CN108458983A - 一种深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，所述检测装置包括深层土壤原位实时探测探针和深层土壤光谱分析仪，所述检测装置对可见光谱和红外光谱分别进行分析，为解决无机和有机物等所有种类的污染物放在一起检测提供了保障，通过光学可见光的发射光谱和红外的吸收光谱，实现非靶向的、原位实时的土壤污染物检测。本发明的突破点在于整合了对土壤中无机物和有机物的进行原位实时检测化验，通过结合金属元素的可见光发射光谱和有机物的红外吸收光谱判断土壤的污染情况。本发明为绿色检测技术，检测过程无副产品、无额外化学反应物生成。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置。
背景技术
土壤作为生物与自然界物质和能量交换的媒介，是生态环境的重要组成部分，也是人类赖以生存的主要自然资源之一。随着现代工农业和城市化的发展，土壤污染日益严重。据联合国2015年发布《世界土壤资源状况》指出，土壤面临严重威胁。我国目前是全球最大的农药生产国、使用国和出口国。现有农药生产企业2600多家，目前农药产品有27000多个，年产量190万吨，居世界第一，且其中化学药的比重超高，而农药利用率只有30％，比发达国家低10％～20％。长三角地区至少10％的土壤基本丧失生产力。据调查，浙江省17.97％的土壤受到不同程度的污染，普遍存在镉、汞、铅、砷等重金属污染。华南地区，部分城市有50％的耕地遭受镉、砷、汞等有毒重金属和石油类有机物污染，有近40％的农田菜地土壤重金属污染超标，其中10％属严重超标。土壤无机污染物主要为汞、铬、铅、铜、锌等重金属和砷、硒等非金属；有机污染物主要为酚、有机农药、油类、苯并芘类和洗涤剂类等。土壤的无机物和有机物的污染已经越来越受到人们的关注。
污染物质在大气和水体中的迁移都要比在土壤中更容易，这使得污染物质在土壤中并不象在大气和水体中那样容易扩散和稀释，因此容易在土壤中不断积累而超标，同时也使土壤污染具有很强的地域性。无机和有机物污染物的危害主要表现在多个方面，一是破坏土壤的酸碱平衡，直接影响植物的生长；二是通过雨水的扩散污染人类的饮用水，直接影响人的健康；三是经过植物的吸收与富集后再通过食物链的传递间接对人产生影响。针对土壤污染的普遍和迫切，我国的《土壤环境监测技术规范》内一系列技术和测量标准明显滞后落伍，对污染物的测定和评估效率过低。《规范》中对土壤的检测一般为线下检测，步骤分为布点采样、样品制备、分析方法选择、结果表征、资料统计和质量评价等而且繁琐。在选择分析方法步骤中，由于污染物的种类繁多而且分析方法主要为靶向分析分析方法，造成检测效率低下(检测周期过长)和投入过多的人力成本，最终大大增加了检测成本。同时，国内外的各类土壤检测方法，其主要采集和分析为表层土壤，污染物在土壤深层中累积问题未能被真实有效反映。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提出了一种深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，所述检测装置为解决无机和有机物等所有种类的污染物放在一起检测提供了保障，通过光学可见光的发射光谱和红外的吸收光谱，实现非靶向的、原位实时的土壤污染物检测。本发明的突破点在于整合了对土壤中无机物和有机物的进行原位实时检测化验，通过结合金属元素的可见光发射光谱和有机物的红外吸收光谱判断土壤的污染情况。
本发明的技术方案为：一种深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，所述检测装置包括深层土壤原位实时探测探针和深层土壤光谱分析仪，所述检测装置对可见光谱和红外光谱分别进行分析。
所述深层土壤原位实时探测探针设有一个金属探针，所述金属探针设有一个长度为1-2米长的中空钢管，在所述中空钢管上设有带通孔的观察窗，所述观察窗等距离排列在所述中空钢管上，用于对中空钢管内光路与土壤近距离分析，在所述中空钢管的内部放置一个高压电极针，在所述中空钢管内部的上下两端分别设置一个金属准直反射镜，所述金属准直反射镜的一个表面为圆形平面，所述圆形平面与所述中空钢管的轴向的夹角呈一个锐角，两个所述金属准直反射镜的圆形平面平行相对摆放且位于所述高压电极针的一侧，在所述中空钢管内部的上端设有红外入射光源、收集电弧放电光源和红外反射光源；
所述深层土壤光谱分析仪的结构包括时域色散傅里叶光谱仪和角位移傅里叶光谱仪，所述时域色散傅里叶光谱仪设有时域延时腔体，在所述时域延时腔体的前部设有一个色散光栅，在所述时域延时腔体的上部设有一个单点可见光探测器；所述角位移傅里叶光谱仪设有角位移延时腔体，在所述角位移延时腔体的前方设有红外分光器，在所述红外分光器的上方设有水平放置的金属平面反射镜，在所述红外分光器的下方设有一个单点红外探测器。
中空钢管下部有个尖端。
