CN105067593A - 静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 - Google Patents
静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105067593A CN105067593A CN201510401969.4A CN201510401969A CN105067593A CN 105067593 A CN105067593 A CN 105067593A CN 201510401969 A CN201510401969 A CN 201510401969A CN 105067593 A CN105067593 A CN 105067593A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- libs
- laser
- electrostatic
- unit
- heavy metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
本发明属于激光诱导击穿光谱检测技术领域，具体是一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，包括由YAG激光器、能量衰减系统、透镜组成的入射单元，由探头、光纤、光谱仪组成的光谱信号接收单元，污水流速控制单元以及数据分析单元，本装置比传统LIBS装置增设了静电辅助增强LIBS光谱信号单元和蠕动泵控制污水流速单元，获取的LIBS光谱信号强度比传统LIBS高约2倍，探测灵敏度提高2倍，本发明既继承了传统LIBS的快速、在线、原位检测等优势，更具有增强LIBS光谱信号强度的特点，相比于双脉冲激光诱导击穿光谱技术，检测系统装备简单，易于操作，降低了激光系统成本和光学系统复杂性，有较好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，属于等离子体光谱检测技术领域，应用领域包括污水重金属监测、土壤重金属污染元素测量、塑料污染分类等分析范畴。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术（LaserInducedBreakdownSpectroscopy，LIBS）是一种新兴的物质组分光化学分析技术，LIBS技术与其他检测方法相比具有无需对样品进行预处理、在线、原位、快速及无接触地多元素同时分析的优势。目前，在农业、航天及材料化工等产业有重要的应用价值，因此越来越受到人们的关注。
LIBS技术能有效检测固体、液体及气体等多种样品形态，液体基质获取光谱信息的方法主要有静态液体法、动态液体法和液体冰冻法等多种方式，存在液体对等离子体的压力、表面波动、液滴飞溅、吸收及样品预处理耗时长等缺陷，液体射流式是新兴的取样方法，可以避免表面波动，克服液滴飞溅，提高实验重复率。
传统的液体射流式LIBS系统以Nd：YAG激光器发出的脉冲光作为光源，经过聚焦透镜作用在液体射流表面，激光烧蚀并电离样品形成明亮的等离子体，利用光纤探头收集等离子体发射的元素谱线，耦合到光谱仪，传递给计算机处理光谱仪接收到的元素谱线数据。这种传统LIBS技术在实际应用中存在灵敏度较差、检测极限较高的局限性，阻碍了LIBS技术在液体检测领域的发展与应用，因此如何增强光谱信号灵敏度和降低被测元素的检测极限是液体基质研究急需解决的一个关键问题。
针对这个问题，国内外一些研究者相继提出了双脉冲激光诱导击穿光谱技术（DualPulseLaserInducedBreakdownSpectroscopy，DP-LIBS），该技术是两束激光脉冲经过延时触发器控制先后作用到样品同一烧蚀点，第二束脉冲再激发第一束脉冲形成的等离子体，这种双脉冲技术与单脉冲技术相比，能明显增强等离子体的发射光谱强度，降低检测极限。但是，双脉冲技术需要两个Nd：YAG激光源，确保两束激光脉冲束共线或正交传输所要求的光学系统及操作极其复杂，因此双脉冲技术也面临着操作的复杂性和高成本的缺陷。另外，在固体研究方面，国内一些研究者利用快脉冲放电的方式（LaserAblationFastPulseDischargePlasmaSpectroscopy，LA-FPDPS）增强固体样品的光谱信号灵敏度，但是液体基质无法利用电火花式增强光谱信号强度，原因是在实践过程中强放电火花容易引起液体剧烈飞溅，不利于光谱的采集，影响每发脉冲的实验条件，降低实验重复率。
发明内容
随着社会迅猛发展，环境污染问题已成为全球性三大危机之一。水是人类赖以生存的、稀缺的自然资源，水体污染无疑会对国家经济造成巨额损失，更严重危害人类的身体健康，因此，探究出一种能快速有效地检测污水重金属元素的方案迫在眉睫。LIBS技术是一种新兴的污水重金属元素检测技术，但传统LIBS技术仍然存在检测限较高和探测精度较差等缺陷，为解决液体基质的LIBS光谱信号较弱以及不稳定问题，本发明提出了一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，可提高污水中被测元素的光谱信号强度，并降低检测极限，提高探测灵敏度。
