CN106645072B - 一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，该分析仪器包括光源、光源腔体、入射透镜、入射狭缝、光腔体、光电探测器座和光陷阱；光源纵向固定设置在光源腔体内，光源发出光在光源腔体内传播并发射到固定连接在光源腔体一侧的入射透镜，经入射透镜出射的光经入射狭缝发射到光腔体，光腔体顶部和底部分别对应设置有进气口和出气口，光腔体一侧开设有荧光窗，荧光窗上固定设置滤光片，对应荧光窗的出光位置设置有用于放置光电探测器的光电探测器座，光电探测器用于检测经光源激发气态汞样品产生的原子荧光，经光腔体出射的入射光进入光陷阱内被吸收。本发明可以广泛应用于大气中气态总汞浓度的监测。

Description

一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器

技术领域

本发明是关于一种用于长期监测大气中气态总汞浓度(TGM)的具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，涉及大气监测技术领域。

背景技术

汞及其化合物是一种具有生物毒性的单质气态，在大气中以气态元素汞(TGM)为主要组成形态。大气中的汞污染物质具有惰性、难溶，沉降后再次挥发等物理性质，在大气中能够长达一年以上的停留，易发生长距离传输与跨界污染，同时具有较大的生物毒性，值得强烈关注。对大气中的气态汞元素进行定量分析主要分为富集和分析。富集方法主要采用化学法和金汞齐富集法，其中，金汞齐富集法主要利用例如金、银等贵金属与汞形成汞齐的化学过程而被富集下来，并在一定的温度下加热解吸并进行测量。该方法对于大气汞有非常高的捕集效率，而且体积小结构简单，吸附剂可以重复利用，被广泛运用于各种气态汞的富集方法中。

现有大气气态汞的分析方法中，比较常用的方法有冷原子-原子吸收法(CVAAS)，利用气态汞在波长253.7nm处的紫外吸收进行定量；塞曼效应原子吸收法：基于冷原子-原子吸收法，利用光源在253.7nm处产生的塞曼效应对光源背景值进行校正，相比原子吸收法能够获得更高的检出灵敏度；冷原子-原子荧光法(CVAFS)，利用气态汞在波长253.7nm处的共振荧光进行定量，相比原子吸收法能够极大地提高选择性与检出限，是目前对于大气汞监测的最主要的方法。大气气态汞的测定标准方法为金汞齐富集-热解析-原子荧光法，这种方法虽然能够对大气中的汞进行比较准确的测定，但是其测定时间周期长，消耗大，需要大量人力操作，并不适用于现代的环境自动监测的要求，因此大气气态汞的自动监测技术得到了发展迅速，基于冷原子吸收与冷原子荧光法的自动监测的仪器已经开发出来。目前商品化的大气自动测汞仪有Tekran 2537，Gardis-5，Thermo 80i等。目前这些仪器虽然能够取得与离线观测同样的精度，但是由于其主要的关注点在环境定点观测上，因此仪器大多在体积重量上较大较重，不便于移动观测，目前也没有能够运用于移动观测大气汞的商品化仪器。

目前对于大气气态汞监测的研究主要集中在定点监测与排放源监测，浓度观测很大程度上依托于采样地点选址，只能做定点的时间序列变化的研究，而对于空间分布的变化研究，由于目前的观测仪器体积、重量、使用条件上的限制，还很难开展类似的工作。因此有必要开发一种新仪器，改善仪器的体积重量，以便于将其用于各种移动观测的环境监测中。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种重量小、体积轻，可以用于各种移动观测环境的具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，该分析仪器包括光源、光源腔体、入射透镜、入射狭缝、光腔体、光电探测器座和光陷阱；所述光源纵向固定设置在所述光源腔体内，所述光源发出光在所述光源腔体内传播并发射到固定连接在所述光源腔体一侧的入射透镜，经所述入射透镜出射的光经所述入射狭缝发射到所述光腔体，所述光腔体顶部和底部分别对应设置有进气口和出气口，所述光腔体一侧开设有荧光窗，所述荧光窗上固定设置有滤光片，对应所述荧光窗的出光位置设置有用于放置光电探测器的所述光电探测器座，所述光电探测器用于检测经所述光源激发气态汞样品产生的原子荧光，经所述光腔体出射的入射光进入所述光陷阱内被吸收。

