CN105973871B - 一种光谱检测元素分布的微区扫描装置及其微区扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱检测元素分布的微区扫描装置及其微区扫描方法。微区扫描装置包括激光器、微波发生器、脉冲延时发生器、准直系统、光束转折器、微处理器、光谱仪、光学聚焦系统、光谱收集器、成像系统、光分束器、三维移动平台、电机控制器。微波发生器发出微波脉冲并控制微波脉冲，激发激光光束与样品因相互作用产生的等离子体。样品放置于三维移动平台上，光分束器位于光束转折器的光直线出口光路上，成像系统与光谱收集器分别位于光分束器的两路光分路上。成像系统与脉冲延时发生器、微处理器分别电性连接，并对样品进行成像。微处理器电性连接电机控制器，电机控制器驱动三维移动平台。本发明还提供所述微区扫描装置的微区扫描方法。

Description

一种光谱检测元素分布的微区扫描装置及其微区扫描方法

技术领域

本发明涉及一种微区扫描装置及其微区扫描方法，尤其涉及一种光谱检测元素分布的微区扫描装置及其微区扫描方法。

背景技术

目前样品中元素的微区分析主要采用同步辐射X射线荧光成像法(SXRF)、纳米二次离子质谱法(nano-SIMS)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)，但是这些分析手段操作复杂、价格昂贵、需要在真空条件下进行，难以大范围推广普及应用，并且需要繁琐的样品预处理程序，因此不能快速简便地进行微区分析。激光诱导击穿光谱作为一种新兴的发射光谱分析技术，从1962被提出以来，得到了越来越多人的关注。激光诱导激光光谱技术采用激光与样品相互作用产生高温、高密度的等离子体，高温、高密度的等离子体随延时而降低，等离子体不断扩散。在等离子体冷却的过程中，处于原子和离子激发态的电子向低能级跃迁，在跃迁的过程中会发射特定波长的线状光谱(特征光谱)，从其特征光谱的位置可以判断样品中含有元素的种类，从其光谱强度可以反演对应元素的浓度，即进行定性和定量分析。相对于传统的检测技术，激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced BreakdownSpectroscopy:LIBS)具有：无需样品制备、同时检测多种元素、测量时间短、能够对各种形态的样品进行分析、设备价廉易于操作、能够进行微区分析等优点，另外，激光具有单色性好、相干性好、方向性好和能量高等优点，所以激光通过聚焦装置能聚焦成微小光斑，进行微区扫描检测，因此它是实现快速简便微区分析的有效技术。而采用微波辅助的方式实现等离子体再次激发，降低元素的检测，提高光谱信号的稳定性，减弱了基体效应对定量分析的影响。从而采用微波辅助激光诱导击穿光谱不仅能够对样品中主量元素进行分析，还可以对样品中痕量元素进行分析。

发明内容

本发明的目的在于基于微波辅助的激光诱导击穿光谱技术提供一种光谱检测元素分布的微区扫描装置及其微区扫描方法，是为了利用激光诱导击穿光谱技术与微区扫描相结合，实现样品中各位置对应元素的检测，发现各元素在样品中的分布，为开展样品研究提供一种新的技术装置。

本发明通过以下技术方案实现：一种光谱检测元素分布的微区扫描装置，其包括激光器、微波发生器、脉冲延时发生器、准直系统、光束转折器、微处理器、光谱仪、光学聚焦系统、光谱收集器；脉冲延时发生器与激光器、微波发生器、光谱仪分别电性连接，光谱仪还与光谱收集器、微处理器分别电性连接；光束转折器的光转折入口、准直系统均位于激光器的光路上，准直系统位于激光器与光束转折器之间；样品和光学聚焦系统均位于光束转折器的光转折出口的光路上，光学聚焦系统位于样品与光束转折器之间；微波发生器发出微波脉冲并控制微波脉冲，对激光光束与样品因相互作用而产生的高温、高密度的等离子体进行激发；