所述高压电极针下端有个尖端，光源通过带高压的所述高压电极针3的下端的所述尖端对观察窗的土壤进行短时间的脉冲高电压电弧放电；
所述高压电极针在中空钢管1内能够转动。
所述角位移延时腔体设有纵向轴，能够绕纵向轴转动。
所述时域延时腔体设有纵向轴，能够绕纵向轴转动。
附图说明：
图1为本发明金属探针光路结构原理示意图。
图2为本发明深层土壤光谱分析仪结构原理示意图。
图中，1、中空钢管；2、观察窗；3、高压电极针；4、金属准直反射镜；5、红外反射光源；6、红外入射光源；7、重叠的可见光与红外光；8、分离后的脉冲可见光；9、色散光栅；10、单点可见光探测器；11、时域延时腔体；12、角位移延时腔体；13、单点红外探测器；14、红外分光器；15、金属平面反射镜；16、分离后的连续红外光。
本发明有益效果
1)本发明提出了可同时检测深层土壤中的无机污染物和有机污染物的结构。
2)即将针对土壤污染物中的无机物和有机物，分别采用光学发射光谱时域色散傅里叶转换分析法和角位移延时傅里叶转换红外光谱进行定性和定量分析。
3)本发明检测快速，无需对土壤进行预先处理，可实现原位实时在线检测
4)本发明实现同步无机物和有机物的定性定量测试，非靶向检测，能对各类重金属，如汞、镉、铅、铬、砷、铜、钴、锌、镍、锡等，以及各类有机污染物的同时检测。
5)使用简单，无学习成本，降低人力成本，微型设备，能直接携带到实地检测。
6)红外光谱的傅里叶转换光谱中，利用角位移延时腔体实现干涉仪的空间位移，大大压缩仪器空间。
7)可见光光谱通过时域延时腔体对脉冲的发射光谱进行光谱到时域的延时，实现利用单点检测器串行读取，绿色检测技术，无副产品、无额外化学反应物生成。
具体实施方式：
参见图1和图2所示，本发明涉及一种能同时检测土壤中无机物和有机物的原位实时光学分析的检测装置，所述检测装置包括深层土壤原位实时探测探针和深层土壤光谱分析仪，所述检测装置对可见光谱和红外光谱分别进行分析。所述深层土壤原位实时探测探针结构设有一个金属探针，所述金属探针设有一个长度为1-2米长的中空钢管1，在所述中空钢管1上设有带通孔的观察窗2，所述观察窗2等距离排列在所述中空钢管1上，用于对中空钢管1内光路与土壤近距离分析，在所述中空钢管1的内部放置一个高压电极针3，在所述中空钢管1内部的上下两端分别设置一个金属准直反射镜4，所述金属准直反射镜4的一个表面为圆形平面，所述圆形平面与所述中空钢管1的轴向的夹角呈一个锐角，两个所述金属准直反射镜4的圆形平面平行相对摆放且位于所述高压电极针3的一侧，在所述中空钢管1内部的上端设有红外入射光源6、收集电弧放电光源和红外反射光源5；
所述深层土壤光谱分析仪包括时域色散傅里叶光谱仪和角位移傅里叶光谱仪，所述时域色散傅里叶光谱仪设有时域延时腔体11，在所述时域延时腔体11的前部设有一个色散光栅9，在所述时域延时腔体11的上部设有一个单点可见光探测器10；
所述角位移傅里叶光谱仪设有角位移延时腔体12，在所述角位移延时腔体12的前方设有红外分光器14，在所述红外分光器14的上方设有水平放置的金属平面反射镜15，在所述红外分光器14的下方设有一个单点红外探测器13。
本发明检测开始，直接原位钻入需要检测的疏松的土壤表层，见图1(a)，中空钢管1的材料一般为中空的不锈钢管；管上带通孔的观察窗2，用于对中空钢管1的光路与土壤近距离分析，见图1(b)为光学发射光谱和红外光谱的光源生成和光学回路。高压电极针3用于对土壤表面电弧放电，激发土壤中的金属元素到高能态并在回复到基态过程中生成光源。金属准直反射镜4用于传输外部的红外入射光源6、收集电弧放电光源和未被吸收的红外反射光源5。中空钢管1垂直钻入土层时，对外壁土壤进行挤压，形成预先处理的挤压光滑表面。中空钢管1一边为一定垂直间距的通孔的观察窗2，在中空钢管1内的高压电极针3进入地表后，将旋转一定角度，转向挤压光滑表面的土层。通过观察窗2为样品的采集区域，实地实时利用光学发射光谱时域色散傅里叶转换分析法(OES-TD-DFT)和角位移延时傅里叶转换红外光谱(FTIR-ADDL)的光学分析。具体检测原理和方法为：
1)光源的生成和传输：图1为本发明金属探针光路结构原理示意图，用于生成和传输光源。光学发射光谱部分：光源通过带高压的高压电极针3的下端的尖端对观察窗2的土壤进行短时间的脉冲高电压电弧放电。放电过程中，土壤中的金属元素由于高压跃迁到高能态，在金属元素回到基态过程中同时产生光脉冲。光脉冲的波长直接对应金属元素独有的能级跃迁。收集到的可见光源通过两个金属准直反射镜4传输到地表的深层土壤光谱分析仪进行定性分析。所述深层土壤原位实时探测探针需要外部的一个宽频的红外入射光源6，通过两个金属准直反射镜4传输并照射观察窗2内的土壤上。土壤反射回来的光为红外反射光源5，是一个红外的吸收光谱，沿金属准直反射镜4原路返回到地表的深层土壤光谱分析仪。通过对红外反射光源5的红外吸收光谱的指纹谱图分析，判断土壤中含的有机物种类。其中，红外反射光源5和红外入射光源6就是收集到的可见光发射光谱和红外吸收光谱，红外反射光源5和红外入射光源6的光路重叠，以便于采集光路的简化，具体分光分析下面进行阐述。
