检测速度快，光源稳定性好，适用于液体和溶液形态的样品等特点。

Description

微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置

技术领域

本发明涉及一种原子发射光谱法装置，尤其是涉及一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置。

背景技术

原子发射光谱法(Atomic Emission Spectroscopy，AES)是一种依据不同元素在受到热或者电激发而由基态跃迁到激发态，再返回基态时所发射出的特征光谱进行定性、定量的一种分析方法。它可以实现多元素的同时快速检测，并具有选择性高、检出限低、准确度较高等优点。

自从1859年Kirchoff G.R.和Bunsen R.W.研制出第一台用于光谱分析的分光镜以来，原子发射光谱仪器已经过几十年的持续改进。目前比较成熟的仪器种类包括：火焰发射光谱仪、微波等离子体光谱仪、电感耦合等离子体光谱仪、光电光谱仪、分光摄谱仪等等。无论是属于哪一种类型，原子发射光谱仪基本都由光源、进样、分光、检测四个组件组成的。原子发射光谱仪根据光源不同分可为直流电弧、交流电弧、火花和电感耦合等离子体(ICP)四大类，其中直流和交流电弧的蒸发温度较高，样品消耗量小，但放电稳定性稍差，适用于矿物质、金属、难挥发物质、低含量组分等固体材料分析；而电感耦合等离子体方法因为普遍采用了三层同心石英玻璃炬管外加高频感应线圈的设计，同时具有较高的蒸发温度和很好的放电稳定性，适用于各类溶液的定量分析，但是测定时样品溶液的消耗量受所配雾化器的雾化效率控制，针对溶液中多元素在线分析时所需样品溶液较多。

在原子发射光谱仪器不断改进的历史中，针对光源、检测器件的改进层出不穷；然而，针对如何充分结合电弧法和电感耦合等离子体法对进样系统进行改进设计一直是人们鲜有涉足的领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，实现对微量(微升级)溶液样品的原子发射光谱检测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，该装置包括以下组成部分：

进样系统：包括高压气瓶、高压气体开关阀、进样-清洗针、样品管／上电极、真空抽气泵a、气压表、氩气套管和三向阀；所述的高压气瓶通过高压气体管路依次连接气压表、高压气体开关阀、三向阀和样品管／上电极的侧面开口，三向阀的另一开口连接氩气套管，氩气套管套接在样品管／上电极外部，所述的进样-清洗针穿过样品管顶部的密封隔垫，位于样品管空腔的中轴线部，所述的真空抽气泵a连接氩气套管；

电离光源系统：包括一对中空电极：上电极和下电极和放电室，其中上电极与样品管融为一体，构成样品管／上电极，下电极位于与样品管／上电极同轴垂直下方的位置，下电极的下端穿过放电室底部的密封隔垫悬于集液瓶上方；所述的放电室上端安装有样品管／上电极，底端安装有下电极并与集液瓶相连，放电室侧面设有光学窗口，底部连接真空抽气泵b；

凹面光栅，安装在放电室侧面的光学窗口上，同时收集不同元素分光后的元素谱线，再利用摄谱仪进行分析；

摄谱仪，安装在放电室的侧壁上，位于光栅的后方，用于收集和记录样品溶液中不同元素所发射的特征谱线；

高压电源，通过电路连接品管／上电极和下电极，用以提供和维持作为光源的电弧；

集液瓶，安装在下电极的正下方，用于收集试验检测中少量残余的样品溶液。

所述的样品管／上电极中空，侧面开口连接有用于进氩气的高压气管路，气体输送系统输送的高压氩气可以起到形成射流雾化样品溶液、电离放电的功效，从而可以省去电感耦合等离子体装置中的雾化器部件，大大节省了待测溶液用量，并提高了检测效率。

所述的样品管／上电极的底部末端收缩成细孔状的喷射微孔，作为导电部分的上电极底部放电尖端，与高压电源由导线连接。视样品溶液组成和测量灵敏度要求，上电极放电尖端可以由高纯石墨或纯铜制成。

所述的下电极为中空管状结构，其材质与样品管／上电极一致，除了可以与上电极之间产生尖端放电，维持稳定电弧之外，其中空的管状结构还有助于残余的样品溶液的快速排出。

所述的放电室采用耐高压高强度合金钢制成，放电室上端和底端都安装有绝缘圈，上端通过绝缘圈安装样品管／上电极，底端通过绝缘圈安装下电极，放电室侧面有透过率高的石英玻璃开口的光学窗口，其上还安装有光栅，并与作为检测器件的摄谱仪串接。