其中：所述微区扫描装置还包括成像系统、光分束器、三维移动平台、电机控制器；样品放置于三维移动平台上；光分束器位于光束转折器的光直线出口光路上，所述成像系统与光谱收集器分别位于光分束器的两路光分路上；所述成像系统与脉冲延时发生器、微处理器分别电性连接，并对样品进行成像；微处理器电性连接电机控制器，电机控制器驱动三维移动平台；

脉冲延时发生器控制激光器、微波发生器、光谱仪及所述成像系统之间的时序；所述成像系统对样品进行成像，并确定样品的各烧蚀点的坐标，微处理器根据烧蚀点的坐标控制三维移动平台的移动；

脉冲延时发生器触发激光器发出脉冲式激光光束，激光光束通过准直系统准直后，经光学聚焦系统将激光光束的能量聚焦于样品的表面，激光光束与样品相互作用产生高温、高密度的等离子体；脉冲延时发生器然后触发微波发生器，微波发生器发出微波脉冲并控制微波脉冲对等离子体再次激发，脉冲延时发生器再触发光谱仪对等离子体产生的光谱信号进行采集，完成了一次光谱信号的采集；然后电机控制器根据烧蚀点坐标的设计，控制三维移动平台移至下一个烧蚀点，开始第二个烧蚀点的光谱信号采集；

所述成像系统包括成像镜头、探测器；成像镜头通过光分束器对样品进行成像，探测器根据所述成像确定样品的各烧蚀点的坐标；成像镜头、探测器一方面分别与脉冲延时发生器电性连接，另一方面还分别与微处理器电性连接。

作为上述方案的进一步改进，所述微区扫描装置还包括磁控管，微波发生器通过磁控管控制微波脉冲对等离子体再次激发。

进一步地，所述微区扫描装置还包括微波衰减器，微波衰减器安装在磁控管之后用于衰减所述微波脉冲。

再进一步地，样品放置在微波屏蔽腔内，微波屏蔽腔屏蔽微波向外面传输；所述微区扫描装置还包括环形天线，环形天线放置在微波屏蔽腔内，微波发生器通过磁控管和微波衰减器产生的微波脉冲，采用环形天线对等离子体再次激发。

作为上述方案的进一步改进，所述微区扫描装置还包括光纤，等离子体产生的光谱信号通过光谱收集器收集并耦合至光纤，通过光纤传输至光谱仪进行分光和探测。

作为上述方案的进一步改进，脉冲延时发生器通过若干信号线连接于激光器、微波发生器、光谱仪、所述成像系统；光谱仪通过数据线连接于微处理器。

本发明还提供一种光谱检测元素分布的微区扫描方法，其应用于上述任意光谱检测元素分布的微区扫描装置中，所述微区扫描方法包括以下步骤：

一、样品放置于三维移动平台；

二、脉冲延时发生器首先触发成像系统，所述成像系统对样品进行成像并确定各烧蚀点的坐标；

三、脉冲延时发生器触发激光器发出脉冲式激光光束，激光光束通过准直系统准直后，经光学聚焦系统将激光光束的能量聚焦于样品的表面，激光光束与样品相互作用产生高温、高密度的等离子体；

四、脉冲延时发生器然后触发微波发生器，微波发生器发出微波脉冲并控制微波脉冲对等离子体再次激发，进而提高了光谱信号强度；

五、脉冲延时发生器再触发光谱仪，光谱仪对所述光谱信号进行采集，完成了一次光谱信号的采集；

六、微处理器根据烧蚀点坐标驱动三维移动平台的移动，控制三维移动平台移至下一个烧蚀点，开始第二个烧蚀点的光谱信号采集；依次循环，根据烧蚀点坐标完成全部检测，并对样品各烧蚀点的光谱信号进行定量分析，进而绘制出各元素在该样品中的分布。