优选地，所述光源与光陷阱之间的连线与所述荧光窗与光电探测器之间的连线相互垂直，且所述光源与光陷阱之间的连线与所述光腔体的进气口与出气口之间的连线正交垂直。

优选地，所述光源采用1500V笔形汞灯，最大辐射波长为253.7nm，所述笔形汞灯发光区域长度为20～40mm。

优选地，所述入射透镜采用熔融石英透镜，焦距小于所述光腔体长度。

优选地，所述入射透镜和入射狭缝通过形状为矩形或圆角矩形的结构件进行支撑，所述结构件上设置有一用于固定所述入射透镜的圆形凹槽，且位于所述圆形凹槽后端的结构件上开设有入射狭缝，所述入射狭缝为线状狭缝，宽度为所述光源内部电弧亮线宽度。

优选地，所述光源腔体采用横截面为T型的空心结构件，所述光源腔体的内部截面为矩形或圆角矩形结构，所述光源腔体的T型开口处固定连接所述结构件。

优选地，所述光陷阱包括光陷阱座和光陷阱芯体，所述光陷阱芯体固定插设在所述光陷阱座内；所述光陷阱座采用矩形或圆角矩形的锥形设计，即内部垂直截面为矩形或圆角矩形，并沿光路传播方向呈一定的收缩角，收缩角小于等于15°，所述光陷阱座顶部设置一吹扫气口；所述光陷阱芯体截面为矩形或圆角矩形，与所述光陷阱座结构相对应，沿光路方向呈一定的放大角，放大角小于等于15°。

优选地，所述光陷阱座、光陷阱芯体、光源腔体和光腔体内部均采用阳极氧化发黑喷砂处理。

优选地，所述光电探测器采用光电倍增管。

优选地，所有器件的接口处均设置有用于密封的O型圈槽，使得所述光腔体内部达到真空，所述光腔体采用空心长方体结构件，所述光腔体的形状与所述光源腔体的光通道形状保持一致，且所述光腔体宽度为所述光源腔体的宽度的三倍。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的光源光线不再汇聚为点状而呈现线状，与气态汞样品流动气路保持一致，气态汞在流动路线上与线状光源光交汇，能够有更大的受光面积而产生更多的原子荧光，从而提高仪器的信号检出灵敏度。2、本发明在光腔体内部沿光路行进方向将形状约束为矩形，保证仪器正常工作的同时相对削减了传统设计中无效的光腔体积，以达到光腔体积利用率的最大化，同时能够达到削减仪器整体重量与体积的目的。3、针对仪器原有设计中背景噪音问题，本发明加入了矩形光陷阱设计，将入射光约束在光陷阱之中，在光线氧化发黑处理的表面上来回反射而被吸收，抑制其漫反射作用而从而降低入射光进入检测器的数量，有效地降低了背景信号。4、本发明的光陷阱采用了矩形或圆角矩形的锥形设计，能最大程度地契合线状光源的形状，使得入射光能够高效地被吸收，同时保证光陷阱的体积合理。5、本发明整体采用真空设计，在仪器运行过程中光腔体内部能够保证一定的真空度，使得气态汞的原子荧光猝灭作用得到削弱，能够增强原子荧光的产量，提高检出精度。综上，本发明可以广泛应用于大气中气态总汞浓度的监测。

附图说明

图1是本发明的大气在线汞分析仪器的结构示意图；

图2是本发明的大气在线汞分析仪器内部结构剖面示意图；

图3是本发明的光陷阱座的结构示意图；

图4(a)是本发明的光陷阱芯体的结构示意图；

图4(b)是本发明的光陷阱芯体的侧视示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明提供的具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，包括光源1、光源腔体2、入射透镜3、入射狭缝4、光腔体5、荧光窗6、滤光片、光电倍增管7和光陷阱8。

光源1纵向固定设置在光源腔体2内，光源1发出光在光源腔体2内传播并发射到固定连接在光源腔体2一侧的入射透镜3，光源1发出的光经入射透镜3汇聚为收束的线状，并经入射狭缝4发射到光腔体5内。光腔体5的顶部和底部分别对应设置有进气口51和出气口52，光腔体5的一侧设置有荧光窗6，荧光窗6上固定设置有滤光片，对应荧光窗6的出光位置设置有用于放置光电倍增管7的光电倍增管座71，光电倍增管7用于检测经光源1激发气态汞样品产生的原子荧光，经光腔体5出射的入射光进入光陷阱8内被吸收。

