CN107422025B - 一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，属于微量元素检测领域，包括等离子体激发源发生系统、雾化系统、光谱检测系统和冷却系统。工作气体从放电管的上游注入，表面波等离子体激励器的能量耦合区域产生等离子体，且产生的表面波等离子体能够延展至放电管出口端；待测液体样品经气动雾化装置处理后形成气相样品，气相样品由引入口通过石英引入管引入到表面波等离子体中，待测样品中的元素经表面波等离子体激发产生特征光谱，由光纤探头在光谱检测的观测窗口接收，并传送到光谱仪，计算机分析待测样品的特征激发谱线，实现对待测样品中痕量待测元素的定性和定量分析。本发明能够提高微波等离子体对气相样品的承受力，装置结构简单、操作方便。

Description

一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置

技术领域

本发明属于微量元素检测领域，涉及一种检测样品中痕量的重金属或非金属成份的光谱仪，具体涉及一种用表面波等离子体作激发源的原子发射光谱仪。

背景技术

近年，有关重金属和非金属的污染事件屡见不鲜，且污染相当严重，对环境和生物的危害非常大。重金属能通过食物链富集，进入人体，对人体器脏的伤害是不可逆的，从而造成死亡，非金属污染同样对人体有很大伤害，严重时也会导致死亡。这些污染的来源极其广泛，涉及各行各业，主要包括金属冶炼、燃烧、电池、机械加工、化工合成等工业污染源，农药、肥料等过度滥用的农业污染源还有汽车尾气排放、废旧电池、破碎照明灯、生活污水等生活污染源。

现阶段，关于重金属的检测方法也很多，目前使用比较广泛的是以电感耦合等离子体作激发源的原子发射光谱仪，例如公开号为CN102759563B、CN103267754B、CN103196892B的发明专利均采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测样品中的重金属，但电感耦合等离子体作激发源，也有很大的局限性，一方面难以形成氦等离子体因而难以检测非金属元素，另一方面是在产生相同数值的电子密度和电子温度时其功耗很大，气耗量也大，作为检测仪器运转维护成本太高。所以电感耦合等离子体在实际的应用中有很大的局限性，不能被人们广泛接受。近年来发明专利CN1174991A、CN1018864B介绍的微波等离子体光谱检测装置在一定程度上弥补了电感耦合等离子体原子发射光谱仪难以检测非金属及各种因素导致的成本费用昂贵的问题，也解决了传统的微波等离子体对样品的承受能力太低的缺陷，但是为解决承受力问题将样品引入能量耦合装置时，结构太复杂，不易操作，而且当功率过高时，放电管易发热损坏，所造成的设备故障问题也没有得到彻底的解决。

发明内容

本发明针对现有技术中痕量检测设备的缺陷和不足，提出一种新的检测装置，该检测装置采用表面波等离子体激发源的样品侧向引入法。本发明不仅可以解决电感耦合等离子体光谱仪难以检测非金属元素和维护成本高的缺陷，还可以解决微波等离子体对样品承受能力太低和放电管在大功率下易发热损坏的问题，且仪器体系简单，易于操作。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，该痕量元素检测装置包括等离子体激发源发生系统1、雾化系统2、光谱检测系统3和冷却系统4。

所述的等离子体激发源发生系统1是在大气压下通过等离子体表面波放电获得的氩等离子体源，包括放电管7和表面波等离子体激励器15，所述的放电管7垂直插入表面波等离子体激励器15的耦合开口处。放电管7位于工作气体流动方向上游处的管口为工作气体进口5，放电管7内气体流动的上游段的内管壁紧贴管壁放置一个中空金属管6，中空金属管6从工作气体进口5处一直延伸到表面波等离子体激励器15附近，使产生的等离子体主要分布于工作气体的下游，不仅有利于待测气相样品的激发还能降低功耗。位于放电管7工作气体流动方向下游处的管口为出气口14，紧接出气口14的位置放置一个具有和放电管7内径相当的开孔的挡板13，挡板13用于改变放电管7出口端界面处的阻抗。在放电管7内气体流动的下游段侧壁上平行于轴线相距一定距离的位置处设有两个开孔，两个开孔在放电管7同侧排布，靠近表面波等离子体激励器15的开孔上串接一段石英引入管8，作为气相样品及其载气的引入口9；另一个开孔用一个透明的石英片密封作为光谱检测的观测窗口12。

