CN106290309A - 基于libs便携式可变深度土壤重金属含量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤重金属含量的检测技术，为结合LIBS技术(Laser‑induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)，实现对不同深度土壤重金属含量的无需预处理、快速、实时的检测。本发明采用的技术方案是，基于LIBS便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，包括分析系统部分和探测器部分，分析系统包括高重频激光器、一号聚焦透镜、激光接收光纤头、光谱仪光纤、激光器光纤、光谱分析仪、上行数据线、计算机、显示数据线、显示器。本发明主要应用于土壤重金属含量的检测。

Description

基于LIBS便携式可变深度土壤重金属含量检测装置

技术领域

本发明属于土壤监测和重金属检测领域中不同深度的土壤重金属含量的检测技术，具体讲,涉及基于LIBS技术的便携式可变深度土壤重金属含量检测装置。

背景技术

土壤重金属污染是指由于人类的活动将重金属带入土壤中，致使土壤重金属含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。重金属污染物主要是指Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Ni、Co、Sn(汞、镉、铅、铬、铜、镍、钴、锡)以及类金属As(砷)等。重金属在土壤中不易随水淋溶，不能被微生物分解，具有明显的生物富集作用。重金属主要通过对作物的产量和品质的影响表现其危害，因此具有较长潜伏期。通过“土壤→植物→人体”或“土壤→水→人体”间接被人体吸收，危害人体健康。重金属污染已成为备受关注的全球性环境污染问题之一，我国重金属污染也十分严重。有资料表明，我国重金属污染的农业土地面积约2500万平方米，每年被重金属污染的粮食多达1200万吨，因重金属污染而导致粮食减产高达1000多万吨，合计经济损失至少200亿元；重金属对土壤的污染短期内很难恢复，土壤中的重金属可能会通过相关食物链进入农产品，影响到农产品的质量安全，可能会严重危及到人类健康、生存和发展。且由于不同深度的土壤所处的环境差异巨大，所以不同深度的土壤重金属含量也存在很大差异，只有精确掌握不同深度的土壤重金属含量才能够全面的评价土壤重金属污染程度，为治理与防范土壤重金属危害提供可靠依据。因此，对不同深度的土壤重金属含量进行快速、实时、准确的检测是土壤监测和食品安全领域的客观需求。

国内外传统的土壤污染状况分析检测通常采用现场取样后通过实验室化学试剂和光谱仪器进行分析的方法。但是，这些传统的方法均存在着不可忽略的缺点与不足，实验室化学检测方法准确度较高，但其检测周期长，检测过程中容易产生二次污染以及不能进行快速即时检测；光谱仪器分析的方法检测速度较快，操作简单，但不能实现不同深度土壤重金属的检测。近年来，世界各国加大了对土壤重金属检测方面的投入，运用光谱学分析技术、电化学检测技术以及生物学分析等先进技术和最新研究成果对土壤重金属污染问题进行研究，出现了高光谱分析技术、生物量间接量测定技术、环境磁学、太赫兹光谱法等一系列新型技术。但上述这些现有的土壤重金属检测技术同样存在着不可忽略的缺点：检测前样品需经过复杂的欲处理、不能实现快速实时的得出分析结果、不能对不同深度土壤进行检测。同时电化学分析法和生物分析法由于需要进行复杂的处理过程，很容易造成二次污染。中国发明专利201610045040.7公开了一种基于双透镜的微量重金属检测的LIBS系统。系统包括样品台、激光器、聚焦透镜组、光纤、多通道光谱仪以及数据处理器，将待测样品采集至样品台上，利用LIBS技术进行重金属分析。这个系统的缺点是，不能进行现场实时、不同深度检测，而且样品台的设计不能满足土壤中重金属检测的要求，不能用于土壤重金属的检测。中国发明专利201410816225.4公开了一种土壤重金属检测方法及装置及系统。该方法包括：在预设检测条件下，土壤重金属检测装置获得待检测土壤的第二特征X射线谱，第二特征X射线谱中包括与待检测土壤中的重金属对应的波长和强度；将第二特征X射线谱中的波长和强度与第一特征X射线谱中的波长和强度进行对比，实现对土壤重金属的检测。这一方法的缺点是，需要复杂的数据处理计算，而且不能进行不同深度的土壤重金属检测。

