CN113340877B - 基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，壳体的内部中心开设有反应腔；壳体的上部、下部和前部开设有竖向通孔A、竖向安装孔A和旋转通孔，并于竖向安装孔A的前侧开设有斜向通孔；壳体的左部开设有探针安装孔；壳体的右部开设有光学窗口；竖向通孔A的上端安装有气溶胶进入管路，竖向通孔A下端的内径向下方逐渐收缩并形成收缩喷嘴；斜向通孔的下端安装有气溶胶排出管路；电火花诱导击穿光谱检测机构由旋转轴杆、高压电极、高压脉冲发生器和透镜组成；旋转轴杆的里端为扁平结构，且可转动的安装于旋转通孔中；高压电极安装于竖向安装孔A中；透镜安装在光学窗口中；拉曼探针安装于探针安装孔中。该装置能实时检测气溶胶样品。
Description
技术领域
本发明属于环保检测技术领域，具体是一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置。
背景技术
对于工业工作场所中的作业人员，会经常接触到含有有害颗粒的空气，进而容易造成重大的健康风险。因而，实时的对气溶胶的化学成分和浓度的测定对预防接触和保护工人的健康有着极其重要的意义。
目前，在工作场所进行气溶胶化学测量过程中广泛采用过滤器，具体地，先利用过滤器收集微粒数小时，然后再到实验室中进行分析。这种方式通常只能提供时间平均浓度，并不能捕捉气溶胶的瞬态事件和动态特征。此外，基于过滤的方法获得的测量结果缺乏时效性，在污染防治过程控制和职业安全方面的价值非常有限。
如何开发出一种低成本、便携、直读的气溶胶化学分析仪器是一个亟需解决的技术问题，这样可以及时有效地评估出作业人员是否接触到了有害空气颗粒。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，该装置结构紧凑，体积小巧，占地空间小，携带方便，能实时检测气溶胶样品，可以有效地将微粒物质集中在基质上的一个极小区域上，有利于后续使用显微光谱方法进行分析。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，包括壳体、电火花诱导击穿光谱检测机构和拉曼光谱检测机构；
所述壳体的内部中心开设有反应腔，并于反应腔的上方中心设置有向下延伸的凸部；壳体的上部开设有连通上部外侧空间和凸部底端面的竖向通孔A；壳体的下部开设有连通下部外侧空间和反应腔下部的竖向安装孔A，并于竖向安装孔A的前侧开设有连通下部外侧空间和反应腔下部的斜向通孔；壳体的前部开设有连通前部外侧空间和反应腔前部的旋转通孔；壳体的左部开设有连通左部外侧空间和反应腔的探针安装孔；壳体的右部开设有连通右部外侧空间和反应腔的光学窗口；所述竖向通孔A的上端安装有气溶胶进入管路，竖向通孔A下端的内径向下方逐渐收缩并形成收缩喷嘴，所述收缩喷嘴的下端出口靠近反应腔中心的设置；所述斜向通孔的下端安装有气溶胶排出管路；
所述电火花诱导击穿光谱检测机构由旋转轴杆、高压电极、高压脉冲发生器和透镜组成；所述旋转轴杆作为阴极，并接地；旋转轴杆的里端为扁平结构，旋转轴杆可转动的安装于旋转通孔中，且其里端延伸到反应腔的中心，其外端延伸到壳体的外部；所述高压电极作为阳极，并与高压脉冲发生器连接；高压电极安装于竖向安装孔A中，且其里端延伸到反应腔的中心的下部，其外端延伸到壳体的外部；所述透镜竖直的安装在光学窗口中；
所述拉曼光谱检测机构主要由拉曼探针组成；所述拉曼探针为光纤探针，其安装于探针安装孔中，拉曼探针的里端延伸到靠近反应腔中心的位置，其外端延伸到壳体的左部外侧。
进一步，所述高压脉冲发生器的型号为ARC2-03C-R80A。
作为一种优选，所述高压电极的顶端为尖锐结构。
作为一种优选，所述旋转轴杆在扁平结构以外的区别均套设有由聚醚醚酮制成的介电套。
作为一种优选，所述透镜采用UV-VIS涂层熔融石英玻璃制成。