所述的光谱检测系统3包括光纤探头11和光谱仪10。所述的光纤探头11位于光谱检测的观测窗口12处，并与光谱仪10连接，光谱仪10连接计算机。

所述的雾化系统2为气动雾化装置20，气动雾化装置20与气相样品及其载气的引入口9连通。

所述的冷却系统4包括液体冷却装置17或风冷装置16，根据实际需求选择，既可以同时使用，也可以选择其中一种冷却方式。当冷却系统4为液体冷却装置17时，所述的液体冷却装置17为设有冷却液体出口18和冷却液体进口19的石英管，套接固定在放电管7外围，位于产生热量的表面波等离子体激励器15的能量耦合区域处，即同放电管7一起垂直插入表面波等离子体激励器15的耦合开口处；所述的液体冷却装置17采用的冷却液体为对电磁波吸收少的无色液体正十四烯，通过流动的正十四烯带走放电管产生的热量，达到冷却的目的。当冷却系统4为风冷装置16时，所述的风冷装置16位于放电管7的工作气体流动方向的下游，临近表面波等离子体激励器15的能量耦合区域，风冷装置16的出气口正对放电管7，吹气形成气体流动带走放电管7产生的热量，达到冷却的目的。

工作气体从放电管7的上游注入，在微波功率的注入下等离子体首先在表面波等离子体激励器15的能量耦合区域产生，随着功率的增加等离子体在放电管7内的长度增加，等离子体在能量耦合区域外的维持是靠沿着等离子体和管壁传播的表面电磁波实现，表面波等离子体能够延展至放电管7的出口端。待测液体样品经气动雾化装置20处理后形成气相样品，气相样品由引入口9通过石英引入管8引入到表面波等离子体中，待测样品中的元素经表面波等离子体激发产生特征光谱由光纤探头11在光谱检测的观测窗口12接收，并传送到光谱仪10，通过与光谱仪10连接的计算机分析待测样品的特征激发谱线，实现对待测样品中痕量待测元素的定性和定量分析。

所述的放电管7采用耐高温的电介质材料，包括陶瓷管或石英管。

所述的挡板13的材料为金属材质或与放电管7具有不同介电常数的介电材料。当挡板13为金属材质时，所述的放电管7上与观测窗口12对应的开孔根据实际需要选择设置于在气相样品及其载气的引入口9及出气口14之间，距离出气口14四分之一个表面波波长的偶数倍(包括0)形成驻波波腹的位置附近；金属材质具体包括不锈钢、铝、铜等导电性好的金属材料。当挡板13为介电材料时，所述的放电管7上与观测窗口12对应的开孔根据实际需要选择设置于在气相样品及其载气的引入口9及出气口14之间距离出气口14四分之一个表面波波长的奇数倍形成驻波波腹的位置附近。

所述的工作气体、气相样品的载气为氩气。

所述的等离子体激发源发生系统1的微波频率为2.45GHZ的表面波激励等离子体，即大气压下表面波等离子体放电采用的微波频率为2.45GHZ，生成表面波等离子体的工作气体为氩气，待测样品的载气也是氩气，这样避免引入其他元素而使发射光谱过于复杂，不利于光谱分析。

所述的等离子体激发源发生系统1的工作模式采用连续模式或者脉冲模式，相对来说，在连续模式下，放电管的发热比较严重，对冷却的要求比较高，但是微波等离子体激励器的造价较低；采用脉冲模式工作，当平均功率一样时，脉冲模式下的瞬时功率更高，更有利于增加对待测元素的激发强度，而且在这种工作模式下放电管的发热现象得到一定的减缓，但整个系统的造价会相应增加。