综上所述，能够无需预处理的快速、实时地分析出不同深度土壤重金属含量对土壤监测和重金属检测领域十分重要。目前没有人提出能够实时地对不同深度的土壤重金属检测的方法，且现有方法需要进行复杂的样品欲处理，无法实现快速、实时的检测，由此可以看出，设计一款能够无需预处理的快速、实时地分析不同深度土壤重金属含量的装置是当前分析土壤重金属污染的迫切需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在针对土壤监测领域中，缺少能够无需预处理的快速、实时地分析不同深度土壤重金属含量的技术与设备这一现状，设计一种便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，结合LIBS技术(Laser-induced breakdownspectroscopy激光诱导等离子体光谱)，实现对不同深度土壤重金属含量的无需预处理、快速、实时的检测。本发明采用的技术方案是，基于LIBS便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，包括分析系统部分和探测器部分，分析系统包括高重频激光器、一号聚焦透镜、激光接收光纤头、光谱仪光纤、激光器光纤、光谱分析仪、上行数据线、计算机、显示数据线、显示器；探测器包括光谱接收光纤头、三号聚焦透镜、高反镜、激光发射光纤头、高反\高透镜、二号聚焦透镜、石英镜片；高重频激光器发出高重频激光，经过一号聚焦透镜汇聚到激光接收光纤头，再由激光接收光纤头耦合进激光器光纤后传输进入探测器，然后通过激光发射光纤头导出，激光穿过高反\高透镜，最后通过二号聚焦透镜使激光穿过石英镜片汇聚到土壤样本，并激发等离子体，等离子体冷却过程中会放出激光诱导等离子体光谱，光谱中会包含土壤样本中重金属的元素特征谱线和强度信息，由等离子体发出的激光诱导等离子体发散光谱经过二号聚焦透镜的汇聚作用后，发散的激光诱导等离子体光谱聚集到高反\高透镜，激光诱导等离子体的发散光谱处在紫外波段，经过高反\高透镜被反射向高反镜所在方向，再由高反镜反射到三号聚焦透镜，然后通过三号聚焦透镜，激光诱导等离子体光谱被汇聚到光谱接收光纤头，激光诱导等离子体光谱被耦合进光谱仪光纤中，再由光谱仪光纤传输至光谱分析仪，光谱分析仪分析出多组特征谱线与谱线强度，并以电信号由上行数据线送入计算机，计算机会根据得到的特征谱线与谱线强度信息计算出土壤样本中重金属的种类与含量，最后通过显示数据线将土壤重金属种类和含量信息以电信号送入显示器进行显示输出。

还包括并探测器标尺和探测器把手，用于：根据选定的深度找到探测器标尺所对应的刻度，将探测器插入待测区域土壤中，使土壤表层与对应刻度对齐；插入后稍用力按压探测器把手将石英镜片前端的土壤样本压实，以防止土壤在激光的作用下飞溅，影响激光诱导等离子体光谱的产生与收集。

计算机中设置有神经网络模型分析计算模块，用于利用神经网络模型建立一个含有多种重金属特征谱线的数据库，并实现将检测信息与数据库比对确定重金属种类，再拟合特征谱线强度与重金属含量的关系式，用来计算土壤重金属含量。

本发明的特点及有益效果是：

本发明利用LIBS技术(Laser-induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)，并采用设计的便携式可变深度土壤重金属含量检测装置实现不同深度土壤重金属含量的快速检测。第一，实现了一种基于LIBS技术(Laser-induced breakdownspectroscopy激光诱导等离子体光谱)的土壤重金属检测装置。第二，系统采用可变深度的探测装置，实现了不同深度土壤重金属含量的检测。第三，便携式的设计极大程度增加了设备的灵活性。

附图说明：

图1是本发明所述系统的结构示意图；

图2是本发明所述探测器结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件例表如下：

1-上行数据线，2-显示器，3-显示数据线，4-分析系统，5-高重频激光器，6-一号聚焦透镜，7-计算机，8-光谱分析仪，9-激光接收光纤头，10-光谱仪光纤，11-激光器光纤，12-探测器把手，13-探测器，14-探测器标尺，15-探测器外壳，16-光谱接收光纤头，17-三号聚焦透镜，18-高反镜，19-激光发射光纤头，20-高反\高透镜，21-二号聚焦透镜，22-石英镜片，23-等离子体。

