CN109374596A - 基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统 - Google Patents

基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统 Download PDF

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Abstract

一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，包括：脉冲激光器，产生纳秒激光脉冲，用于击穿待测烟气产生等离子体发光光子；气体腔，通过第一光纤与所述脉冲激光器相连，为待测烟气样品的检测区域；第二光纤，一端固定于所述光纤耦合接口，其光纤头设置于所述第二透镜的焦平面上并对准第二透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子耦合进入第二光纤中；光谱仪，与所述第二光纤另一端相连，用于解析待测烟气中危害物的种类以及在烟气中的丰度；抽气泵，通过管道与所述气体腔第二部分相连，相连接的管道上设置有出气阀；以及气体袋，用于填充待测烟气样品，通过管道与所述气体腔第二部分相连，相连接的管道上设置有进气阀。

Description

基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统
技术领域
本公开涉及烟气成分检测领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统。
背景技术
吸烟有害身体健康已经形成广泛共识。除了传统的有机危害物之外，香烟烟气中还包含多种重金属元素，如铅、铬、镉、钋、铀等，具有极强的毒性。烟气中重金属元素主要来源于烟草植物对土壤重金属的吸收，经燃烧释放到空气中，对人体健康造成严重的危害。据统计，仅在美国每年就有48万例过早死与吸烟有关，其中39％是由于心脏病和中风，36％的死亡案例是因为癌症，还有24％是由于肺部疾病。
香烟烟气不仅损害吸烟群体的身体健康，同样也对非吸烟群体的健康构成威胁。吸烟者吐出的烟雾以及香烟燃烧时产生的侧流烟构成所谓的二手烟，在被非吸烟者被动吸入后同样会对健康造成危害。国际癌症研究会已将二手烟列为致癌物质，数据显示每年在美国大约7300例的死完病例是与接触二手烟有关。此外，二手烟造成被动吸烟者的心脏病发病几率增加25-30％，肺癌发病率增加20％-30％。二手烟对孕妇和儿童的危害尤其严重。据最新统计，目前中国的烟民数量已经超过3亿，中国人口过于集中，大中城市人口密度大，也给二手烟的防控造成困难。因此，如何快速评估二手烟特别是烟气中重金属的危害性，成为当前二手烟评估的关键问题之一。
对于烟气中重金属元素的检测，现有的手段主要有原子吸收光谱、电感耦合等离子体-原子发射光谱、电感耦合等离子体-质谱、高性能气相色谱-质谱联用等。这些方法的样品准备过程繁琐、测量时间较长，且很难应用于烟气的现场检测。因此，需要提供一种快速的烟气重金属元素的检测方法和系统，能够同时实现烟气中重金属元素的高灵敏检测，满足公共区域烟气的现场检测和评估需求。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，以缓解现有技术中检测准备过程繁琐、测量时间较长，且很难应用于烟气的现场检测等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，包括：脉冲激光器，产生纳秒激光脉冲，用于击穿待测烟气产生等离子体发光光子；气体腔，通过第一光纤与所述脉冲激光器相连，为待测烟气样品的检测区域；包括：气体腔第一部分，包括：第一透镜，设置于气体腔第一部分内，边缘与气体腔第一部分的内壁密封设置；第二透镜，设置于第一透镜之后并与第一透镜共轴，为非球透镜；以及光纤耦合接口，设置于气体腔第一部分的侧壁；气体腔第二部分，包括：进气口以及出气口；第二光纤，一端固定于所述光纤耦合接口，其光纤头设置于所述第二透镜的焦平面上并对准第二透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子耦合进入第二光纤中；光谱仪，与所述第二光纤另一端相连，用于解析待测烟气中危害物的种类以及在烟气中的丰度；抽气泵，通过管道与所述气体腔第二部分相连，相连接的管道上设置有出气阀，用于对气体腔进行抽气，使待测烟气快速填充和置换；以及气体袋，用于填充待测烟气样品，通过管道与所述气体腔第二部分相连，相连接的管道上设置有进气阀。
