CN107831159A - 一种气溶胶中金属元素的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气溶胶中金属元素的检测装置，包括激光发射单元、样品容置单元、探测单元、分析单元和电源，探测单元包括激光反射镜、激光聚焦透镜、反射光聚焦透镜和光纤准直镜，激光发射单元的激光头与激光反射镜的中心位于同一第一直线上，激光反射镜、激光聚焦透镜和样品容置单元的中心处于同一第二直线上，样品容置单元的中心与反射光聚焦透镜、光纤准直镜的中心位于同一第三水平线上，第一直线与第二直线垂直，第二直线与第三直线垂直，分析单元与光纤准直镜连接，电源分别与激光发射单元、分析单元电连接。本发明能对气溶胶中金属元素和含量进行快速的定性分析和检测，具有良好实用性。

Description

一种气溶胶中金属元素的检测装置

技术领域

本发明涉及一种化学元素检测装置，更具体地涉及一种气溶胶中金属元素的检测装置。

背景技术

气溶胶通常是指由固体或液体小颗粒分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。气溶胶形成的原因多种多种，气溶胶的宏观表现形式通常包括：由小液滴形成的雾、由固体小颗粒形成的烟、天空中的云、采矿尘埃、工业烟气以及汽车尾气等，尤其是在核工业中，核爆会产生大量的放射性气溶胶，在核燃料生产、运输、加工以及乏燃料的后处理等过程中，也会产生少量的放射性气溶胶，这些气溶胶中往往伴随有其它重金属元素和有毒元素，如铍(Be)等。大气污染源之一的雾霾里面既有液体也有固体。气溶胶中的固体或液体小颗粒与气体介质的密度不固定，不同条件和环境中形成的气溶胶差别很大，其中的元素种类和含量也显著不同。气溶胶中固体颗粒的形态也多种多样，颗粒的粒径大小一般介于0.001微米到100微米之间。因此，研究和了解气溶胶中金属元素的种类和含量对调查污染的起因、空气净化、安全防护、以及环境保护等方面具有非常重要的意义。

现有技术中常用的检测方法是通过将气溶胶中的重金属元素富集到滤膜上，然后把滤膜带到实验室，再进行硝解溶解，用ICP-MS(Inductively coupled plasma massspectrometry)或ICP-AES(Inductively coupled plasma atomic emissionspectrometer)等检测技术进行检测，但这些检测技术的检测过程耗费时间长，检测速度慢。

激光诱导击穿光谱技术(laser induce breakdown spectroscopy，简称LIBS技术)是近几十年兴起的一种新型原子发射光谱分析技术。脉冲激光经过透镜聚焦于气溶胶样品上，当脉冲激光的脉冲能量密度大于击穿门槛能量时，气溶胶样品内原子和分子激发或离子化形成等离子体。等离子体冷却过程中，部分能量以光的形式辐射出来，其频率和强度分布分别包含了气溶胶样品中金属元素的种类和浓度信息。由于LIBS技术在检测时不需要样品准备和预处理，因此LIBS技术具有检测快速以及非接触即可测量的优点，因此，可以在一定的距离范围内使用该技术对气溶胶样品中金属元素的种类和浓度信息进行远距离实时、在线检测。

化学元素种类和含量的在线、自动、实时检测在许多工业生产或者行业检测中具有广泛的应用前景，特别是在高温、有毒、或放射性环境条件下，人工检测会对操作人员造成人身损害，常规检测分析仪器无法胜任。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，以其快速响应，无需样品制备等特点，使其应用于化学元素的在线检测成为可能。LIBS技术本身已经日趋成熟。但是，如何应用该技术进行气溶胶中含义反射性元素以及有毒金属元素的检测，目前，并没有相关的设计和商业产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种气溶胶中金属元素的检测装置，从而解决现有技术中在检测含义放射性元素以及有毒金属元素的气溶胶时效率低下的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种气溶胶中金属元素的检测装置，所述检测装置包括：激光发射单元，所述激光发射单元具有激光头；样品容置单元；探测单元，所述探测单元包括一激光反射镜、一激光聚焦透镜、一反射光聚焦透镜以及一光纤准直镜，所述激光发射单元的所述激光头与所述激光反射镜的中心位于同一第一直线上，所述激光反射镜、所述激光聚焦透镜以及所述样品容置单元的中心处于同一第二直线上，所述样品容置单元的中心与所述反射光聚焦透镜、所述光纤准直镜的中心位于同一第三水平线上，所述第一直线与所述第二直线垂直，所述第二直线与所述第三直线垂直；分析单元，所述分析单元与所述光纤准直镜连接；以及电源，所述电源分别与所述激光发射单元、所述分析单元电连接。