本发明是一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，包括激光器1、衰减系统（半波片2和格兰棱镜3）、聚焦透镜4、蠕动泵5、烧杯6、正极板7、负极板8、高压电源9、聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12；其中激光器1在其输出光束的光轴上依次与半波片2、格兰棱镜3和聚焦透镜4连接；蠕动泵5、烧杯6和样品连接；正极板7、负极板8和高压电源9连接；聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12连接。
激光器1为Nd:YAG激光器；半波片2和格兰棱镜为激光能量衰减系统；蠕动泵5和烧杯6为液体样品的循环系统；聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12为光谱检测系统；正极板7、负极板8和高压电源9构成的电路为静电辅助增强LIBS系统。
正极板7和负极板8为边长为50mm×50mm×3mm的平面铜板，避免产生尖端放电，其板间距为4cm~5cm，产生静电作用在液体等离子体上，限流电阻R1为30MΩ，采样电阻R2为1kΩ，电容C为1000pF，高压电源的电压范围为0kV~30kV。
由蠕动泵5、烧杯6和样品连接构成液体样品的流速控制系统，液体流速范围为0ml/min~200ml/min。
静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置的检测过程如下：
由上述的激光器1发出的脉冲激光作为光源，激光束经过半波片2、格兰棱镜3和聚焦透镜4后垂直作用到液体射流表面上产生等离子体，等离子体内带电粒子受强静电作用正负电荷向相分离运动，使向前运动的等离子体与静电作用的正负离子间的碰撞几率增强，使等离子体中高能态粒子数目增多，因此等离子体辐射光增强；等离子体发射的光经过光纤探头收集，耦合到光谱仪中，光谱仪将光谱数据传输给计算机进行处理和分析。
附图说明
图1为本发明静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置结构图
图2为本发明静电辅助单元的电路图
图3为本发明激光束与液体样品相对位置示意图
图4为本发明装置和传统LIBS检测的光谱对比图
图5为本发明装置下绘制的CuI324.75nm的定标曲线
图6为本发明装置下绘制的CuI327.40nm的定标曲线。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，为静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，包括由Nd:YAG激光器1、半波片2、格兰棱镜3和聚焦透镜4组成的激光诱导单元；由聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12组成的光谱检测单元，本发明较传统LIBS检测装置，特征在于增设一个静电辅助增强光谱信号单元。
本发明中的静电辅助增强光谱信号单元包括正极板7、负极板8、电容C、电阻R1、R2和高压电源9。
正极板7和负极板8为边长50mm×50mm×3mm的铜板，其板间距为4cm~5cm，限流电阻R1为30MΩ，采样电阻R2为1kΩ，电容C为35kF。高压电源的电压范围为0kV~30kV。
激光器1为Nd:YAG激光器，其波长为1064nm，脉宽为8ns，重复频率为10Hz，光斑直径为7mm，激光能量在30~300mJ范围内可调。
光谱仪11为Avantes八通道光纤光谱仪，最小曝光时间为1ms，最小系统内部延迟时间为1.28μs，光谱仪的光谱范围为200nm~1050nm，分辨率为0.1nm。
根据《GB8978-1996污水综合排放标准》（中华人民共和国国家标准），Cu元素被列为第二类污水重金属污染物，因此本发明主要选取Cu元素作为分析实例，所用样品为北京化工厂生产的CuSO4·5H2O作为溶质，使用蒸馏水配置CuSO4溶液。蠕动泵5和烧杯6与液体样品共同组成了液体射流循环系统，射流喷嘴直径为1mm，流速为65ml/min。
激光能量为160mJ，激光束作用在液体射流表面上，距离喷嘴3mm，利用此条件分别采用传统LIBS和电源电压2kV、板间距4.5cm下激光诱导结果静电辅助的方法对CuSO4溶液进行Cu元素的光谱分析，获得图4的两种方法的光谱对比图，静电辅助下得到的CuI324.75nm和CuI327.40nm谱线的光谱信号强度约为传统LIBS的2陪。
利用七种不同Cu元素浓度（9.98ppm、99.95ppm、299.99ppm、500.04ppm、700.08ppm、999.96ppm和2000.14ppm）的CuSO4溶液得到静电辅助LIBS光谱信号，图5和图6分别为本发明装置和传统LIBS装置下获得的光谱分析线CuI324.75nm和CuI327.40nm的定标曲线，计算得到相应的检测限（LimitofDetection，LoD）见表1，本发明的检测装置得到的LoD值较传统LIBS低约2倍，可见静电辅助的方式有效降低了传统LIBS的最小检测精度。通过计算两种实验方案的相对误差值（见表2），得出静电辅助的LIBS技术相比于传统方法，每种样品下的相对误差均有所减小，说明静电辅助LIBS技术提高了传统方法的探测精度，从而增加了该技术的实用价值。
综上所述，本发明提供的这种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置降低了光学系统的复杂性和激光系统成本，有效增强了光谱信号强度，在污水检测方面有重要的应用价值。
表1本发明及传统LIBS获得的LoD值
表2不同样品下Cu元素相对误差值
Claims (3)