本发明中，通过使旋转轴杆可转动的设置在与反应腔连通的旋转通孔中，能通过旋转角度来改变来分别与拉曼光谱检测机构和电火花诱导击穿光谱检测机构相配合，从而能通过一套机构来实现拉曼光谱检测和电火花诱导击穿光谱检测，极大的节省了检测成本，同时能有助于简化检测步骤。使旋转轴杆的里端为扁平结构，这样，在扁平结构中的样本接收平面正对着与其配合的收缩喷嘴的下端时，能方便的接收由收缩喷嘴喷出的气溶胶样本，进而可以有效地将微粒物质集中在基质上的一个极小区域上，以便后续联用电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱对气溶胶成分进行快速检测和分析。通过拉曼探针的设置，能在旋转轴杆上的接收平面处于正对着拉曼探针的状态时，将激光束通过拉曼探针聚集在沉积的气溶胶微粒样品上，这样，可以方便的采集气溶胶样本的光谱，进而能便于与拉曼探针连接的拉曼光谱仪进行拉曼光谱分析。通过高压电极的设置，能在旋转轴杆上的接收平面处于面对光学窗口的状态时，方便的施加高压脉冲，从而能产生电火花微等离子体烧蚀沉积在旋转轴杆里端的气溶胶颗粒物质，导致原子发射，原子发射信号以背散射光的形式通过透镜由宽带光谱仪采集，进而可以便于元素鉴定和定量分析。在旋转轴杆旋转90度时，可以面对拉曼探针，在旋转轴杆继续旋转90度时，可以面对高压电极，这样，通过一个旋转轴杆的不同旋转状态可以方便的使收集的样品与不同的光谱检测机构结合起来，从而能利用不同光谱快速的对同一气溶胶颗粒沉积进行综合测量和精准分析，并且能够方便的得到特定粒径范围内气溶胶同一颗粒物的化学组成信息与分子结构信息，有利于对气溶胶颗粒物来源进行模拟分析；同时，通过光学窗口和透镜的设置能方便外界的光进入到反应腔中，同时，也能方便直观的观察到反应腔内部的情况。本发明采用集成式结构，使电火花诱导击穿光谱检测机构和拉曼光谱检测机构共存，在整体上缩小了装置体积，有效的节省了存放空间，并能便于携带，且使用过程方便，可满足现场检测、快速检测、实时检测的需求。该装置具有低成本、便捷的特性，能通过使用气溶胶微浓度技术与各种微光谱方法来解决有效评估有害空气颗粒的需要。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是利用本发明进行气溶胶检测时的状态图。
图中:1、拉曼探针，2、气溶胶进气管路，3、收缩喷嘴，4、光学窗口，5、透镜，6、高压电极，7、旋转轴杆，8、气溶胶排出管路，9、反应腔，10、壳体，11、竖向通孔A，12、凸部，13、竖向安装孔A，14、旋转通孔，15、斜向通孔，16、探针安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，包括壳体10、电火花诱导击穿光谱检测机构和拉曼光谱检测机构；
所述壳体10的内部中心开设有反应腔9，并于反应腔9的上方中心设置有向下延伸的凸部12；壳体10的上部开设有连通上部外侧空间和凸部12底端面的竖向通孔A11；壳体10的下部开设有连通下部外侧空间和反应腔9下部的竖向安装孔A13，并于竖向安装孔A13的前侧开设有连通下部外侧空间和反应腔9下部的斜向通孔15；壳体10的前部开设有连通前部外侧空间和反应腔9前部的旋转通孔14；壳体10的左部开设有连通左部外侧空间和反应腔9的探针安装孔16；壳体10的右部开设有连通右部外侧空间和反应腔9的光学窗口4；所述竖向通孔A11的上端安装有气溶胶进入管路2，竖向通孔A11下端的内径向下方逐渐收缩并形成收缩喷嘴3，所述收缩喷嘴3的下端出口靠近反应腔9中心的设置；所述斜向通孔15的下端安装有气溶胶排出管路8；
所述电火花诱导击穿光谱检测机构由旋转轴杆7、高压电极6、高压脉冲发生器和透镜5组成；所述旋转轴杆7作为阴极，并接地；旋转轴杆7的里端为扁平结构，旋转轴杆7可转动的安装于旋转通孔14中，且其里端延伸到反应腔9的中心，其外端延伸到壳体10的外部；所述高压电极6作为阳极，并与高压脉冲发生器连接；高压电极6安装于竖向安装孔A13中，且其里端延伸到反应腔9的中心的下部，其外端延伸到壳体10的外部；所述透镜5竖直的安装在光学窗口4中；
