CN113720811B - 一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源及激发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源，涉及发射光谱元素分析激发光源领域，微等离子体激发源包括：交流电源、两根金属电极和超声雾化片；所述交流电源分别与所述金属电极的一端电性连接；所述金属电极的放电端位于同一平面内；所述超声雾化片水平设置在所述金属电极的放电端的上方，用于将待测溶液转化成气溶胶并向下喷射至所述金属电极的放电端上以及所述金属电极之间；所述交流电源、所述金属电极和所述气溶胶配合，用于在所述金属电极的下方形成V形微等离子体；本发明还提出采用上述基于超声雾化进样的微等离子体激发源的激发方法，能够有效地提高金属元素的检测精度。

Description

一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源及激发方法

技术领域

本发明涉及发射光谱元素分析激发光源领域，尤其涉及一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源及激发方法。

背景技术

传统的激发源包括电感耦合等离子体激发源，但由于其高功耗、高气耗及不易维护等问题被限制于实验室内，无法满足原位现场分析检测。为满足元素原位现场分析的需求，多种微等离子体激发源相继被开发，如发明专利授权公告号CN 101330794 B、CN102445445 B、CN 102866224 B、CN 103760138 B等激发光源为DBD；发明专利授权公告号CN103776818B、CN 104254188 B，申请公布号CN 107991272 B等激发光源为APGD；发明专利授权公告号CN 102288594 B，申请公布号CN 103969244A、CN 105675585 A、CN 106596515 A等激发光源为SCGD。激发光源的创新和技术开发是发展小型化/微型化发射光谱仪器的关键，虽然目前已报道的微等离子体激发源具有小巧的尺寸，并且可以大幅度降低功耗、气耗，但对于等离子体的维持和实现样品引入仍避免不了对压缩气体或蠕动泵的依赖，这不利于分析仪器的整体小型化，所以开发一种更加简易的微等离子体激发源是有必要的。

超声雾化是传统气动雾化进样的替代方案，具有更高的雾化进样效率，是一种十分有效的进样方法，也被应用于现场化学成分检测分析技术领域，如发明专利授权公告号CN 101788487 A采用超声雾化辅助进行电火花击穿光谱检测，但该超声雾化装置体积大、依赖于样品池和气体引导，这不利于分析仪器整体小型化的需求。虽然也可以进行元素现场分析，但由于其激发源属于瞬时击穿放电，故而难以提供长期连续稳定的信号，仅能做到定性或半定量分析，无法满足高精度定量分析的需求。

发明内容

本发明旨在解决提出一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源及激发方法，能够提高金属元素的检测精度。

本发明提供一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源，包括：交流电源、两根金属电极和超声雾化片；

所述交流电源分别与所述金属电极的一端电性连接；所述金属电极的放电端位于同一平面内；

所述超声雾化片水平设置在所述金属电极的放电端的上方，用于将待测溶液转化成气溶胶并向下喷射至所述金属电极的放电端上以及所述金属电极之间；

所述交流电源、所述金属电极和所述气溶胶配合，用于在所述金属电极的下方形成V形微等离子体。

进一步地，所述放电端之间的间距为2～8mm；所述超声雾化片与所述金属电极的放电端之间的垂直距离为10～50mm。

进一步地，所述超声雾化片的雾化速度为3～100μL/s。

进一步地，所述金属电极的材质为钨或者钛。

进一步地，所述基于超声雾化进样的微等离子体激发源还包括集成电路板和移动电源；所述移动电源通过所述集成电路板与所述超声雾化片电性连接，用于给所述超声雾化片供电；所述集成电路板用于调节所述超声雾化片的输出功率及频率。

进一步地，所述移动电源的输出电压为4～24V，输出电流为5～100mA。

进一步地，所述交流电源的输出电压为3～20kV，输出电流为5～100mA。

本发明还提出一种采用上述基于超声雾化进样的微等离子体激发源的激发方法，包括如下步骤:

将待测溶液滴加至所述超声雾化片上；

通过所述超声雾化片将所述待测溶液转化成气溶胶并向下喷射至所述金属电极的放电端上以及所述金属电极之间；

通过所述交流电源和所述金属电极在所述金属电极的下方形成V形微等离子体。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源包括交流电源、两根金属电极和超声雾化片；所述交流电源分别与所述金属电极的一端电性连接；所述金属电极的放电端位于同一平面内；所述超声雾化片水平设置在所述金属电极的放电端的上方，用于将待测溶液转化成气溶胶并向下喷射至所述金属电极的放电端上以及所述金属电极之间；所述交流电源、所述金属电极和所述气溶胶配合，用于在所述金属电极的下方形成V形微等离子体；使用时，通过所述超声雾化片将所述待测溶液以气溶胶的形式喷射至所述金属电极上，以及所述金属电极之间的区域内，能够有效降低所述金属电极的温度，同时，在位于所述金属电极放电端之间的所述气溶胶的作用下，所述金属电极的原击穿位置(即所述金属电极放电端的直线连接段位置)的电阻增大，导致所述金属电极的放电路径向下偏离，在所述金属电极放电端的下方形成稳定持续的V形微等离子体，从而提高金属元素的检测精度；另外，由于所述V形微等离子体位于所述金属电极放电端的下方，使得微型光谱仪可以有针对性地对所述金属电极下方的V形微等离子体进行信号采集，从而有效地避免所述金属电极发射连续光的背景干扰，同时，V形等离子体激发源可以在相同的电极间距下提供更长的放电路径，从而增大微等离子体与气溶胶的接触面积，提高金属元素的激发效率，从而获得高灵敏度的信号，从而降低金属元素的检出限，进一步提高金属元素的检测精度；本发明与发射光谱联用，可实现锂、钠、钾等碱金属元素的快速原位检测，其中锂元素检测限<0.6ng/mL、钠元素检测限<0.3ng/mL、钾元素检测限<1.5ng/mL。