具体实施方式

本发明公开了一种基于LIBS技术(Laser-induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)的便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，其技术方案如下：

一种基于LIBS技术LIBS技术(Laser-induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)的便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，包括分析系统部分和探测器部分。分析系统包括高重频激光器、一号聚焦透镜、激光接收光纤头、光谱仪光纤、激光器光纤、光谱分析仪、上行数据线、计算机、显示数据线、显示器。探测器包括探测器外壳、探测器把手、探测器标尺、光谱接收光纤头、三号聚焦透镜、高反镜、激光发射光纤头、高反\高透镜、二号聚焦透镜、石英镜片。

所述分析系统主要作用是提供高重频激光与数据分析及显示。

所述探测器主要作用是深入土壤进行重金属检测。

所述高重频激光器作为系统LIBS技术(Laser-induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)的光源。

所述一号聚焦透镜用于将激光汇聚到激光接收光纤头。

所述激光接收光纤头用于将汇聚的激光耦合进激光器光纤中。

所述光谱仪光纤连接光谱接收光纤头与光谱分析仪，用于将收集的激光诱导等离子体光谱传输至光谱分析仪。

所述激光器光纤连接激光接收光纤头与激光发射光纤头，用于将激光传输至探测器中。

所述光谱分析仪用于提取激光诱导等离子体光谱中的特征参数。

所述上行数据线用于将光谱分析仪得到的土壤重金属信息传输给计算机。

所述计算机用于软件分析计算重金属的种类和含量。

所述显示数据线用于计算机控制显示器进行显示。

所述显示器用于以直观的形式显示土壤重金属种类和含量的检测结果。

所述探测器外壳用于保护光路及系统中元件。

所述探测器把手便于使用者将探测器插入土壤内部。

所述探测器标尺用于精确掌握探测器插入土壤深度。

所述光谱接收光纤头用于接收被汇聚的激光诱导等离子体光谱。

所述三号聚焦透镜用于将激光诱导等离子体光谱进行汇聚。

所述高反镜用于改变激光诱导等离子体光谱的光路方向。

所述激光发射光纤头用于将激光从激光器光纤中导出。

所述高反\高透镜主要用于搭建同轴光路。

所述二号聚焦透镜用于将高重频激光汇聚到土壤样品上以及收集激光诱导等离子体光谱。

所述石英镜片用于将土壤压实和防止土壤进入探测器。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

如图1、2所示，本发明一种基于LIBS技术的便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，包括分析系统4和探测器13。分析系统4包括高重频激光器5、一号聚焦透镜6、激光接收光纤头9、光谱仪光纤10、激光器光纤11、光谱分析仪8、上行数据线1、计算机7、显示数据线3、显示器2。探测器13包括探测器外壳15、探测器把手12、探测器标尺14、光谱接收光纤头16、三号聚焦透镜17、高反镜18、激光发射光纤头19、高反\高透镜20、二号聚焦透镜21、石英镜片22。

所述分析系统4，主要包括高重频激光器5、光谱分析仪8、计算机7和显示器2。主要作用是为系统提供高重频激光和分析激光诱导等离子光谱计算出土壤重金属种类和含量。

所述探测器13，主要包括探测器外壳15、光谱接收光纤头16、三号聚焦透镜17、高反镜18、激光发射光纤头19、高反\高透镜20、二号聚焦透镜21、石英镜片22，主要作为系统的探头，可深入土壤内部进行重金属的检测。

所述高重频激光器5，作为系统LIBS技术(Laser-induced breakdownspectroscopy激光诱导等离子体光谱)的光源，系统采用高重频激光器5的目的是减小系统体积，以实现便携式的设计，本系统中高重频激光器5中心波长1064nm，重频8KHz，脉宽4ns，平均能量150，满足LIBS技术(Laser-induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)要求。

所述一号聚焦透镜6，用于将高重频激光器5送出的平行光汇聚到激光接收光纤头9，便于激光耦合进激光器光纤11，提高耦合效率。

所述激光接收光纤头9，接收由一号聚焦透镜6汇聚的激光，并将其耦合进激光器光纤11。

所述光谱仪光纤10，采用单模光纤，连接光谱接收光纤16与光谱分析仪8，用于将收集的激光诱导等离子体光谱传输至光谱分析仪8。

所述激光器光纤11，采用单模光纤，连接激光接收光纤头9与激光发射光纤头19，用于将激光传输至探测器13中。

所述光谱分析仪8，用于提取激光诱导等离子体光谱中土壤重金属种类及含量的相关信息，本系统光谱分析仪8采用海洋光学HR4000(海洋光学公司生产的一款光谱仪)高分辨率紫外光谱仪，具有操作简单、分辨率高、体积小等优点，满足本系统的需求。