所述拉曼光谱检测机构主要由拉曼探针1组成；所述拉曼探针1为光纤探针，其安装于探针安装孔16中，拉曼探针1的里端延伸到靠近反应腔9中心的位置，其外端延伸到壳体10的左部外侧。
所述高压脉冲发生器的型号为ARC2-03C-R80A。作为一种优选，高压脉冲发生器的脉冲放电输入能量范围为50～300mJ/脉冲，从而能形成可控的脉冲等离子体。优选地同，通过高压脉冲发生器可以在高压电极6上施加高正电位(4-6.2kV)，其输出电压通过PID控制器进行控制，从而能保证高压电极6和旋转轴杆7(阴极)之间的稳定电晕电流。
所述高压电极6的顶端为尖锐结构，以能更好的用于施加高压脉冲产生火花等微等离子体烧蚀沉积在所述旋转轴杆7上的颗粒物质，以便外接光谱仪进行记录分析。
作为一种优选，所需元素的校准气溶胶是通过元素标准溶液(Si,Cr,Pb)和已知盐溶液(Na)的雾化产生的。气溶胶在收集电极(或阴极)上收集固定时间，然后进行火花放电。通过收集时间、气溶胶流速、入口颗粒数浓度、颗粒捕获效率、化学成分和标准溶液中盐的密度来估算沉积在电极上的元素的颗粒质量。在电极处存在电场的情况下
和不存在电场的情况下
使用CPC测量收集装置下游的粒子数浓度，并通过以下公式估算粒子捕获效率(η(dp)):
作为一种优选，所述旋转轴杆7在扁平结构以外的区别均套设有由聚醚醚酮制成的介电套。
作为一种优选，所述透镜5采用UV-VIS涂层熔融石英玻璃制成。这样，透镜5可以方便外部的光谱仪进行光信号的采集工作。
作为一种优选，在进行拉曼光谱检测时，样品发出的拉曼散射光的强度可由以下公式计算：
其中：c为光速，h为普朗克常数，IL为激励强度，N为散射分子数，v为分子振动频率(单位为Hz)，v0为激光激励频率(单位为Hz)，μ为振动原子的降低质量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，α′a为极化张量的均值不变量，γ′α为极化张量的各向异性不变量；
由上式可知，拉曼散射强度与拉曼仪器所探测样品体积中的分子数N成正比。I(v)R实际上是对拉曼谱带宽度积分的强度。拉曼散射强度与分析物浓度的比例关系是大部分拉曼光谱定量分析的基础。
信号和分析物的质量呈线性关系，质量可以由式
转化为分析物在空气中的浓度值。
工作原理：
将整体装置支设于待测地点，气溶胶通过气溶胶进气管路2进入，并通过收缩喷嘴3喷入到反应腔9中，颗粒在撞击到旋转轴杆7上扁平结构中的样本接收平面上后沉积形成样本后，将旋转轴杆7由初始位置旋转90度旋转到面对拉曼探针1的状态，外部设备通过拉曼探针1发生的激光束聚焦在旋转轴杆7中的微粒沉积物上，并通过拉曼光谱仪对样品进行分析；完成拉曼分析后，再将旋转轴杆7旋转90度至面对尖锐的高压电极6，由于旋转轴杆7与高压电极6之间相距距离小，作为优选，可以相距几毫米，且高压电极6保持在高电势，旋转轴杆7接地，对高压电极6施加高压，通过高压电极6上的直流电位能在高压电极与旋转轴杆的扁平尖端之间形成非均匀静电场，进而为粒子的收集创造一个外场，该场在施加脉冲电压用于火花产生时关闭，这样，在高压电极尖端有足够高的电场强度的区域，空气会发生电离和部分击穿。高压电极放电过程中，高压电极尖端周围不断产生单极离子，然后被输送到电极间的空间中。入射粒子通过扩散和场充电机制获得电荷。随后，带电粒子在电场中迁移并沉积在旋转轴杆上。
在SES系统中，使用一个高压脉冲发生器(型号ARC2-03C-R80A)在高压电极6和旋转轴杆7(即交叉电极)之间施加高压脉冲，产生火花微等离子体放电烧蚀沉积在旋转轴杆7上的颗粒物质样品，通过连接光谱仪和门控ICCD相机的光纤收集微等离子体的原子发射信号，记录由此产生的原子发射，用于元素鉴定和定量，并能便于测量旋转轴杆7上积累的微粒质量。再将旋转轴杆7旋转180度至其原始位置，面向收集喷嘴3，为下一次测量做准备，以便于进行后续的收集和测量周期。