本发明将微波辅助激光诱导击穿光谱技术与微区扫描相结合，实现样品微区扫描检测。本发明的优点在于：相对于其它LIBS信号增强技术，微波辅助激光诱导击穿光谱只需要少的烧蚀量就能实现信号的高灵敏度检测，而少的烧蚀量是实现高空间分辨率微区扫描的必要条件，所以微波辅助激光诱导击穿光谱技术和微区扫描相结合，解决了灵敏度和空间分辨率之间的矛盾，保证了能够实现对痕量元素的微区扫描检测。另外该装置能够根据微区扫面检测结果绘制各元素在样品中的分布规律，为样品研究提供了一种有效手段。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的微区扫描光谱检测装置的模块结构示意图。

图2为本发明微区扫描烧蚀点的方向及位移的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

请参阅图1，本实施例的光谱检测元素分布的微区扫描装置包括激光器1、微波发生器2、脉冲延时发生器3、磁控管4、准直系统5、光束转折器6、微处理器8、光谱仪9、光学聚焦系统13、光谱收集器20、成像系统、光分束器12、三维移动平台17、电机控制器21、微波衰减器18、环形天线16、光纤15。成像系统包括成像镜头22、探测器19。成像系统能够对样品11进行成像，确定各烧蚀点的坐标，当然了，成像系统也肯定能够对样品11上空因反应而产生的等离子体10进行成像。

脉冲延时发生器3与激光器1、微波发生器2、光谱仪9、成像系统分别电性连接。在成像系统中，成像镜头22、探测器19一方面分别与脉冲延时发生器3电性连接，另一方面还分别与微处理器8电性连接。脉冲延时发生器3控制激光器1、微波发生器2、光谱仪9及成像系统(成像镜头22和探测器19)之间的时序。成像镜头22对样品11进行成像，样品11放置于三维移动平台17上，光谱仪9还与光谱收集器20、微处理器8分别电性连接。微处理器8电性连接电机控制器21，电机控制器21驱动三维移动平台17。脉冲延时发生器3可通过若干信号线连控制激光器1、微波发生器2、光谱仪9、成像系统；光谱仪9可通过数据线7连接于微处理器8。

光束转折器6的光转折入口、准直系统5均位于激光器1的光路上，准直系统5位于激光器1与光束转折器6之间。样品11和光学聚焦系统13均位于光束转折器6的光转折出口的光路上，光学聚焦系统13位于样品11与光束转折器6之间。微波发生器2发出微波脉冲并控制微波脉冲，对激光光束与样品11相互作用产生高温、高密度的等离子体10进行激发。光分束器12位于光束转折器6的光直线出口光路上，所述成像系统与光谱收集器20分别位于光分束器12的两路光分路上。

光束转折器6表面镀有对应于激光器1发出激光波长的全反射膜，能够将准直后的激光光束通过光束转折器6改变光束传输方向，以准确传输至光学聚焦系统13，同时光束转折器6不影响其他波段光的传输。

激光传输与光谱传输方向共线相反，光分束器12能够对等离子体产生的发生光谱分成两束，一束被光谱仪9采集，另一束传输至成像系统，两束光的分束比根据实际需求来定。

请结合图2，微区扫描装置的微区扫描方法包括以下步骤。

一、样品11放置于三维移动平台17。

二、脉冲延时发生器3首先触发成像系统，所述成像系统对样品11进行成像并确定各烧蚀点23的坐标。

三、脉冲延时发生器3触发激光器1发出脉冲式激光光束，激光光束通过准直系统5准直后，并通过光束转折器6改变光路方向，再通过光学聚焦系统13将激光光束的能量聚焦于样品11的表面，激光光束与样品11相互作用产生高温、高密度的等离子体10。