所述上行数据线1，用于将光谱分析仪8中分析得出的土壤重金属信息送入计算机7中进行分析计算。

所述计算机7，用于接收光谱分析仪8送出的土壤重金属信息，进行分析计算得出土壤中含有重金属的种类及含量，并进行显示。

所述显示数据线3，用于将计算机7分析计算出的土壤重金属种类和含量信息以电信号送入显示器2进行显示输出。

所述显示器2，用于以直观的形式显示土壤重金属种类和含量的检测结果。

所述探测器外壳15，为空心圆柱，前端为空心圆锥，具有良好的密封性、耐腐蚀性，主要作用是保护系统元件，防止土壤中污染物进入系统，外壳长度可根据要检测的土壤深度自行设计。

所述探测器把手12，位于探测器13顶部，用于控制探测器13插入土壤内部，便于使用者控制使用探测器13。

所述探测器标尺14，刻画在探测器外壳15外侧，零刻度位于探测器13底部，用于精确掌握探测器13插入土壤深度，探测器13长度可根据实际测量需要进行调整。

所述光谱接收光纤头16，与光谱仪光纤10连接，用于接收由三号聚焦透镜17汇聚的激光诱导等离子体光谱，并将激光诱导等离子体光谱耦合送入光谱仪光纤10。

所述三号聚焦透镜17，用于将激光诱导等离子体光谱汇聚到光谱接收光纤头16，以完成激光诱导等离子体光谱的采集。

所述高反镜18，由于重金属的激光诱导等离子光谱多处于紫外波段，所以高反镜18为45度紫外波段高反镜，用于将激光诱导等离子光谱反射向三号聚焦透镜17所在方向。

所述激光发射光纤头19，与激光器光纤11连接，主要用于将激光从激光器光纤11中导出。

所述高反\高透镜20，用于改变系统中返回的激光诱导等离子光谱光路，高反\高透镜20正面为45度1064nm高透，背面为45度紫外波段高反，高反\高透镜20将激光诱导等离子光谱反射向高反镜18所在方向，而对1064nm的高重频激光没有影响。

所述二号聚焦透镜21，用于将激光汇聚到土壤样本表面，以产生等离子体23以及将等离子体23发出的激光诱导等离子体光谱进行汇聚，以提高信号强度。

所述石英镜片22，主要作用是将待测的土壤样本压实，防止土壤在激光的作用下飞溅，影响检测结果，同时可防止土壤中污染物从探测器前端进入，且对紫外波段的激光诱导等离子体光谱吸收很小，不会影响信号强度。

本发明工作过程及原理：高重频激光器5发出1064nm的高重频激光，经过一号聚焦透镜6汇聚到激光接收光纤头9，再由激光接收光纤头9耦合进激光器光纤11后传输进入探测器13，然后通过激光发射光纤头19导出，激光穿过高反\高透镜20，最后通过二号聚焦透镜21使激光穿过石英镜片22汇聚到土壤样本，聚焦的高能量激光会迅速使聚焦点周围的一小部分样品蒸发、电离，产生大量原子和离子，并进一步激发等离子体23，等离子体产生后会经历膨胀和冷却两个过程，等离子体23在冷却过程中会放出离子所产生的特征光谱，光谱中会包含土壤样本中重金属的元素特征谱线和强度信息，不同的重金属元素会被激发出不同波长的特征谱线，而特征谱线的强度由重金属的含量决定，所以通过分析计算激光诱导等离子体光谱中的特征谱线与强度信息，我们就可以得到土壤中重金属的种类与含量，这项技术被简称为LIBS技术(Laser-induced breakdown spectroscopy激光诱导等离子体光谱)。由等离子体23发出的激光诱导等离子体发散光谱经过二号聚焦透镜21的汇聚作用后，发散的激光诱导等离子体光谱聚集到高反\高透镜20，激光诱导等离子体的发散光谱处在紫外波段，经过高反\高透镜20被反射向高反镜18所在方向，再由高反镜18反射到三号聚焦透镜17，然后通过三号聚焦透镜17，激光诱导等离子体光谱被汇聚到光谱接收光纤头16，激光诱导等离子体光谱被耦合进光谱仪光纤10中，再由光谱仪光纤10传输至光谱分析仪8，光谱分析仪8分析出多组特征谱线与谱线强度，并以电信号由上行数据线1送入计算机7，计算机7会根据得到的特征谱线与谱线强度信息计算出土壤样本中重金属的种类与含量，最后通过显示数据线3将土壤重金属种类和含量信息以电信号送入显示器2进行显示输出。