本发明的工作设计原理为：

在放电管7内气体流动的下游段侧壁上平行于轴线相距一定距离的位置处设有两个开孔，组合设置开孔的益处是使放电管7穿过表面波等离子体激励器时不会因微波等离子体耦合处的能量密度过大而导致陶瓷管局部发生热损坏及电击穿，用透明石英片密封可阻止周围空气的进入，进而降低对发射光谱的干扰。另外，与气相样品及其载气引入口9和元素的光谱检测的观测窗口12对应的两个开孔在放电管7同侧排布的方式，能最大限度的减少由于在放电管7管壁开口产生的放电管7内表面的不连续性对表面波传输的影响。

气相样品及其载气由放电管7的下游离表面波等离子体激励器15较近的开孔串接的石英引入管8引入，因为在工作气体流动方向的下游的石英引入管引入气相样品，避开了微波等离子体耦合区域，所以这样引入的气相样品，不会干扰等离子体放电的主体区域，就不会使等离子体放电发生完全猝灭的情况，这样的引入方式可以提高能量耦合效率和等离子体对样品的耐受力。

在等离子体放电管下游的出口端对接一个具有和放电管7内径相当的开孔的挡板13，放置挡板13的目的是改变放电管出口端界面处的阻抗，表面波在其界面处以不同的比例反射，从而在放电管7的内部形成不同驻波比的入射和反射波的叠加，可以在放电管7中找到一个注入待测样品的最佳激发区，即等离子体电子密度最高的驻波波腹的区域。还有，不同于其他的痕量检测装置，本申请把样品光谱检测的观测窗口放置在了气相样品及其载气引入口和放电管下游出口端的中间区域的合适位置，这样大大避免了因周围空气的卷入而对发射光谱的干扰，使信噪比提高，检测更加灵敏。

本发明的有益效果为：在大气压下的氩等离子体表面波放电作为气体样品的激发源，可以用较小气流和较低微波功率产生微波诱导等离子体，放电稳定性更强，再现性和可控性更好。因为微波功率和气体流量的调控窗口都很大，且能够外部操作，所以样品在等离子体柱中的停留时间不仅可以通过气体流量而且还可以通过微波功率调节，使气体样品与等离子体充分作用，操作既方便又灵活，检测更加灵敏。基于表面波等离子体的传输和激发特性，将气体样品在等离子体放电管的下游侧向引入，避开微波能量耦合装置，这样，在保证了能量耦合效率和维持放电稳定性的情况下，不仅能够提高微波等离子体对气相样品的承受力，而且装置简单操作方便。总之，本发明能够解决电感耦合等离子体原子发射光谱仪的缺点，也能够弥补传统微波等离子体光谱仪的不足。

附图说明

图1为本发明设有液体冷却装置的痕量元素检测装置中液体冷却装置的结构图。

图2为本发明设有风冷装置的痕量元素检测装置结构示意图。

图3为本发明设有液体冷却装置的痕量元素检测装置的侧视剖面图，剖视方向对应图1中A-A箭头所指方向。

图中：1等离子体激发源发生系统；2雾化系统；3光谱检测系统；4冷却系统；5工作气体进口；6中空金属管；7放电管；8石英引入管；9引入口；10光谱仪；11光纤探头；12观测窗口；13挡板；14气体出口；15表面波等离子体激励器；16风冷装置；17液体冷却装置；18冷却液体出口；19冷却液体进口；20气动雾化装置。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置主要包括等离子体激发源发生系统1、雾化系统2、光谱检测系统3及冷却系统4。

痕量元素检测装置进行痕量元素检测，等离子体激发源发生系统1，主要负责在大气压下通过等离子体表面波放电获得氩等离子体源；雾化系统2，主要负责雾化液态的待测样品，将液态样品转化成气相样品，由载气与气相样品引入口9通入放电管7，使待测气相样品与等离子体在放电管7中相互作用从而激发待测样品中元素的特征光谱；光谱检测系统3主要通过光纤探头11接收发射光谱，传送到光谱仪10，通过与光谱仪10连接的计算机分析这些样品的特征激发谱线，实现对待测样品中痕量元素的定性定量分析。