其中，光学聚焦系统13可控制激光烧蚀样品的烧蚀点23的大小。

四、脉冲延时发生器3然后触发微波发生器2，微波发生器2发出微波脉冲并控制微波脉冲对等离子体10再次激发，进而提高了光谱信号强度。在电磁场的作用下，等离子体10被再次激发，等离子体10在演化过程中产生发射光谱信号即特定波长的特征光谱。

微波发生器2可通过磁控管4控制微波脉冲对等离子体10再次激发，微波衰减器18安装在磁控管4之后用于衰减所述微波脉冲。环形天线16放置在微波屏蔽腔14内，微波发生器2通过磁控管4和微波衰减器18产生的微波脉冲，采用环形天线16对等离子体10再次激发。微波环状天线16的圈数、高度、半径等参数应根据等离子体10的大小来设计。其中三维移动平台17也放置于微波屏蔽腔14内。

五、脉冲延时发生器3再触发光谱仪9，光谱仪9对所述光谱信号进行采集，完成了一次光谱信号的采集。光谱仪9可通过光谱收集器20对所述烧蚀点23产生的光谱信号进行采集。所述光谱信号可通过光谱收集器20收集并耦合至光纤15传输至光谱仪9进行分光和探测。所述光谱信号通过光谱仪9传输至微处理器8，通过微处理器8对光谱信号采集和保存。

六、微处理器8根据烧蚀点23坐标驱动三维移动平台17的移动，控制三维移动平台17移至下一个烧蚀点23，开始第二个烧蚀点的光谱信号采集；依次循环，根据烧蚀点23坐标完成全部检测，并对样品各烧蚀点23的光谱信号进行定量分析，进而绘制出各元素在该样品中的分布。

当然，在应用本发明的微区扫描装置之前，最好进行适当的误差调节。如，首先调节激光的聚焦位置至样品11之间的距离，然后成像系统(成像镜头22和探测器19)对样品11成像，通过对样品11的成像确定激光烧蚀点的坐标23，烧蚀点23的坐标是激光检测的位置点。这样提高微处理器8后续的数据精度：微处理器8根据烧蚀点23坐标设计三维移动平台17的移动，经步进电机控制器控制三维精密移动平台的移动方向、X位移24和Y位移25(如图2所示)。

故，电机控制器21控制三维精密移动平台即三维移动平台17移动实现对样品11各位置的光谱检测，通过微处理器8进行设定三维移动平台17每次坐标，移动的坐标与各烧蚀点23的坐标相对应。

综上所述，本发明的优势在于：

1.通过微波辅助激光诱导击穿光谱与微区扫描相结合，能够实现对样品11的微区快速扫描检测；

2.微区扫描的烧蚀点23大小可以通过光学聚焦系统13进行调节，可以实现对样品11各种烧蚀点23大小进行扫描检测；

3.通过成像系统(成像镜头22和探测器19)设定样品11被检测的烧蚀点23坐标，并通过微处理系统8相互配合，控制三维移动平台17移动的方向及位移，实现自动快速扫描检测；

4.激光传输与光谱收集方向共线，通过光分束器12能够对烧蚀点23光谱信号和等离子体10图像同时采集，同时能够实现整个装置结构的紧凑；

5.相对于传统的微区扫描装置，该装置具有结构简单、扫描速度快、操作方便、价格便宜等优点。

为了更好的证明本发明的有益效果，本发明做了多次试验，在本实施例中，具体介绍采用微波辅助激光诱导击穿光谱微区扫描检测水稻叶片中钙、铁、镁和铜的分布，其检测过程如下介绍。

首先对水稻叶片进行处理和固定于三维精密移动平台，调节激光的聚焦位置与水稻叶片样品11表面之间的距离，使激光烧蚀样品点23的直径为15微米。八通道脉冲延时发生器DG645触发成像系统(成像镜头22和ICCD探测器19)对样品成像，确定水稻各烧蚀点23的坐标，并通过微处理器8设定三维精密移动平台的移动方向和位移，位移大小为10微米。