在本公开实施例中，所述脉冲激光器产生的纳秒激光脉冲宽度小于10ns，脉冲能量大于50mJ。
在本公开实施例中，所述气体腔第一部分和气体腔第二部分通过密封圈和螺丝密封连接，且可拆卸。
在本公开实施例中，所述第一光纤用于将脉冲激光器产生的纳秒激光脉冲耦合并导入所述气体腔，所述第一光纤的抗激光损伤阈值高于200mJ/cm2。
在本公开实施例中，所述第二透镜焦距小于25mm，数值孔径高于0.2，聚焦后光斑直径小于6微米。
在本公开实施例中，所述的光纤耦合接口位于所述第二透镜的焦平面上，并对准所述第二透镜的焦点位置。
在本公开实施例中，所述光谱仪的谱分辨率小于0.1nm，光谱测量范围覆盖200-980nm波段。
在本公开实施例中，所述第二光纤为由7个光纤芯组成的光纤束，所述7个光纤芯作为独立的光纤经由SMA接口与所述光谱仪的7个通道相连接。
在本公开实施例中，所述光谱仪包括CCD相机，用于将所述等离子体发光光子成像。
在本公开实施例中，所述CCD相机记录的原子发射光谱中包含有烟气重金属元素分子相对应的特征谱线。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)适合于公共区域的烟气重金属元素的现场检测；
(2)采用光纤连接的便携化探头，准备与检测过程简单。
(3)采用高重复率的激光脉冲，实现重金属元素的快速检测。
附图说明
图1为本公开实施例一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统的结构示意图。
图2为本公开实施例一种香烟烟气的激光诱导击穿光谱和实验室空气的激光诱导击穿光谱示意图。
图3为本公开实施例中一种香烟烟气中重金属元素铬的特征谱线强度与浓度之间的关系曲线图。
图4为本公开实施例在烟气现场检测实施例中重金属元素铬的特征谱线强度随时间变化的曲线图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-脉冲激光器； 2-第一光纤；
3-气体腔； 31-气体腔的第一部分；
32-气体腔的第二部分； 4-第一透镜；
5-第二透镜； 6-光纤耦合接口；
7-出气口； 8-进气口；
9-第二光纤； 10-光谱仪；
11-出气阀； 12-抽气泵；
13-进气阀； 14-气体袋。
具体实施方式
本公开提供了一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统利用强聚焦的纳秒脉冲激光击穿待测烟气，产生高温、高密度的等离子体，等离子体发光由高分辨率的光谱仪记录。所述光谱仪采集的光谱中包含有原子发射光谱中烟气重金属元素的特征谱线，用于烟气重金属元素的快速识别和定量评估。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，图1为所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统的结构示意图，如图1所示，所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，包括：
脉冲激光器1，用于产生纳秒激光脉冲击穿待测烟气产生等离子体发光光子，作为激光诱导击穿光谱的激发源；
气体腔3，通过第一光纤2与所述脉冲激光器1相连；
所述气体腔3，包括：
气体腔第一部分31，包括：
第一透镜4，设置于气体腔第一部分31内，边缘与气体腔第一部分31的内壁密封设置；
第二透镜5，设置于第一透镜之后并与第一透镜共轴，为非球透镜；以及
光纤耦合接口6，设置于气体腔第一部分31的侧壁。
气体腔第二部分32，包括：进气口8以及出气口7；
第二光纤9，其光纤头设置于所述第二透镜5的焦平面上并对准第二透镜的焦点位置，与所述光纤耦合接口6密封连接；以及
光谱仪10，与所述第二光纤9另一端相连，用于解析待测烟气中危害物的种类以及在烟气中的丰度。