1.静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，包括激光器1、衰减系统（半波片2和格兰棱镜3）、聚焦透镜4、蠕动泵5、烧杯6、正极板7、负极板8、高压电源9、聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12；其中由激光器1在其输出光束的光轴上依次与半波片2、格兰棱镜3和聚焦透镜4连接组成激光入射单元，由蠕动泵5、烧杯6和样品连接构成液体样品的流速控制系统，由聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12连接构成光谱检测单元；由正极板7、负极板8和高压电源9连接，高压电源正极与限流电阻R1连接，负极与采样电阻R2连接，电容C与正负极板并联组成静电辅助LIBS光谱信号增强单元，入射激光束在静电场板极中间传输聚焦液体流诱导产生液体激光等离子体。
2.根据权利要求1所述静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，其特征在于静电场极板为边长50mm×50mm×3mm的平面铜板，其板间距为4cm~5cm，所用电容容量为1000pF，高压电源的电压范围为0kV~30kV。
3.根据权利要求1所述静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，其特征在于液体流速为蠕动泵控制，流速范围为0ml/min~200ml/min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510401969.4A CN105067593A (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510401969.4A CN105067593A (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105067593A true CN105067593A (zh) | 2015-11-18 |
Family
ID=54497017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510401969.4A Pending CN105067593A (zh) | 2015-07-10 | 2015-07-10 | 静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105067593A (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105806768A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-07-27 | 绍兴文理学院 | 污水激光测试台 |
| CN106093013A (zh) * | 2016-06-13 | 2016-11-09 | 长春理工大学 | 激光诱导产生等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置和方法 |
| CN107607521A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-01-19 | 江西农业大学 | 一种茶叶重金属检测装置及其检测方法 |
| CN108872716A (zh) * | 2017-05-12 | 2018-11-23 | 长春理工大学 | 外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射装置和方法 |
| CN109269949A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-25 | 温州大学 | 一种适用航空滑油磨损颗粒信息快速检测系统及方法 |
| CN110196244A (zh) * | 2018-02-26 | 2019-09-03 | 成都艾立本科技有限公司 | 一种增强激光诱导击穿光谱信号的方法及装置 |
| CN113310969A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-08-27 | 清华大学 | 一种基于时间调制改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法 |
| CN114184546A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-15 | 山东大学 | 一种激光探针石英含量快速分析装置、tbm及方法 |
| CN116930155A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 华东交通大学 | 基于激光诱导击穿光谱的重金属污染检测方法及装置 |
| CN117074389A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-11-17 | 河北大学 | 一种水体中无机有害微量元素在线检测系统及检测方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101694469A (zh) * | 2009-11-12 | 2010-04-14 | 中国海洋大学 | 激光诱导击穿光谱水中离子检测的导向沉积增强方法 |