脉冲延时发生器DG645然后触发1064nm脉冲激光器1，激光能量20mJ，脉冲宽度8ns，通过准直系统5将激光光束准直，并通过光束转折器6改变光束传输方向，光束转折器6镀有1064nm的45°窄带高反射膜，不影响其它波段光的传输，激光光束通过焦距为40mm的光学聚焦系统13将脉冲激光能量聚焦于水稻叶片样品11表面，脉冲激光与水稻叶片样品11相互作用产生高温、高密度的等离子体10。

当电子密度下降至微波再次激发所需阈值密度，八通道脉冲延时发生器DG645通过数据线触发微波发生器通过磁控管4和微波衰减器18，产生功率为500瓦、频率为2.45GHz、脉冲宽度为300微秒的微波，采用高度为2mm，直径为2mm环形天线16控制微波脉冲对等离子体10再次激发，等离子体在演变过程中会发射Cu、Mg、Ca、Mg等特定波长的特征光谱。

脉冲延时发生器DG645通过信号线触发光谱仪20对光谱信号进行采集。光谱仪20的光谱响应范围200-800nm，分辨率为0.1nm，光谱采集相对于激光产生等离子体10延时1.5微秒。特征光谱信号通过收集器20收集并耦合至光纤15传输至光谱仪9进行分光和探测，最后通过数据线7传输至微处理器8保存，实现对该烧蚀点23的测量。

完成一次微区测量后，根据微处理器8设定的三维精密移动平台向X轴方向移动10微米，至下一个烧蚀点23，开展第二烧蚀点的光谱采集。依次循环微区扫描检测，最终完成光谱测量，并通过微处理器8定量分析模型，对各烧蚀点23钙、铁、镁和铜的光谱进行反演和分析，根据各烧蚀点23钙、铁、镁和铜的定量分析结果，绘制它们在叶片中的分布规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光谱检测元素分布的微区扫描装置；其包括激光器(1)、微波发生器(2)、脉冲延时发生器(3)、准直系统(5)、光束转折器(6)、微处理器(8)、光谱仪(9)、光学聚焦系统(13)、光谱收集器(20)；脉冲延时发生器(3)与激光器(1)、微波发生器(2)、光谱仪(9)分别电性连接，光谱仪(9)还与光谱收集器(20)、微处理器(8)分别电性连接；光束转折器(6)的光转折入口、准直系统(5)均位于激光器(1)的光路上，准直系统(5)位于激光器(1)与光束转折器(6)之间；样品(11)和光学聚焦系统(13)均位于光束转折器(6)的光转折出口的光路上，光学聚焦系统(13)位于样品(11)与光束转折器(6)之间；微波发生器(2)发出微波脉冲并控制微波脉冲，对激光光束与样品(11)因相互作用而产生的高温、高密度的等离子体(10)进行激发；

其特征在于：

所述微区扫描装置还包括成像系统、光分束器(12)、三维移动平台(17)、电机控制器(21)；样品(11)放置于三维移动平台(17)上；光分束器(12)位于光束转折器(6)的光直线出口光路上，所述成像系统与光谱收集器(20)分别位于光分束器(12)的两路光分路上；所述成像系统与脉冲延时发生器(3)、微处理器(8)分别电性连接，并对样品(11)进行成像；微处理器(8)电性连接电机控制器(21)，电机控制器(21)驱动三维移动平台(17)；

脉冲延时发生器(3)控制激光器(1)、微波发生器(2)、光谱仪(9)及所述成像系统之间的时序；所述成像系统对样品(11)进行成像，并确定样品(11)的各烧蚀点(23)的坐标，微处理器(8)根据烧蚀点(23)的坐标控制三维移动平台(17)的移动；