2)可见光和红外光谱分析
如图2所示，金属准直反射镜4用于分离短波长的可见光和长波长的红外光，在图1中收集到的可见光发射光谱和红外吸收光谱，从中空钢管1的上端出来，直接进入图2所述的装置，通过标准的光谱分析方法实时获取，其中，可见光光谱部分用于分析土壤中金属元素的含量，而红外光谱用于分析土壤中有机物的含量，在图1的第一阶段中，可见光和红外光为共光路的光束形成了重叠的可见光与红外光7，为分离这两个波段的光谱，仪器中的金属准直反射镜4将分离它们，形成分离后的脉冲可见光8(波长范围为130nm-800nm)和分离后的连续红外光16(波长范围为1.7um-14um)。分离后的脉冲可见光8将利用标准的光栅色散光谱进行光谱分析，而分离后的连续红外光16利用标准傅里叶转换红外光谱。
可见光光谱分析：
分离后的脉冲可见光8的光束通过色散光栅9对准直的所述分离后的脉冲可见光8进行波长的空间色散，通过时域延时腔体11，将空间上的不同角度对应的波长映射成不同时序上不同时间对应的波长，然后通过单点可见光探测器10进行读取，生成谱图。完全省略了传统意义上的过往常规光谱中探测器的空间位移检测或阵列探测器的使用。
红外光谱分析：
所述分离后的连续红外光16的红外光束通过金属平面反射镜15传输到红外分光器14，通过所述角位移延时腔体12取代常规迈克逊干涉仪的参考光臂的空间位移，实现对红外光谱在不同相干位置的读取。通过改变所述角位移延时腔体12的角度，能够改变延时距离，对应的干涉纹通过单点红外探测器13直接读取。在最后通过干涉纹的强度，生成红外谱图。角位移延时腔体12的设置大大压缩了传统红外傅里叶转换光谱仪的空间，以便使用到便携仪器中。本发明实现同步无机物和有机物的定性定量测试，非靶向检测，能对各类重金属，如汞、镉、铅、铬、砷、铜、钴、锌、镍、锡等，以及各类有机污染物的同时检测。
Claims (9)
1.一种深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述检测装置包括深层土壤原位实时探测探针和深层土壤光谱分析仪，所述检测装置对可见光谱和红外光谱分别进行分析和检测。
2.根据权利要求1所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述深层土壤原位实时探测探针设有一个金属探针，所述金属探针设有一个长度为1-2米长的中空钢管，在所述中空钢管上设有带通孔的观察窗，所述观察窗等距离排列在所述中空钢管上，用于对中空钢管内光路与土壤近距离分析，在所述中空钢管的内部放置一个高压电极针，在所述中空钢管内部的上下两端分别设置一个金属准直反射镜，所述金属准直反射镜的一个表面为圆形平面，所述圆形平面与所述中空钢管的轴向的夹角呈一个锐角，两个所述金属准直反射镜的圆形平面平行相对摆放且位于所述高压电极针的一侧，在所述中空钢管内部的上端设有红外入射光源、收集电弧放电光源和红外反射光源。
3.根据权利要求1所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述深层土壤光谱分析仪的结构包括时域色散傅里叶光谱仪和角位移傅里叶光谱仪，所述时域色散傅里叶光谱仪设有时域延时腔体，在所述时域延时腔体的前部设有一个色散光栅，在所述时域延时腔体的上部设有一个单点可见光探测器；所述角位移傅里叶光谱仪设有角位移延时腔体，在所述角位移延时腔体的前方设有红外分光器，在所述红外分光器的上方设有水平放置的金属平面反射镜，在所述红外分光器的下方设有一个单点红外探测器。
4.根据权利要求2所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述中空钢管下部有个尖端。
5.根据权利要求2所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述高压电极针下端有个尖端，光源通过带高压的所述高压电极针3的下端的所述尖端对观察窗的土壤进行短时间的脉冲高电压电弧放电。
6.根据权利要求2所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述高压电极针在中空钢管内能够转动。
7.根据权利要求3所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述角位移延时腔体设有纵向轴，能够绕纵向轴转动。
8.根据权利要求3所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，其特征是：所述时域延时腔体设有纵向轴，能够绕纵向轴转动。
9.根据权利要求2所述的深层土壤中无机物和有机物的原位实时光学检测装置，所述锐角为40-49度。
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