| CN202092945U (zh) * | 2011-03-17 | 2011-12-28 | 浙江师范大学 | 一种液体样品进样装置 |
| KR20130087846A (ko) * | 2012-01-30 | 2013-08-07 | 한국원자력연구원 | 레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치 |
| CN103884689A (zh) * | 2014-01-04 | 2014-06-25 | 青岛大学 | 一种激光诱导单液滴击穿检测的方法与装置 |
| CN203908950U (zh) * | 2014-06-26 | 2014-10-29 | 浙江师范大学 | 一种基于富集技术的激光诱导污水重金属检测装置 |
| CN104237178A (zh) * | 2014-10-09 | 2014-12-24 | 重庆邮电大学 | 直流放电汽化辅助激光诱导击穿光谱检测水体中痕量金属元素的方法和装置 |
-
2015
- 2015-07-10 CN CN201510401969.4A patent/CN105067593A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101694469A (zh) * | 2009-11-12 | 2010-04-14 | 中国海洋大学 | 激光诱导击穿光谱水中离子检测的导向沉积增强方法 |
| CN202092945U (zh) * | 2011-03-17 | 2011-12-28 | 浙江师范大学 | 一种液体样品进样装置 |
| KR20130087846A (ko) * | 2012-01-30 | 2013-08-07 | 한국원자력연구원 | 레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치 |
| CN103884689A (zh) * | 2014-01-04 | 2014-06-25 | 青岛大学 | 一种激光诱导单液滴击穿检测的方法与装置 |
| CN203908950U (zh) * | 2014-06-26 | 2014-10-29 | 浙江师范大学 | 一种基于富集技术的激光诱导污水重金属检测装置 |
| CN104237178A (zh) * | 2014-10-09 | 2014-12-24 | 重庆邮电大学 | 直流放电汽化辅助激光诱导击穿光谱检测水体中痕量金属元素的方法和装置 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| PRASOON DIWAKAR, ET AL.: "New Approach for Near-Real-Time Measurement of Elemental Composition of Aerosol Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy", 《AEROSOL SCIENCE AND TECHNOLOGY》 * |
| 崔执凤 等: "外加静电场下激光诱导等离子体特性的实验研究", 《原子与分子物理学报》 * |
| 李科学 等: "激光烧蚀-快脉冲放电等离子体光谱技术分析土壤中的Sn", 《光谱学与光谱分析》 * |
| 林兆祥等: "应用激光诱导击穿光谱检测污水溶液中的砷", 《光谱学与光谱分析》 * |
| 王传辉 等: "AlCl3水溶液的激光诱导击穿光谱研究", 《中国激光》 * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105806768A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-07-27 | 绍兴文理学院 | 污水激光测试台 |
| CN106093013A (zh) * | 2016-06-13 | 2016-11-09 | 长春理工大学 | 激光诱导产生等离子体墙屏蔽冲击波传播的装置和方法 |
| CN108872716A (zh) * | 2017-05-12 | 2018-11-23 | 长春理工大学 | 外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射装置和方法 |
| CN107607521B (zh) * | 2017-09-11 | 2019-10-25 | 江西农业大学 | 一种茶叶重金属检测装置及其检测方法 |
| CN107607521A (zh) * | 2017-09-11 | 2018-01-19 | 江西农业大学 | 一种茶叶重金属检测装置及其检测方法 |
| CN110196244A (zh) * | 2018-02-26 | 2019-09-03 | 成都艾立本科技有限公司 | 一种增强激光诱导击穿光谱信号的方法及装置 |
| CN109269949A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-25 | 温州大学 | 一种适用航空滑油磨损颗粒信息快速检测系统及方法 |
| CN109269949B (zh) * | 2018-10-15 | 2021-05-07 | 温州大学 | 一种适用航空滑油磨损颗粒信息快速检测系统及方法 |