脉冲延时发生器(3)触发激光器(1)发出脉冲式激光光束，激光光束通过准直系统(5)准直后，经光学聚焦系统(13)将激光光束的能量聚焦于样品(11)的表面，激光光束与样品(11)相互作用产生高温、高密度的等离子体(10)；脉冲延时发生器(3)然后触发微波发生器(2)，微波发生器(2)发出微波脉冲并控制微波脉冲对等离子体(10)再次激发，脉冲延时发生器(3)再触发光谱仪(9)对等离子体(10)产生的光谱信号进行采集，完成了一次光谱信号的采集；然后电机控制器(21)根据烧蚀点(23)坐标的设计，控制三维移动平台(17)移至下一个烧蚀点(23)，开始第二个烧蚀点的光谱信号采集；

所述成像系统包括成像镜头(22)、探测器(19)；成像镜头(22)通过光分束器(12)对样品(11)进行成像，探测器(19)根据所述成像确定样品(11)的各烧蚀点(23)的坐标；成像镜头(22)、探测器(19)一方面分别与脉冲延时发生器(3)电性连接，另一方面还分别与微处理器(8)电性连接。

2.如权利要求1所述的光谱检测元素分布的微区扫描装置，其特征在于：所述微区扫描装置还包括磁控管(4)，微波发生器(2)通过磁控管(4)控制微波脉冲对等离子体(10)再次激发。

3.如权利要求2所述的光谱检测元素分布的微区扫描装置，其特征在于：所述微区扫描装置还包括微波衰减器(18)，微波衰减器(18)安装在磁控管(4)之后用于衰减所述微波脉冲。

4.如权利要求3所述的光谱检测元素分布的微区扫描装置，其特征在于：样品(11)放置在微波屏蔽腔(14)内，微波屏蔽腔(14)屏蔽微波向外面传输；所述微区扫描装置还包括环形天线(16)，环形天线(16)放置在微波屏蔽腔(14)内，微波发生器(2)通过磁控管(4)和微波衰减器(18)产生的微波脉冲，采用环形天线(16)对等离子体(10)再次激发。

5.如权利要求1所述的光谱检测元素分布的微区扫描装置，其特征在于：所述微区扫描装置还包括光纤(15)，等离子体(10)产生的光谱信号通过光谱收集器(20)收集并耦合至光纤(15)，通过光纤(15)传输至光谱仪(9)进行分光和探测。

6.如权利要求1所述的光谱检测元素分布的微区扫描装置，其特征在于：脉冲延时发生器(3)通过若干信号线连接于激光器(1)、微波发生器(2)、光谱仪(9)、所述成像系统；光谱仪(9)通过数据线(7)连接于微处理器(8)。

7.一种光谱检测元素分布的微区扫描方法，其应用于如权利要求1至6中任意一项所述的光谱检测元素分布的微区扫描装置中，其特征在在于：所述微区扫描方法包括以下步骤：

一、样品(11)放置于三维移动平台(17)；

二、脉冲延时发生器(3)首先触发成像系统，所述成像系统对样品(11)进行成像并确定各烧蚀点(23)的坐标；

三、脉冲延时发生器(3)触发激光器(1)发出脉冲式激光光束，激光光束通过准直系统(5)准直后，经光学聚焦系统(13)将激光光束的能量聚焦于样品(11)的表面，激光光束与样品(11)相互作用产生高温、高密度的等离子体(10)；

四、脉冲延时发生器(3)然后触发微波发生器(2)，微波发生器(2)发出微波脉冲并控制微波脉冲对等离子体(10)再次激发，进而提高了光谱信号强度；

五、脉冲延时发生器(3)再触发光谱仪(9)，光谱仪(9)对所述光谱信号进行采集，完成了一次光谱信号的采集；

六、微处理器(8)根据烧蚀点(23)坐标驱动三维移动平台(17)的移动，控制三维移动平台(17)移至下一个烧蚀点(23)，开始第二个烧蚀点的光谱信号采集；依次循环，根据烧蚀点(23)坐标完成全部检测，并对样品各烧蚀点(23)的光谱信号进行定量分析，进而绘制出各元素在该样品中的分布。