CN108444982A - 一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光诱导击穿光谱技术领域，提供一种用于液体检测的射流装置，所述装置包括样品池、蠕动泵、导管、液体入口、液体缓冲区、液体喷流管、支架、三维位移平、气体入口、气体喷流管和气瓶。其特征在于所述射流装置的液体缓冲区，可存储部分待测液，使得由液体出口处产生的液柱稳定性好；所述射流装置的气体辅助区，可利用气体将液柱表面产生的蒸汽吹散，提高激光与液柱的作用效率。结果表明，本发明可获得更高的光谱强度和更稳定的光谱信号。

Description

一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置

技术领域

本发明属于原子发射光谱检测技术领域，具体涉及一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置。

背景技术

重金属污染是亟待解决的水质问题之一。重金属具有毒性大、易被生物体富集、不易被代谢等特点，污水重金属含量超标，将导致水产品和农副产品中重金属元素富集。受污染食品流入餐桌，将严重威胁到人类健康。因此，研究适合污水重金属元素的精准、快速检测技术对水资源保护、工农业生产及生物健康都具有重要意义。

近年来，基于等离子体发射光谱的激光诱导击穿光谱技术（Laser-inducedbreakdown spectroscopy，简称LIBS），以其仪器便携、实时快速、多元素同时分析等特点，在水质重金属检测领域展现出广阔的应用前景。然而LIBS技术直接检测水溶液时，面临如下技术难点：1）当高能激光束聚焦在液面时，会导致液面波动、液体溅射和等离子体猝灭；2）当激光与液体相互作用时，蒸发的液滴会吸收和散射激光束，阻碍激光脉冲后沿到达液面。上述问题直接导致等离子体寿命短、发射光谱强度弱、光谱稳定性差。

为此，国内外研究者提出将待测液转化为流动竖直液柱，将激光聚焦在液柱表面进行成分分析的射流法，来降低液体溅射、液面波动等问题。目前射流法的主要形式有两种：1）利用水压在蓄水池下端的导管出口处形成液柱（Spectrochimica Acta Part BAtomic Spectroscopy, 2005, 60 (7): 1002-1013）；2）通过蠕动泵、导管和喷嘴，将待测液转化为液柱（Applied Optics, 2010, 49 (13): C70-C74）。然而上述射流装置，由于没有液体缓冲区，导致产生的液柱不稳定，LIBS检测获得的光谱稳定性不佳；其次激光直接作用待测液时，会在液柱表面产生蒸汽，蒸汽将阻碍激光与液柱的进一步作用，导致光谱强度弱和光谱稳定性差。

为解决射流法的上述问题，国内外研究者提出附加额外的激光器，即双脉冲LIBS技术，提高光谱强度和光谱稳定性。但是该技术增加了LIBS的设备成本和系统复杂度。因此，需要开发一款适合LIBS液体检测的射流装置，提高光谱强度和稳定性。

发明内容

本发明专利主要解决射流法存在的技术问题，将缓冲区和气流辅助引入到激光诱导击穿光谱检测技术中来，提出一种用于激光诱导击穿光谱技术的射流装置，能够解决现有LIBS技术中射流法存在的问题，并能降低检测装置的成本。

本发明提供了一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置，所述装置包括：样品池、导管、蠕动泵、支架、射流喷嘴和气体，其特征在于：所述的导管，一端放入样品池，中间放置在蠕动泵，末端与射流喷嘴液体入口相连。所述气体与射流喷嘴的气体入口相连。所述样品池用于放置待测液；所述导管用于传输待测液至射流喷嘴；所述蠕动泵用于将待测液泵至射流喷嘴内；所述支架用于固定射流喷嘴；所述射流喷嘴用于将待测液转化为液柱形式；所述气体用于辅助射流喷嘴产生的液柱。