在本发明中，每个测量周期包括：收集颗粒到基质上、使用光谱技术分析、去除样品并为下一次测量做准备。本发明结合了RS(拉曼光谱)和SES(电火花诱导击穿光谱)两种光谱检测方法，实现对气溶胶同一颗粒沉积的快速精准分析。该装置有利于通过检测分析得到特定粒径范围内气溶胶同一颗粒物的化学组成信息与分子结构信息，有利于对气溶胶颗粒物来源进行模拟分析。本发明整体的结构紧凑，可以节省占用空间，能便于集成到便携式仪器之中。现阶段由于紧凑、节能和稳健的光谱学设备发展已经日趋成熟，本发明中的检测装置可以巧妙地与目前现有的紧凑光谱设备相结合，进而能便于实现现场气溶胶的快速准确测量。本发明可以便于实时测量气溶胶样品、连续自动测量气溶胶样品。本发明采用集成化设计，使电火花诱导击穿光谱系统和拉曼系统同光路，有效缩小了装置体积，便于携带，且使用过程方便，可满足现场检测、原位检测、快速检测、实时检测的需求。本发明允许将气溶胶样品高效微浓缩到一个微小点，从而极大提高了检测的灵敏度，减少了气溶胶采样时间和提高了测量时间分辨率。
Claims (5)
1.一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，包括壳体(10)，其特征在于，还包括电火花诱导击穿光谱检测机构和拉曼光谱检测机构；
所述壳体(10)的内部中心开设有反应腔(9)，并于反应腔(9)的上方中心设置有向下延伸的凸部(12)；壳体(10)的上部开设有连通上部外侧空间和凸部(12)底端面的竖向通孔A(11)；壳体(10)的下部开设有连通下部外侧空间和反应腔(9)下部的竖向安装孔A(13)，并于竖向安装孔A(13)的前侧开设有连通下部外侧空间和反应腔(9)下部的斜向通孔(15)；壳体(10)的前部开设有连通前部外侧空间和反应腔(9)前部的旋转通孔(14)；壳体(10)的左部开设有连通左部外侧空间和反应腔(9)的探针安装孔(16)；壳体(10)的右部开设有连通右部外侧空间和反应腔(9)的光学窗口(4)；所述竖向通孔A(11)的上端安装有气溶胶进入管路(2)，竖向通孔A(11)下端的内径向下方逐渐收缩并形成收缩喷嘴(3)，所述收缩喷嘴(3)的下端出口靠近反应腔(9)中心的设置；所述斜向通孔(15)的下端安装有气溶胶排出管路(8)；
所述电火花诱导击穿光谱检测机构由旋转轴杆(7)、高压电极(6)、高压脉冲发生器和透镜(5)组成；所述旋转轴杆(7)作为阴极，并接地；旋转轴杆(7)的里端为扁平结构，旋转轴杆(7)可转动的安装于旋转通孔(14)中，且其里端延伸到反应腔(9)的中心，其外端延伸到壳体(10)的外部；所述高压电极(6)作为阳极，并与高压脉冲发生器连接；高压电极(6)安装于竖向安装孔A(13)中，且其里端延伸到反应腔(9)的中心的下部，其外端延伸到壳体(10)的外部；所述透镜(5)竖直的安装在光学窗口(4)中；
所述拉曼光谱检测机构主要由拉曼探针(1)组成；所述拉曼探针(1)为光纤探针，其安装于探针安装孔(16)中，拉曼探针(1)的里端延伸到靠近反应腔(9)中心的位置，其外端延伸到壳体(10)的左部外侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，其特征在于，所述高压脉冲发生器的型号为ARC2-03C-R80A。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，其特征在于，所述高压电极(6)的顶端为尖锐结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，其特征在于，所述旋转轴杆(7)在扁平结构以外的区别均套设有由聚醚醚酮制成的介电套。
5.根据权利要求4所述的一种基于电火花诱导击穿光谱和拉曼光谱的气溶胶检测装置，其特征在于，所述透镜(5)采用UV-VIS涂层熔融石英玻璃制成。
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