所述的进样-清洗针与样品管／上电极同轴垂直，其容量设计为精确吸取／注射微升级的样品溶液，从而可以最大限度的减小样品溶液的用量，进样-清洗针也可由自动进样系统控制，进而实现微量连续快速进样-清洗-进样功能。

与现有技术相比，本发明相比于目前较成熟的电感耦合等离子体(InductivelyCoupled Plasma，ICP)原子发射光谱仪，具有样品溶液用量少、检测速度快的优势；与传统的直流／交流电弧原子发射光谱仪相比，具有光源更加稳定，适用液体和溶液形态的样品的优势。可以说是结合了二者的优点。本装置如果与自动进样装置配合，还有望实现高通量连续快速检测微量样品组的功能。

附图说明

图1为一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品中元素装置的结构示意图；

图2为样品管／上电极装置结构示意图；

图3为本发明装置摄谱仪获得的原子发射光谱图；

图中标记说明：

1-高压气瓶、2-高压气体开关阀、3-绝缘圈、4-进样-清洗针、5-高压电源、6-样品管／上电极、7-喷射微孔、8-放电室、9-1-真空抽气泵b、9-2-真空抽气泵a、10-摄谱仪、11-凹面光栅、12-下电极、13-集液瓶、14-气压表、15-氩气套管、16-三向阀、17-原子发射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～2所示，一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，该装置包括以下组成部分：

进样系统：包括高压气瓶1、高压气体开关阀2、进样-清洗针4、样品管／上电极6、真空抽气泵a9-2、气压表14、氩气套管15和三向阀16；所述的高压气瓶1通过高压气体管路依次连接气压表14、高压气体开关阀2、三向阀16和样品管／上电极6的侧面开口；所述的样品管／上电极6中空，侧面开口连接有用于进氩气的高压气管路，高压气瓶1输送的高压氩气在样品管／上电极6中形成射流雾化样品溶液，并电离放电；样品管／上电极的底部末端收缩成细孔状的喷射微孔7，作为导电部分的上电极底部放电尖端，与高压电源5由导线连接，放电尖端由高纯石墨或纯铜制成；三向阀16进气口用于引入高压氩气，两个出气接口分别通过气体管路连接样品管和氩气套管15；氩气套管15套接在样品管／上电极6外部，其进气口用于引入作为冷却气体的氩气，出气口与真空抽气泵a9-2连接；所述的进样-清洗针4穿过样品管顶部的密封隔垫，位于样品管空腔的中轴线部，进样-清洗针4与样品管／上电极6同轴垂直，其容量设计为精确吸取／注射微升级的样品溶液，用以减少样品溶液的检测用量，进样-清洗针4还可以采用自动进样系统控制，进而实现微量连续快速进样-清洗-进样功能；

电离光源系统：包括一对中空电极：上电极和下电极12和放电室8，其中上电极与样品管融为一体，构成样品管／上电极6，下电极12位于与样品管／上电极6同轴垂直下方的位置，下电极12的下端穿过放电室8底部的密封隔垫悬于集液瓶13上方；所述的放电室8上端和底端都安装有绝缘圈，上端通过绝缘圈3安装样品管／上电极6，底端通过绝缘圈安装下电极12并与集液瓶13相连，放电室8侧面设有光学窗口，其采用石英玻璃材质，放电室8底部连接真空抽气泵b9-1；所述的下电极12为中空管状结构，其材质与样品管／上电极6一致，工作时，管状下电极12除了可以与上电极之间产生尖端放电并维持稳定电弧之外，其中空的管状结构还有助于残余的样品溶液的快速排出；

凹面光栅11，安装在放电室8侧面的光学窗口上，同时收集不同元素分光后的元素谱线，再利用摄谱仪进行分析；

摄谱仪10，安装在放电室8的侧壁上，位于凹面光栅11的后方，用于收集和记录样品溶液中不同元素所发射的特征谱线；

高压电源5，通过电路连接品管／上电极6和下电极12，用以提供和维持作为光源的电弧；

集液瓶13，安装在下电极12的正下方，用于收集试验检测中少量残余的样品溶液。

采用上述装置进行实验的具体工作实例如下：

由高压气瓶1中引出的惰性气体Ar经气压表14和气体管路由三向阀16分成两个流路：一路维持恒流流经环绕在样品管／上电极6外部的氩气套管15后排空，起到冷却样品管／上电极6的作用；另一路直接流入样品管／上电极6充当载气。

当高压电源5接通时，利用高压电火花触发本来不导电的Ar气电离，在样品管／上电极6和管状下电极12之间的高强度电场作用下，带电粒子高速运动、碰撞，形成“雪崩”式放电，产生电弧，而样品管／上电极6与管状下电极12的特殊形状设计又可以很好的约束两电极之间的电弧形状。