进一步地，其中所述支架还包括三维位移平台，其主要用于固定所述支架和调节所述支架上射流喷嘴产生的液柱与激光的相互作用位置。

进一步地，其中所述射流喷嘴还包括液体入口、液体缓冲区、液体喷流管、气体入口和气体喷流管，其中，所述液体缓冲区一端与液体入口相连，一端与液体喷流管相连；气体入口在缓冲区下方，一端与气体相连，一端与气体喷流管相连；液体喷流管与气体喷流管平行。

更进一步地，所述液体入口用于将待测液传输至射流喷嘴内部。

更进一步地，所述液体缓冲区用于存储部分待测液，保持液柱的稳定性。

更进一步地，所述液体喷流管用于传输待测液，并将其转化为液柱。

更进一步地，所述气体入口用于将辅助气体传输至气体喷流管内。

更进一步地，所述气体喷流管用于将辅助气体传输至液柱周边，排除蒸汽干扰。

通过本发明专利所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明专利提供的用于激光诱导击穿光谱的射流装置主要具有以下有益效果：（1）所述射流装置的液体缓冲区，可存储部分待测液，产生的液柱稳定性将更好，LIBS光谱更稳定。（2）所述射流装置的气体辅助区（气体入口和气体喷流管），可利用气体将液柱表面产生的蒸汽吹散，提高激光与液柱的作用效率，LIBS光谱更强、更稳定。

附图说明

图1是本发明专利较佳实施方式提供的用于激光诱导击穿光谱的射流装置示意图。

图2是本发明提出的一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置工作流程图。

图3是有无缓冲区的射流喷嘴实物图。

图4是有无缓冲区获得的光谱强度及其相对标准偏差（Relative standarddeviation，简称RSD）对比图。

图5是气流辅助前后光谱强度及其RSD的对比图。

图中附图标记说明：1.样品池，2.蠕动泵，3.导管，4.液体入口，5.液体缓冲区，6.液体喷流管，7.支架，8.三维位移平台，9.气体入口，10.气体喷流管，11.气瓶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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于解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明专利较佳实施方式提供的用于激光诱导击穿光谱的射流装置，所述射流装置是针对现有的射流法存在的液柱不稳定、蒸汽阻碍激光进一步作用的问题而设计的。所述射流装置不仅能够通过液体缓冲区降低液柱波动，而且能够借助辅助气体，吹走蒸汽，提高激光与液柱的作用效率。最终提高LIBS技术检测液柱的光谱强度和稳定性。

图1所示为本发明提供的一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置示意图，现结合图1详述如下：所述射流装置包括：样品池1、蠕动泵2、导管3、液体入口4、液体缓冲区5、液体喷流管6、支架7、三维位移平8、气体入口9、气体喷流管10和气瓶11。

样品池1中的待测液体经由导管3和蠕动泵2，传输至射流喷嘴的液体入口4。待测液由液体入口4向下依次经过液体缓流区5和液体喷流管6，产生液柱。辅助气体由气瓶11产生，经由导管3、气体入口9和气体喷流管10，在液柱周围形成气体保护层。

所述样品池1用于盛放待测液。

所述蠕动泵2用于将样品池中的待测液转移至射流喷嘴的液体入口4。

所述液体缓冲区5用于存储待测液，保证从液体喷流管6产生的液柱稳定性好。

所述气体喷管10用于接收由气瓶11产生，经由导管3和气体入口9通入的辅助气体，并在液柱周围产生气体保护层，排除蒸汽干扰，提高激光与液柱的作用效率。

图2所示为本发明提出的一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置工作流程图，实施步骤如下：第1步，将待测液放入样品池；第2步，将导管的一端放入样品池中，中间放置在蠕动泵中，末端与射流喷嘴的液体入口相连；第3步，打开蠕动泵，将待测液经由导管泵至射流喷嘴内，待流经缓冲区的待测液高度不变时，便可经由液体喷流管获得稳定的液柱；