在一个优选的实施例中，光源1与光陷阱8之间的连线与荧光窗6与光电倍增管7之间的连线相互垂直，且光源1与光陷阱8之间的连线与光腔体5的进气口51与出气口52之间的连线正交垂直。

在一个优选的实施例中，光源1可以采用1500V笔形汞灯，最大辐射波长为253.7nm，笔形汞灯发光区域长度为20～40mm。

在一个优选的实施例中，入射透镜3可以采用熔融石英透镜，焦距小于光腔体5长度。实验表明入射透镜3的焦距为光腔体3长度的一半，从入射狭缝4到荧光窗6的距离的一倍时能够达到最好的效果。

在一个优选的实施例中，滤光片中心波长的选择可以根据气态汞样品被激发产生的荧光波长进行确定，本发明实施例可以采用中心波长为253nm的带通紫外滤光片。

在一个优选的实施例中，光电倍增管7可以采用与光源1波长匹配的日盲光电倍增管，或者光电倍增管7可以采用其他能够检测到荧光的光电探测器，在此不做限定，可以根据需要进行选择。

在一个优选的实施例中，入射透镜3和入射狭缝4可以通过形状为矩形或圆角矩形的结构件31进行支撑，结构件31上设置有一用于固定入射透镜3的圆形凹槽，且位于圆形凹槽后端的结构件上开设有入射狭缝4，入射狭缝4可以为线状狭缝，宽度限制为汞灯光源内部电弧亮线宽度，因此能够很好抑制光源通过入射透镜3后产生的次级折射。

在一个优选的实施例中，如图1所示，光源腔体2可以采用横截面为T型的空心结构件，光源腔体2的内部截面可以为矩形或圆角矩形结构，光源腔体2的一侧T型开口处固定连接用于放置入射透镜3的结构件31。

在一个优选的实施例中，如图3、图4所示，光陷阱8用于将不需要的入射光进行吸收，其结构包括光陷阱座81和光陷阱芯体82，光陷阱座81采用了矩形或圆角矩形的锥形设计，即内部垂直截面为矩形或圆角矩形，并沿光路传播方向呈一定的收缩角，收缩角小于等于15°，光陷阱座81顶部设置一吹扫气口83。光陷阱芯体82截面为矩形或圆角矩形，与光陷阱座81结构相对应，沿光路方向呈一定的放大角，放大角小于等于15°，光陷阱芯体82固定插设在光陷阱座81内。光陷阱座81和光陷阱芯体82的侧面均为圆角矩形，目的是与光源入射光的形状保持一致，能够让光源入射光得到最大比例的吸收，同时保证光陷阱的体积较小。将光陷阱座81与光陷阱芯体82插设固定成一体后，光陷阱8在XY面呈现W形结构(如图2所示)，因此可以将光源光分散限制在光陷阱8中。为了保证光陷阱8的效率，本发明的光陷阱8内部成一定程度的倾斜，能够保证入射光进入光陷阱后至少反射6次以上才能够离开光陷阱，另外，本发明的光陷阱座81和光陷阱芯体82内部均采用阳极氧化发黑喷砂处理，能够加强入射光反射时被吸收的比例。

在一个优选的实施例中，光源腔体2和光腔体5内部也可以采用阳极氧化喷砂发黑处理。

在一个优选的实施例中，荧光窗6可以为圆角矩形，荧光窗6的大小与光电倍增管7的监测区域保持一致。

在一个优选的实施例中，本发明的所有器件的接口处均可以设置有用于密封的O型圈槽，这样可以使得光腔体5内部达到真空，增强原子荧光的产量。

在一个优选的实施例中，光腔体5可以采用空心长方体结构件，光腔体5的形状与光源腔体2的光通道形状保持一致，但是光腔体5宽度为光源腔体2的宽度的3倍，保证了光源光在行进过程中尽量少地接触光腔体5的侧壁，有效减少光源背景。光腔体5的长度为从入射狭缝4到荧光窗6距离的三倍，这样可以在仪器的大小与背景信号之间取得较好的平衡。