实施例：

(1)建立神经网络模型分析计算软件：利用神经网络模型建立一个含有多种重金属特征谱线的数据库，并用软件实现将检测信息与数据库比对确定重金属种类，再利用软件拟合特征谱线强度与重金属含量的关系式，用来计算土壤重金属含量。

(2)选定待测土壤样本的区域与深度，并根据选定的深度找到探测器标尺14所对应的刻度，将探测器13插入待测区域土壤中，使土壤表层与对应刻度对齐。

(3)插入后稍用力按压探测器把手12将石英镜片22前端的土壤样本压实，以防止土壤在激光的作用下飞溅，影响激光诱导等离子体光谱的产生与收集。

(4)将土壤样本压实后，将探测器13向上抬起1～2mm，以给等离子体23膨胀的空间，以便顺利发出激光诱导等离子体光谱。

(5)打开系统高重频激光器5开关，使土壤样本产生等离子体23，获得重金属特征谱线与强度信息。

(6)在计算机7中将得到的重金属特征谱线与强度信息输入神经网络模型分析计算软件，对土壤样本中重金属种类与含量进行分析计算。

(7)最后将计算得到的重金属种类与含量通过显示器2进行显示。

Claims (3)

1.一种基于LIBS便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，其特征是，包括分析系统部分和探测器部分，分析系统包括高重频激光器、一号聚焦透镜、激光接收光纤头、光谱仪光纤、激光器光纤、光谱分析仪、上行数据线、计算机、显示数据线、显示器；探测器包括光谱接收光纤头、三号聚焦透镜、高反镜、激光发射光纤头、高反\高透镜、二号聚焦透镜、石英镜片；高重频激光器发出高重频激光，经过一号聚焦透镜汇聚到激光接收光纤头，再由激光接收光纤头耦合进激光器光纤后传输进入探测器，然后通过激光发射光纤头导出，激光穿过高反\高透镜，最后通过二号聚焦透镜使激光穿过石英镜片汇聚到土壤样本，并激发等离子体，等离子体冷却过程中会放出激光诱导等离子体光谱，光谱中会包含土壤样本中重金属的元素特征谱线和强度信息，由等离子体发出的激光诱导等离子体发散光谱经过二号聚焦透镜的汇聚作用后，发散的激光诱导等离子体光谱聚集到高反\高透镜，激光诱导等离子体的发散光谱处在紫外波段，经过高反\高透镜被反射向高反镜所在方向，再由高反镜反射到三号聚焦透镜，然后通过三号聚焦透镜，激光诱导等离子体光谱被汇聚到光谱接收光纤头，激光诱导等离子体光谱被耦合进光谱仪光纤中，再由光谱仪光纤传输至光谱分析仪，光谱分析仪分析出多组特征谱线与谱线强度，并以电信号由上行数据线送入计算机，计算机会根据得到的特征谱线与谱线强度信息计算出土壤样本中重金属的种类与含量，最后通过显示数据线将土壤重金属种类和含量信息以电信号送入显示器进行显示输出。

2.如权利要求1所述的基于LIBS便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，其特征是，还包括并探测器标尺和探测器把手，用于：根据选定的深度找到探测器标尺所对应的刻度，将探测器插入待测区域土壤中，使土壤表层与对应刻度对齐；插入后稍用力按压探测器把手将石英镜片前端的土壤样本压实，以防止土壤在激光的作用下飞溅，影响激光诱导等离子体光谱的产生与收集。

3.如权利要求1所述的基于LIBS便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，其特征是，计算机中设置有神经网络模型分析计算模块，用于利用神经网络模型建立一个含有多种重金属特征谱线的数据库，并实现将检测信息与数据库比对确定重金属种类，再拟合特征谱线强度与重金属含量的关系式，用来计算土壤重金属含量。