根据本发明的一个实施例，所述样品容置单元为四通球形石英样品仓，所述四通球形石英样品仓具有相对布置的第一开口、第二开口、第三开口以及第四开口，其中，第一开口以及第四开口处通过石英窗密封，所述石英窗的中心位于所述第二直线上。

根据本发明的一个实施例，所述四通球形石英样品仓的第四开口处形成为凹槽，所述凹槽内容置激光消光液。

根据本发明的一个实施例，所述检测装置进一步包括抽气泵，所述抽气泵具有进气口与排气口，其中，所述进气口与所述第三开口密封连接。

根据本发明的一个实施例，所述检测装置进一步包括外壳，所述外壳内容置所述激光发射单元、所述样品容置单元、所述探测单元、所述分析单元以及所述电源。

根据本发明的一个实施例，所述外壳上设置有进气孔与排气孔，其中，所述进气孔与所述第二开口密封连接，所述排气孔与所述抽气泵的所述排气口密封连接。

根据本发明的一个实施例，所述分析单元包括光谱仪与客户端，其中，所述光谱仪和所述客户端均与所述电源电连接，所述光谱仪与所述光纤准直镜连接，所述客户端位于所述外壳外部且与所述光谱仪通信连接。

根据本发明的一个实施例，所述计算机与所述激光发射单元通过时序控制器进行通信连接。

根据本发明的一个实施例，所述在线检测装置还包括与所述计算机连接的警报器。

根据本发明的一个实施例，所述外壳的所述进气孔处设置有气阀、流量计和压力表。

本发明提供的气溶胶中金属元素的检测装置，无需经过样品准备、制备，即能对气溶胶中金属元素和含量进行快速的元素定性分析和检测。该装置安装灵活、拆卸方便、搭建简单，可以移动，适合在多种工况下进行在线监测和分析，具有良好实用性。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的气溶胶中金属元素的检测装置的布置示意图；

图2是根据本发明的一个优选实施例的气溶胶中金属元素的检测装置的外壳的立体示意图；

图3是根据图2的气溶胶中金属元素的检测装置的外壳的背面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

本发明提供一种气溶胶中金属元素的检测装置1，该检测装置1包括电源、激光发射单元、探测单元、样品容置单元、抽气泵以及分析单元，其中，电源分别与激光发射单元、抽气泵以及分析单元电连接，激光发射单元发出激光，激光经过探测单元后照射至样品容置单元内的气溶胶样品，气溶胶样品在激光作用下产生等离子体并发光，气溶胶样品所发出的光经过探测单元后被分析单元接收并显示出光谱信息。

具体地，如图1所示，激光发射单元包括一激光器13，探测单元包括一激光反射镜14、一激光聚焦透镜15、一反射光聚焦透镜17以及一光纤准直镜18，分析单元包括光谱仪12以及客户端11，电源(图中未示)分别与激光器13、光谱仪12、抽气泵20以及客户端11电连接，光谱仪12、激光器13分别与客户端11通信连接，抽气泵20与样品容置单元16连接。激光器13通过自身的激光头产生脉冲激光，脉冲激光与激光反射镜14的中心位于同一第一直线上，激光反射镜14的中心、激光聚焦透镜15的中心以及样品容置单元16的中心位于同一个第二直线上，样品容置单元16的中心、发射光聚焦透镜17的中心以及光纤准直镜18的中心处于同一个第三直线上，第一直线与第二直线相互垂直，第二直线与第三直线相互垂直；脉冲激光沿着第一直线照射至激光反射镜14后，经过激光反射镜14的作用转向沿着第二直线传播，然后作用于样品容置单元16中的气溶胶样品的表面，从而激发气溶胶样品产生等离子体，等离子体在冷却过程中放出原子发射光，其中沿着第三直线方向传播的原子发射光经过发射光聚焦透镜17聚焦后传递至光纤准直镜18，光纤准直镜18通过光纤19与光谱仪12连接，从而将原子发射光输出到光谱仪12，由于该原子发射光中包含气溶胶样品中金属元素的特征光谱，经过光谱仪12分光和光谱仪12中的探测器进行光电转换后，以电信号形式传递至客户端11进行显示和输出。