本发明的具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器采用原子荧光法原理，样品中的气态汞原子在波长为253.7nm的紫外光源1激发下发出与入射光源相同波长的荧光，并将荧光通过荧光窗6的滤光片发射到光电倍增管7进行检测，利用荧光发射的无向性对荧光完成测量。

如图2所示，本发明的具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器工作时，气态汞样品从光腔体5的进气口51吹入光腔体内，并在光源腔体5的出气口52被气泵抽走，当气态汞样品在进出口的区间之间流动时，在荧光窗6区域前与经入射狭缝4入射的光源1发出的光相遇，气态汞样品经激发产生原子荧光，原子荧光通过设置在荧光窗6的滤光片进入光电倍增管7，从而让荧光信号得以检出，由于光源1发出的光通过入射狭缝4后呈现线形，因此在气态汞样品与光源相遇的线形区域均会有荧光产生。另外，本发明通过搭配原有分析仪的气路对标准汞蒸汽的实验表明，本发明的仪器能够使得原有仪器的检出限减少为一半，用于正常分析过程中，本发明能够提高一倍的时间分辨率，与原有仪器相比，本发明仪器体积与重量只有原仪器器的三分之一的体积与二分之一的重量，可以用于各种移动观测环境。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，该分析仪器包括光源、光源腔体、入射透镜、入射狭缝、光腔体、光电探测器座和光陷阱；

所述光源纵向固定设置在所述光源腔体内，所述光源发出光在所述光源腔体内传播并发射到固定连接在所述光源腔体一侧的入射透镜，经所述入射透镜出射的光经所述入射狭缝发射到所述光腔体，所述光腔体顶部和底部分别对应设置有进气口和出气口，所述光腔体一侧开设有荧光窗，所述荧光窗上固定设置有滤光片，对应所述荧光窗的出光位置设置有用于放置光电探测器的所述光电探测器座，所述光电探测器用于检测经所述光源激发气态汞样品产生的原子荧光，经所述光腔体出射的入射光进入所述光陷阱内被吸收；

所述光陷阱包括光陷阱座和光陷阱芯体，所述光陷阱芯体固定插设在所述光陷阱座内；

所述光陷阱座采用矩形或圆角矩形的锥形设计，即内部垂直截面为矩形或圆角矩形，并沿光路传播方向呈一定的收缩角，收缩角小于等于15°，所述光陷阱座顶部设置一吹扫气口；

所述光陷阱芯体截面为矩形或圆角矩形，与所述光陷阱座结构相对应，沿光路方向呈一定的放大角，放大角小于等于15°。

2.如权利要求1所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述光源与光陷阱之间的连线与所述荧光窗与光电探测器之间的连线相互垂直，且所述光源与光陷阱之间的连线与所述光腔体的进气口与出气口之间的连线正交垂直。

3.如权利要求1所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述光源采用1500V笔形汞灯，最大辐射波长为253.7nm，所述笔形汞灯发光区域长度为20～40mm。

4.如权利要求1所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述入射透镜采用熔融石英透镜，焦距小于所述光腔体长度。

5.如权利要求1到4任一项所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述入射透镜和入射狭缝通过形状为矩形或圆角矩形的结构件进行支撑，所述结构件上设置有一用于固定所述入射透镜的圆形凹槽，且位于所述圆形凹槽后端的结构件上开设有入射狭缝，所述入射狭缝为线状狭缝，宽度为所述光源内部电弧亮线宽度。

6.如权利要求5所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述光源腔体采用横截面为T型的空心结构件，所述光源腔体的内部截面为矩形或圆角矩形结构，所述光源腔体的T型开口处固定连接所述结构件。

7.如权利要求5所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述光陷阱座、光陷阱芯体、光源腔体和光腔体内部均采用阳极氧化发黑喷砂处理。

8.如权利要求1到4任一项所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所述光电探测器采用光电倍增管。

9.如权利要求1到4任一项所述的一种具有光陷阱组件的大气在线汞分析仪器，其特征在于，所有器件的接口处均设置有用于密封的O型圈槽，使得所述光腔体内部达到真空，所述光腔体采用空心长方体结构件，所述光腔体的形状与所述光源腔体的光通道形状保持一致，且所述光腔体宽度为所述光源腔体的宽度的三倍。