等离子体激发源发生系统1，主要包括表面波等离子体激励器15和放电管7。因为陶瓷管的耐热性更好，所以放电管7采用陶瓷管。放电管7作为能量耦合部件插入表面波等离子体激励器15中，放电管7位于工作气体流动方向的上游的管口为工作气体进口5，在放电管7内气体流动的上游段的内管壁紧贴管壁放置一个薄的中空金属管6，薄的中空金属管6从工作气体的进气口5一直延伸到表面波等离子体激励器15附近，位于工作气体流动方向的下游的石英引入管8为载气和气相样品的引入口9，位于放电管7的载气与气相样品引入口9的同侧与之相邻的用透明石英片密封的陶瓷管开孔为光谱检测的观测窗口12，位于工作气体流动方向的下游的放电管7的气体出口14排出放电管中注入的气体，在工作气体流动方向的下游的放电管7的出口位置可以放置一个具有和陶瓷管内径相当的开孔的挡板13，挡板13可以是具有不同介电常数的介电材料或者是金属材质，这样我们可以在放电管中确定一个注入待测气相样品的最佳激发区，即等离子体电子密度最高的驻波波腹的区域，光谱检测的观测窗口12位于载气与气相样品引入口9和放电管的气体出口14之间的一个位置，把样品的检测区域放在离管口有一定距离的放电管7内，大大减小了因周围空气的卷入而对发射光谱的干扰，使信噪比提高，检测更加灵敏。

雾化系统2，主要包括气动雾化装置20，将待测液态样品进行雾化处理成为气相样品，经载气与气相样品引入口9通入放电管7。

光谱检测系统3主要包括相连的光谱仪10和光纤探头11，光纤探头11安放在光谱检测的观测窗口12处。

冷却系统4包括液体冷却装置17和气冷装置16。液体冷却装置17放置在表面波等离子体激励器15的能量耦合区域，液体冷却装置17是在放电管7的外围套一个带有冷却液体出口18和冷却液体进口19的石英管，石英管为下进上出结构，石英管的两端与放电管7密封，利用流动的冷却液体正十四烯带走放电管7内产生的热量；气冷装置16，在等离子体放电管7的下游接近表面波等离子体激励器的能量耦合区域的附近的位置，用一个吹气装置形成一个气体流动带走放电管7产生的热量，而达到冷却的目的。

具体使用时，先启动气冷装置16和液体冷却装置17，液体冷却装置17的正十四烯从冷却液体进口19进入，对放电管7进行冷却，冷却装置可以根据实际的需求选择，可以同时使用，也可以选择其一；工作气体氩气在工作气体进口5进入放电管7，开启微波功率源使之工作于脉冲模式或连续模式，在微波功率的激发下等离子体首先在微波等离子体能量耦合区域产生，随着功率的增加等离子体在放电管7内的长度增加，形成了具有一定空间长度的氩等离子体激发源；待测液体样品经气动雾化装置20处理后形成气相待测样品，在放电管7的载气与气相样品引入口9送入等离子体作用区，被测样品中的元素经表面波等离子体激发产生特征光谱，经光纤探头11接收这些谱线，传送到光谱仪10，通过与光谱仪连接的计算机分析这些样品的特征激发谱线，实现对待测样品中痕量元素的定性和定量分析；尾气从出气口14排出。待测气相样品与表面波等离子体的作用时间可以根据实际情况通过气体流量和功率来调节。

Claims (10)

1.一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的痕量元素检测装置包括等离子体激发源发生系统(1)、雾化系统(2)、光谱检测系统(3)和冷却系统(4)；