在图1的实施例中，样品容置单元16为四通球形石英样品仓，该四通球形石英样品仓具有四个开口161、162、163、164，其中第一开口161与第四164在图1中为相对的上下布置，第二开口162与第三开口163在图1中为相对的左右布置，第一开口161与第四开口164处通过石英窗密封，脉冲激光经过激光反射镜14后穿过石英窗而射入四通球形石英样品仓内，第四开口164处通过石英窗密封且在四通球形石英样品仓16内形成激光消光池；抽气泵20具有进气口和排气口，抽气泵20的进气口与第三开口163通过管道密封连接，从而使得分析完成后抽气泵20可以快速的将样品容置单元16内的气溶胶排出去。

进一步地，本发明提供的气溶胶中金属元素的检测装置1还可包括时序控制器和警报器，其中，电源与时序控制器连接并为时序控制器供电，时序控制器分别与客户端以及激光器连接，警报器与客户端连接。

值得注意的是，电源外接220V电源，在电源内部经稳压和变压处理后，电源可将220V电压分别提供给激光器13和光谱仪12，将12V低压提供给时序控制器；客户端11通过USB通用串行接口连接光谱仪12和时序控制器，客户端11通过通用接口总线(General-Purpose Interface Bus，简称GPIB接口)连接激光器13；可选地，时序控制器可集成于客户端11内或者采用客户端11内的时序逻辑单元，在此不再赘述。

图2为根据本发明的一个优选实施例的气溶胶中金属元素的检测装置的外壳30的立体示意图，图3为根据图2的检测装置的外壳30的背面示意图，由图2和图3可知，外壳30形成为柜式结构，包括顶部31、中部33和底部34，其中，中部33的一侧形成有位于外壳30外部的客户端平台32，客户端11安装于客户端平台32上，中部33和底部34在外壳30内部形成为相互分开的空间；上部31内容置检测装置1的激光器13和激光反射镜14，中部33内容置激光聚焦透镜15、样品容置单元16、发射光聚焦透镜17以及光纤准直镜18，下部34内容置光谱仪12以及电源19等其它部件。中部33和底部34之间的间隔层上可设置一石英窗口以使得脉冲激光透过。外壳30的背面35上设置有进气孔351和排气孔352，其中，进气孔351与样品容置单元16的第二开口162通过管道密封连接以使得待测的气溶胶样品可以通过进气孔351送入样品容置单元16内；排气孔352与抽气泵20的排气口通过管道密封连接以使得检测完毕的气溶胶样品可以快速的排出。

本发明提供的气溶胶中金属元素的检测装置1的工作过程包括：

(一)激光触发及与检测物相互作用过程

接通电源后，通过客户端11设定人工手动触发模式或者定时触发模式，同时设置时序控制器的时序。设置完成后，由客户端11向时序控制器下达工作指令，接到工作指令后，时序控制器根据设置的时序触发激光器13，激光器13发出激光，激光照射至激光反射镜14后发生转向，然后经过激光聚焦透镜15聚焦后再穿过第一开口161处的激光石英窗，激光焦点聚焦于样品容置单元16内，并使得样品容置单元16内的气溶胶等离子体化。

(二)光谱采集过程

待测气溶胶样品受到激光的瞬间高温作用后，产生等离子体并发出原子发射光，发出的原子发射光透过样品容置单元16后经过发射光聚焦透镜17进行聚焦，聚焦后的原子发射光照射到光纤准直镜18上，光纤准直镜18将原子发射光通过光纤传送至光谱仪12。