第4步，打开气瓶，调节气体流速，将气体经由导管和气体喷流管传输至液柱表面，产生气柱；第5步，利用激光诱导击穿光谱技术对液柱成分进行探测。

以下结合具体实施例1和实施例2分别对缓冲区和辅助气体对LIBS光谱强度和稳定性的影响进行说明。具体实施例中均采用实验室配置的氯化铝和氯化钙的混合溶液，其中元素Al和Ca的浓度均为1000 μg/mL。实施例均采用LIBS的最优实验参数：激光能量40mJ，等离子体发射光谱的采集延时和门宽均为1 μs 。

具体实施例1

图3所示为有无缓冲区的射流喷嘴实物图。如图所示，左边的为无缓冲区的常规射流喷嘴，右边是含有球形缓冲区的射流喷嘴。为研究射流喷嘴缓冲区对液柱稳定性的影响，在最优LIBS实验参数下，蠕动泵的流速为60 mL/min的条件下，分别对图3所示的射流喷嘴产生的液柱进行探测。图4所示为有无缓冲区获得的光谱强度及其相对标准偏差（Relativestandard deviation，简称RSD）对比图。对比发现， LIBS检测有缓冲区射流装置产生的液柱时，Ca II 396.847 nm和Al I 396.152 nm的光谱强度RSD分别由11.86%和9.62%改善至7.06%和4.05%，光谱更加稳定。除此之外，Ca和Al的光谱强度有所提高。以上结果表明，缓冲区的加入确实使得液柱更稳定，激光与液柱的作用面固定，获得的光谱强度更强、光谱稳定性更好。

具体实施例2

图5所示为气流辅助前后光谱强度及其RSD的对比图。采用的喷嘴为图3中带球形缓冲区的射流喷嘴。采用的辅助气体为氩气。对比发现， LIBS检测有氩气辅助射流装置产生的液柱时，Ca II 396.847 nm和Al I 396.152 nm的光谱强度有所提高。除此之外，Ca和Al的光谱强度RSD分别由7.06%和4.05%改善至4.11%和2.01%，光谱更加稳定。以上结果表明，辅助气体的加入确实可以将液柱表面的蒸汽吹走，保证激光与液柱的作用效率相同，提高光谱稳定性。并且由于氩原子存在激发能态较低的亚稳态，容易电离产生电子，因此氩气辅助下获得的光谱强度更强。

综上所述，对射流装置的喷嘴辅助缓冲区和气体，确实可以提高LIBS分析液柱的光谱强度和光谱稳定性。

以上所述为本发明的一种较佳实施例，但本发明并不局限于该实施例和附图所公开的内容。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种用于激光诱导击穿光谱的射流装置，其特征在于，该装置包括：样品池、导管、蠕动泵、支架、射流喷嘴和气体；所述的导管，一端放入样品池，中间放置在蠕动泵，末端连接支架固定的射流喷嘴液体入口；所述气体与射流喷嘴的气体入口相连；所述样品池用于放置待测液；所述导管用于传输待测液至射流喷嘴；所述蠕动泵用于将待测液泵至射流喷嘴内；所述支架用于固定射流喷嘴；所述射流喷嘴用于将待测液转化为液柱形式；所述气体用于辅助射流喷嘴产生的液柱。

2.根据权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱的射流装置，其特征在于：所述支架还包括三维位移平台，用于固定所述支架和调节所述支架上射流喷嘴的位置，保证激光聚焦点与液柱相互作用，使得实验操作简单、耗时短。

3.根据权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱的射流装置，其特征在于：所述射流喷嘴还包括液体入口、液体缓冲区、液体喷流管、气体入口和气体喷流管。

4.根据权利要求3所述的用于激光诱导击穿光谱的射流装置，其特征在于：所述液体缓冲区一端与液体入口相连，一端与液体喷流管相连。

5.根据权利要求3所述的用于激光诱导击穿光谱的射流装置，其特征在于：所述气体喷流管用于将辅助气体传输至液柱旁边，排除蒸汽干扰，提高激光与液柱的作用效率。

6.根据权利要求3所述的用于激光诱导击穿光谱的射流装置，其特征在于：气体入口在缓冲区下方，一端与气体相连，一端与气体喷流管相连；液体喷流管与气体喷流管平行。