抽气泵12，通过管道与所述气体腔第二部分32相连，相连接的管道上设置有出气阀11，用于对气体腔3进行抽气；
气体袋14，用于填充待测烟气样品，通过管道与所述气体腔第二部分32相连，相连接的管道上设置有进气阀13；
所述脉冲激光器1为Q开关的纳秒脉冲激光器，产生脉冲宽度约8nm，脉冲能量在50mJ左右的纳秒激光脉冲。激光脉冲的重复频率在10Hz左右，脉冲功率稳定度优于3％。
所述气体腔为又称为气体测量腔，为待测烟气样品的检测区域；所述气体腔第一部分31和气体腔第二部分32通过密封圈(如O型圈)和螺丝密封连接，且可拆卸。
所述第一光纤的光纤头位于气体腔第一部分31腔壁内，且在第一透镜4的后焦平面附近，从而使得输出的脉冲激光束被准直成直径在1cm左右的平行光。
所述第一光纤2的抗激光损伤阈值高于200mJ/cm2。
所述第二透镜为非球透镜，焦距小于25mm，数值孔径高于0.2，从而形成的激光光斑的大小在6微米左右，峰值功率密度高达1013W/cm2左右。
超强的局域电场，将气体腔中的烟气分子瞬间电离，产生高温、高密度的等离子体。所述第二光纤用于将离体发光的光子收集并传输给光谱仪10；所述第二光纤9的光纤头经由O型密封圈和螺丝与所述光纤耦合接口6密封连接，同时光纤耦合接口6位于所述第二透镜5的焦平面上并对准第二透镜5的焦点位置，从而最大化等离子体发光的光子收集效率。
所述第二光纤9为由7个光纤芯组成的光纤束，光纤芯在其中一端紧密排列，并与石英准直透镜连接，负责将等离子体发光的光子耦合进入光纤中。光纤芯在另外一端分叉为7根独立的光纤，分别经由SMA接口与光谱仪的7个通道相连接。
所述光谱仪包含有CCD相机，用于将收集的光子分光后成像；CCD相机记录的原子发射光谱中包含有烟气重金属元素分子相对应的特征谱线，对照特征谱线的峰值位置和高度可以解析出待测烟气中危害物的种类以及在烟气中的丰度等信息。
所述光谱仪的谱分辨率小于0.1nm,并且光谱测量范围覆盖200-980nm波段。所述光谱仪具有时间分辨的光谱测量功能，能够阻挡等离子的连续谱发射光子。
所述光谱仪10用于原子发射光的色散分光和光信号采集，从而记录待测气体的原子发射光谱，其具有7个独立模块，分别覆盖光谱测量的7个波段范围，不仅能够提供0.1nm的光谱分辨率，而且能够覆盖从紫外到近红外(200-980nm)波段的原子发射谱测量。每一个光谱测量模块将收集的光子分光后成像于光谱仪的CCD相机上。光谱仪以脉冲激光器的Q开关信号作为外触发，并且具有时间分辨的光谱测量功能，能够通过触发延迟时间来阻挡等离子发光的连续谱部分光子，从而记录原子发射光谱中与烟气重金属元素分子相对应的分立特征谱线。从特征谱线的峰值位置和高度可以解析出危害物的种类以及在烟气中的丰度等信息
在本公开实施例中，图2为一种香烟烟气的激光诱导击穿光谱和实验室空气的激光诱导击穿光谱示意图，其中图2(a)为210-400nm波段的激光诱导击穿光谱，图2(b)为400-510nm波段的激光诱导击穿光谱，如图2所示，通过对两个激光诱导击穿光谱的比较，同时通过与美国国家标准局的原子发射光谱数据库进行对比，可以发现本公开的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统能够识别出烟气中的镉、铬、铅等重金属以及铀、钚等放射性元素。此外，激光诱导击穿光谱中检测到的较高的碳和氢含量，暗示香烟烟气中含有较高的尼古丁、氰化氢、甲醛、一氧化碳等有害物。
在本公开实施例中，图3为一种香烟烟气中重金属元素铬的特征谱线强度与浓度之间的关系曲线图，如图3所示，显示了一种香烟烟气被空气稀释了不同浓度后所观察到的金属铬的特征峰的高度，结果显示特征峰的高度均与烟气的浓度成线性正比例关系。因此，在利用其它方法对系统做好标定后，本公开的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统不仅能够对烟气中的有害成分进行快速识别，还能够对所检测的有害成分进行定量分析。