(三)光谱分析过程

光谱仪12接收到原子发射光后进行分光，分出的光谱通过光谱仪12内的检测器(增强电荷耦合器件或光电倍增管)转换为电信号，然后通过时间延迟检出熔融盐中金属元素的原子特征谱线，采集的原子特征谱线信号通过客户端11进行显示。由于原子特征谱线和元素含量有特定的关系，在一定范围内，元素含量越多，谱线强度越强。据此，可在客户端11中设定一个工艺上要求的某一元素含量的上限或下限值。当超过限值时，警报器20将报警，否则不报警。

根据本发明的一个优选实施例，本发明提供的气溶胶中金属元素的检测装置1还包括一感应器，该感应器靠近样品容置单元16设置，感应器与脉冲激光器13连接，开始工作时，感应器首先开始感应是否有气溶胶样品通过。若感应器探测到有气溶胶样品通过，则发出一个高电位脉冲至激光器13，通知激光器13发出一束脉冲激光，脉冲激光经过激光聚焦透镜15进行聚焦后作用于待测气溶胶样品的表面。

根据本发明的一个实施例，客户端11可选用合适的计算机或平板电脑或者手机等。外壳30可选用可拆卸的面板，通过螺丝和卡口固定在柜体上以方便部件的安装及更换、维护。

根据本发明的另一个实施例，该检测装置的进气口处设置有气阀、流量计和压力表，可以在装置进行检修、维护和调试的时候关闭气阀，而不影响工业生产的工况。通过流量计和压力表实实时监测和分析气溶胶的流量和压力。

本发明提供的气溶胶中金属元素的检测装置无需经过样品准备、制备，即能对气溶胶中金属元素和含量进行快速的元素定性分析和检测。该装置安装灵活、拆卸方便、搭建简单，可以移动，适合在多种工况下进行在线监测和分析。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

激光发射单元，所述激光发射单元具有激光头；

样品容置单元；

探测单元，所述探测单元包括一激光反射镜、一激光聚焦透镜、一反射光聚焦透镜以及一光纤准直镜，所述激光发射单元的所述激光头与所述激光反射镜的中心位于同一第一直线上，所述激光反射镜、所述激光聚焦透镜以及所述样品容置单元的中心处于同一第二直线上，所述样品容置单元的中心与所述反射光聚焦透镜、所述光纤准直镜的中心位于同一第三水平线上，所述第一直线与所述第二直线垂直，所述第二直线与所述第三直线垂直；

分析单元，所述分析单元与所述光纤准直镜连接；以及

电源，所述电源分别与所述激光发射单元、所述分析单元电连接。

2.根据权利要求1所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述样品容置单元为四通球形石英样品仓，所述四通球形石英样品仓具有相对布置的第一开口、第二开口、第三开口以及第四开口，其中，第一开口以及第四开口处通过石英窗密封，所述石英窗的中心位于所述第二直线上。

3.根据权利要求2所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述四通球形石英样品仓的第四开口处形成为凹槽，所述凹槽内容置激光消光液。

4.根据权利要求2所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述检测装置进一步包括抽气泵，所述抽气泵具有进气口与排气口，其中，所述进气口与所述第三开口密封连接。

5.根据权利要求4所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述检测装置进一步包括外壳，所述外壳内容置所述激光发射单元、所述样品容置单元、所述探测单元、所述分析单元以及所述电源。

6.根据权利要求5所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述外壳上设置有进气孔与排气孔，其中，所述进气孔与所述第二开口密封连接，所述排气孔与所述抽气泵的所述排气口密封连接。

7.根据权利要求5所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述分析单元包括光谱仪与客户端，其中，所述光谱仪和所述客户端均与所述电源电连接，所述光谱仪与所述光纤准直镜连接，所述客户端位于所述外壳外部且与所述光谱仪通信连接。

8.根据权利要求7所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述计算机与所述激光发射单元通过时序控制器进行通信连接。

9.根据权利要求6所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述在线检测装置还包括与所述计算机连接的警报器。

10.根据权利要求6所述的气溶胶中金属元素的检测装置，其特征在于，所述外壳的所述进气孔处设置有气阀、流量计和压力表。