| CN113310969A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-08-27 | 清华大学 | 一种基于时间调制改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法 |
| CN114184546A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-15 | 山东大学 | 一种激光探针石英含量快速分析装置、tbm及方法 |
| CN117074389A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-11-17 | 河北大学 | 一种水体中无机有害微量元素在线检测系统及检测方法 |
| CN117074389B (zh) * | 2023-07-25 | 2024-03-29 | 河北大学 | 一种水体中无机有害微量元素在线检测系统及检测方法 |
| CN116930155A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 华东交通大学 | 基于激光诱导击穿光谱的重金属污染检测方法及装置 |
| CN116930155B (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-08 | 华东交通大学 | 基于激光诱导击穿光谱的重金属污染检测方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105067593A (zh) | 静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 | |
| US20170018415A1 (en) | Divided-aperture laser differential confocal libs and raman spectrum-mass spectrum microscopic imaging method and device | |
| CN101620183B (zh) | 光电双脉冲激光诱导击穿光谱仪及光谱分析方法 | |
| CN101696936B (zh) | 激光诱导放电增强等离子体光谱检测装置 | |
| CN104237178B (zh) | 直流放电汽化辅助激光诱导击穿光谱检测水体中痕量金属元素的方法和装置 | |
| CN108169092B (zh) | 大气颗粒物重金属及其同位素在线探测装置及其方法 | |
| CN107917901B (zh) | 一种液体样品元素成分在线检测的方法与装置 | |
| CN203908950U (zh) | 一种基于富集技术的激光诱导污水重金属检测装置 | |
| CN103712962A (zh) | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 | |
| CN105954260B (zh) | 基于激光诱导击穿光谱对水体元素定量分析的制样方法 | |
| CN109884034B (zh) | 一种飞秒等离子体光栅诱导击穿光谱检测的方法及装置 | |
| CN203732444U (zh) | 激光诱导击穿光谱分析仪 | |
| CN103616351A (zh) | 激光诱导击穿光谱分析仪和方法 | |
| CN100559163C (zh) | 双通道共振增强激光诱导击穿光谱痕量元素分析仪及方法 | |
| CN101655459A (zh) | 一种激光诱导击穿光谱元素谱线逆向提取方法 | |
| CN107192705B (zh) | 多点双焦同时激发的激光诱导击穿光谱增强测量系统 | |
| Wang et al. | Highly sensitive analysis of trace Pb in aqueous solution using electro-deposition and spark-discharge assisted laser-induced breakdown spectroscopy | |
| CN204789335U (zh) | 手持式激光诱导击穿光谱分析仪 | |
| CN104111249A (zh) | 一种液体中元素高灵敏快速检测装置 | |
| Wen et al. | Detection of lead in water at ppt levels using resin-enrichment combined with LIBS-LIF | |
| CN109884038A (zh) | 一种飞秒等离子体通道击穿光谱无需标样的定标方法 | |
| CN112945936B (zh) | 基于激光等离子体自约束的液体样品光谱测量方法与装置 | |
| CN201449373U (zh) | 光电双脉冲激光诱导击穿光谱仪 | |
| CN203758914U (zh) | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 | |
| CN105181657A (zh) | 一种基于激光诱导击穿光谱方法的海水水质金属元素测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151118 |