待管口之间的电弧焰温度为6000～8000K形成并稳定后，可由进样-清洗针4向样品管／上电极6内定量注入微量的样品溶液，样品溶液在重力和电场的双重作用下，经由样品管／上电极6下方的喷射微孔7射向管状下电极12，射流在电弧的作用下迅速完成蒸发、气化和电离过程，其中部分达到激发条件的元素原子在这一过程中完成基态受激跃迁再回到基态的过程，发射特征谱线。不同元素原子发射的特征谱线通过凹面光栅11色散后在其后方的摄谱仪10中成像，再通过一系列光-电转化设备得到可以帮助定性、定量进行元素分析的原子发射光谱图17，如图3所示。分析结束后，残余的样品溶液在重力和Ar气的吹扫作用下，经管状下电极12内部空腔流到放电室8腔体下方的集液瓶中13，进样-清洗针4再注射空白溶液对整个电极系统进行清洗，以备下一次的进样检测。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的具体实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述具体实施方式的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，其特征在于，该装置包括以下组成部分：

进样系统：包括高压气瓶(1)、高压气体开关阀(2)、进样-清洗针(4)、样品管／上电极(6)、真空抽气泵a(9-2)、气压表(14)、氩气套管(15)和三向阀(16)；所述的高压气瓶(1)通过高压气体管路依次连接气压表(14)、高压气体开关阀(2)、三向阀(16)和样品管／上电极(6)的侧面开口，三向阀(16)的另一开口连接氩气套管(15)，氩气套管(15)套接在样品管／上电极(6)外部，所述的进样-清洗针(4)穿过样品管顶部的密封隔垫，位于样品管空腔的中轴线部，所述的真空抽气泵a(9-2)连接氩气套管(15)；

电离光源系统：包括一对中空电极：上电极和下电极(12)和放电室(8)，其中上电极与样品管融为一体，构成样品管／上电极(6)，下电极(12)位于与样品管／上电极(6)同轴垂直下方的位置，下电极(12)的下端穿过放电室(8)底部的密封隔垫悬于集液瓶(13)上方；所述的放电室(8)上端安装有样品管／上电极(6)，底端安装有下电极(12)并与集液瓶(13)相连，放电室(8)侧面设有光学窗口，底部连接真空抽气泵b(9-1)；

凹面光栅(11)，安装在放电室(8)侧面的光学窗口上，同时收集不同元素分光后的元素谱线，再利用摄谱仪进行分析；

摄谱仪(10)，安装在放电室(8)的侧壁上，位于凹面光栅(11)的后方，用于收集和记录样品溶液中不同元素所发射的特征谱线；

高压电源(5)，通过电路连接品管／上电极(6)和下电极(12)，用以提供和维持作为光源的电弧；

集液瓶(13)，安装在下电极(12)的正下方，用于收集试验检测中少量残余的样品溶液。

2.根据权利要求1所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，其特征在于，所述的样品管／上电极(6)中空，侧面开口连接有用于进氩气的高压气管路，高压气瓶(1)输送的高压氩气在样品管／上电极(6)中形成射流雾化样品溶液，并电离放电。

3.根据权利要求1所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，其特征在于，所述的样品管／上电极(6)的底部末端收缩成细孔状的喷射微孔(7)，作为导电部分的上电极底部放电尖端，与高压电源(5)由导线连接。

4.根据权利要求3所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，其特征在于，所述的放电尖端由高纯石墨或纯铜制成。

5.根据权利要求1所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，其特征在于，所述的下电极(12)为中空管状结构，其材质与样品管／上电极(6)一致，工作时，管状下电极(12)与样品管／上电极(6)之间产生尖端放电，管状下电极(12)的底端穿过放电室(8)底部密封隔垫连通集液瓶(13)。

6.根据权利要求1所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极微量样品元素的装置，其特征在于，所述的放电室(8)采用耐高压高强度合金钢制成，放电室(8)上端和底端都安装有绝缘圈，上端通过绝缘圈(3)安装样品管／上电极(6)，底端通过绝缘圈安装下电极(12)，所述的光学窗口采用石英玻璃材质。

7.根据权利要求1所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极少量样品元素装置，其特征在于，所述的进样-清洗针(4)与样品管／上电极(6)同轴垂直，其容量设计为精确吸取／注射微升级的样品溶液，用以减少样品溶液的检测用量。

8.根据权利要求1所述的一种微孔高速喷流原子发射光谱法检测极少量样品元素装置，其特征在于，所述的进样-清洗针(4)由自动进样系统控制，实现微量连续快速进样-清洗-进样功能。