所述的等离子体激发源发生系统(1)包括放电管(7)和表面波等离子体激励器(15)，放电管(7)垂直插入表面波等离子体激励器(15)的耦合开口处；放电管(7)的位于工作气体流动方向上游处的管口为工作气体进口(5)，放电管(7)内气体流动的上游段的紧贴内管壁放置一个中空金属管(6)，中空金属管(6)从工作气体进口(5)处一直延伸到表面波等离子体激励器(15)附近；位于放电管(7)工作气体流动方向下游处的管口为出气口(14)，紧接出气口(14)的位置放置一个具有和放电管(7)内径相当的开孔的挡板(13)，挡板(13)用于改变放电管(7)出口端界面处的阻抗；在放电管(7)内气体流动的下游段侧壁上平行于轴线的两个位置设有两个开孔，两个开孔在放电管(7)同侧排布，靠近表面波等离子体激励器(15)的开孔上串接石英引入管(8)，作为气相样品及其载气的引入口(9)；另一个开孔用一个透明的石英片密封作为光谱检测的观测窗口(12)；

所述的光谱检测系统(3)包括光纤探头(11)和光谱仪(10)；光纤探头(11)位于光谱检测的观测窗口(12)处，并与光谱仪(10)连接，光谱仪(10)连接计算机；

所述的雾化系统(2)为气动雾化装置(20)，气动雾化装置(20)与气相样品及其载气的引入口(9)连通；

所述的冷却系统(4)包括风冷装置(16)、液体冷却装置(17)，两种冷却装置可以同时使用，也可以择一使用；所述的风冷装置(16)位于放电管(7)的工作气体流动方向的下游，所述的液体冷却装置(17)位于产生热量的表面波等离子体激励器(15)的能量耦合区域处；

工作气体从放电管(7)的上游注入，在表面波等离子体激励器(15)的能量耦合区域产生等离子体，且产生的表面波等离子体能够延展至放电管(7)的出口端；待测液体样品经气动雾化装置(20)处理后形成气相样品，气相样品由引入口(9)通过石英引入管(8)引入到表面波等离子体中，待测样品中的元素经表面波等离子体激发产生特征光谱，由光纤探头(11)在光谱检测的观测窗口(12)接收，并传送到光谱仪(10)，计算机分析待测样品的特征激发谱线，实现对待测样品中痕量待测元素的定性和定量分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的挡板是金属材质或与放电管(7)具有不同介电常数的介电材料；当挡板(13)为金属材质时，所述的放电管(7)上与观测窗口(12)对应的开孔设置于气相样品及其载气的引入口(9)及出气口(14)之间，距离出气口(14)四分之一个表面波波长的偶数倍的位置附近；当挡板(13)为介电材料时，所述的放电管(7)上与观测窗口(12)对应的开孔设置于气相样品及其载气的引入口(9)及出气口(14)之间，距离出气口(14)四分之一个表面波波长的奇数倍的位置附近。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的等离子体激发源发生系统(1)的工作模式采用连续模式或者脉冲模式；所述的等离子体激发源发生系统(1)的微波频率为2.45GHZ。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的液体冷却装置(17)为设有冷却液体进口(19)和冷却液体出口(18)的石英管，套接固定在放电管(7)外围，同放电管(7)一起垂直插入表面波等离子体激励器(15)的耦合开口处；所述的液体冷却装置(17)采用的冷却液体为正十四烯；所述的风冷装置(16)临近表面波等离子体激励器(15)的能量耦合区域，风冷装置(16)的出气口正对放电管(7)。

5.根据权利要求3所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的液体冷却装置(17)为设有冷却液体进口(19)和冷却液体出口(18)的石英管，套接固定在放电管(7)外围，同放电管(7)一起垂直插入表面波等离子体激励器(15)的耦合开口处；所述的液体冷却装置(17)采用的冷却液体为正十四烯；所述的风冷装置(16)临近表面波等离子体激励器(15)的能量耦合区域，风冷装置(16)的出气口正对放电管(7)。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的工作气体、气相样品的载气为氩气。

7.根据权利要求3所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的工作气体、气相样品的载气为氩气。

8.根据权利要求1或2或5或7所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的放电管(7)采用耐高温的电介质材料，包括陶瓷管或石英管。

9.根据权利要求3所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的放电管(7)采用耐高温的电介质材料，包括陶瓷管或石英管。

10.根据权利要求6所述的一种基于等离子体表面波激发的痕量元素检测装置，其特征在于，所述的放电管(7)采用耐高温的电介质材料，包括陶瓷管或石英管。