如前所述，所述气体腔3由可以拆卸的两个部分组成，气体腔的第一部分31通过第一光纤2和第二光纤9分别与脉冲激光器1和光谱仪10相连接，形成独立的光谱测量探头。其优点在于，该独立探头的便携式结构设计适合于公共区域烟气重金属元素的现场检测和评估。在本公开实施例中，图4为在烟气现场检测实施例中重金属元素铬的特征谱线强度随时间变化的曲线图，如图4所示，显示了基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统的便携式激光诱导击穿光谱探头在空气中检测到的一种香烟烟气中所含重金属元素等危害物的浓度随时间变化的动态响应过程。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统利用强聚焦的纳秒脉冲激光击穿待测烟气，产生高温、高密度的等离子体，等离子体发光由高分辨率的光谱仪记录。所述光谱仪中包含有原子发射光谱中烟气重金属元素的特征谱线，用于烟气重金属元素的快速识别和定量评估。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，包括：
脉冲激光器(1)，产生纳秒激光脉冲，用于击穿待测烟气产生等离子体发光光子；
气体腔(3)，通过第一光纤(2)与所述脉冲激光器(1)相连，为待测烟气样品的检测区域；包括：
气体腔第一部分(31)，包括：
第一透镜(4)，设置于气体腔第一部分(31)内，边缘与气体腔第一部分(31)的内壁密封设置；
第二透镜(5)，设置于第一透镜之后并与第一透镜共轴，为非球透镜；以及
光纤耦合接口(6)，设置于气体腔第一部分(31)的侧壁；
气体腔第二部分(32)，包括：进气口(8)以及出气口(7)；
第二光纤(9)，一端固定于所述光纤耦合接口(6)，其光纤头设置于所述第二透镜(5)的焦平面上并对准第二透镜的焦点位置，用于将等离子体发光光子耦合进入第二光纤(9)中；
光谱仪(10)，与所述第二光纤(9)另一端相连，用于解析待测烟气中危害物的种类以及在烟气中的丰度；
抽气泵(12)，通过管道与所述气体腔第二部分(32)相连，相连接的管道上设置有出气阀(11)，用于对气体腔(3)进行抽气，使待测烟气快速填充和置换；以及
气体袋(14)，用于填充待测烟气样品，通过管道与所述气体腔第二部分(32)相连，相连接的管道上设置有进气阀(13)。
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述脉冲激光器(1)产生的纳秒激光脉冲宽度小于10ns，脉冲能量大于50mJ。
3.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述气体腔第一部分(31)和气体腔第二部分(32)通过密封圈和螺丝密封连接，且可拆卸。
4.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述第一光纤(2)用于将脉冲激光器(1)产生的纳秒激光脉冲耦合并导入所述气体腔(3)，所述第一光纤(2)的抗激光损伤阈值高于200mJ/cm2。
5.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述第二透镜焦距小于25mm，数值孔径高于0.2，聚焦后光斑直径小于6微米。
6.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述的光纤耦合接口(6)位于所述第二透镜(5)的焦平面上，并对准所述第二透镜(5)的焦点位置。
7.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述光谱仪(10)的谱分辨率小于0.1nm，光谱测量范围覆盖200-980nm波段。
8.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述第二光纤(9)为由7个光纤芯组成的光纤束，所述7个光纤芯作为独立的光纤经由SMA接口与所述光谱仪(10)的7个通道相连接。
9.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述光谱仪(10)包括CCD相机，用于将所述等离子体发光光子成像。
10.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的便携式烟气重金属元素检测系统，所述CCD相机记录的原子发射光谱中包含有烟气重金属元素分子相对应的特征谱线。
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