附图说明

图1为本发明某一实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源的结构示意图；

图2为图1中基于超声雾化进样的微等离子体激发源的使用状态参考图；

图3为本发明实施例1中获得的背景空白和锂、钠、钾的原子发射光谱图；

图4为本发明实施例2中获得的锂、钠、钾的原子发射光谱图；

图5为本发明实施例2中在时间分辨模式下获得的锂的峰面积积分信号强度图；

图6为本发明中锂、钠、钾元素的标准曲线；

其中，1、超声雾化片；2、集成电路板；3、移动电源；4、金属电极；5、交流电源；6、胶头滴管；7、待测溶液；8、气溶胶；9、V形微等离子体；10、光谱检测器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源，包括：交流电源5、两根金属电极4和超声雾化片1；

交流电源5分别与金属电极4的一端电性连接；金属电极4的放电端位于同一平面内；金属电极4的一端与交流电源5连接，另一端作为放电端；

超声雾化片1水平设置在金属电极4的放电端的上方，用于将待测溶液7转化成气溶胶8并向下喷射至金属电极4的放电端上以及金属电极4之间；

交流电源5、金属电极4和气溶胶8配合，用于在金属电极4的下方形成V形微等离子体9。

示例性地，在本实施例中，金属电极4水平分布，且同轴设置；超声雾化片1的中心位于金属电极4的放电端连线的中垂线上，使得超声雾化片1能够更好的将待测溶液7转化成气溶胶8后，将气溶胶8喷射到金属电极4的放电端上，以及金属电极4的放电端之间的区域内。

具体地，金属电极4的放电端之间的间距为2～8mm；超声雾化片1与金属电极4的放电端之间的垂直距离为10～50mm。

具体地，超声雾化片1的雾化速度为3～30μL/s。

具体地，金属电极4的材质为钨或者钛。

进一步地，参考图1，所述基于超声雾化进样的微等离子体激发源还包括集成电路板2和移动电源3；移动电源3通过集成电路板2与超声雾化片1电性连接，用于给超声雾化片1供电；集成电路板2用于调节超声雾化片1的输出功率及频率。

具体地，移动电源3的输出电压为4～24V，输出电流为5～100mA。

需要说明的是，移动电源是一个比较好、便携的方式；作为本实施例的变形，还可以直接通过适配器接到市电或者笔记本电脑或台式电脑上的USB插孔里为超声雾化片1供电。

具体地，交流电源5的输出电压为3～20kV，输出电流为5～100mA。

示例性地，在本实施例中，移动电源3为充电宝。

参考图2，本实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源的激发方法，包括如下步骤：

通过胶头滴管6将待测溶液7滴加至超声雾化片1上；

通过超声雾化片1将待测溶液7转化成气溶胶8并向下喷射至金属电极4的放电端上以及金属电极4之间，在金属电极4的下方形成V形微等离子体9。

在本实施例中，为了检测待测溶液7中金属元素的浓度，在上述步骤之后，通过光谱检测器10对金属电极4下方的V形微等离子体9进行信号采集，实现待测溶液7中金属元素的简单、快速的精确检测。

通过选取不同样品溶液举例说明本实施例中的基于超声雾化进样的微等离子体激发源可以用于不同样品中锂、钠、钾元素的检测。其中，以下所有实施例中，金属电极4均为直径为2mm的钛棒，待测溶液7(包括空白溶液、标准溶液和样品溶液)均通过胶头滴管6添加至超声雾化片1的中心区域，实现待测溶液7的引入；两根金属电极4之间的间距为3mm，超声雾化片1与金属电极4的放电端的垂直距离为20mm，超声雾化速度为5μL/s，维持V形微等离子体9放电工作的交流电源5的输出电压为7000V，输出电流为20mA；移动电源3的输出电压为5V；超声雾化片1的震动频率为110kHz；光谱检测器10为微型光谱仪，检测波长范围为186-986nm。

实施例1

本实施例基于超声雾化进样的微等离子体激发源与微型光谱仪联用建立天然地表水体样品中锂、钠、钾元素的分析方法，具体如下：

将天然地表水样品溶液滴加到超声雾化片1的中心区域，经过空化作用将溶液转化为气溶胶8喷出，气溶胶8持续不断地进入等离子体激发源，改变等离子体的路径，形成V形稳定的等离子体，同时转移电极产生的热量从而起到冷却的作用。经过蒸发、解离、原子化、激发过程后，锂、钠、钾元素得到激发，得到特征发射光谱，并由微型光谱仪9检测得到空白或锂、钠、钾的发射谱图，实现水体中的锂、钠、钾等元素检测，详见附图3。

实施例2

本实施例基于超声雾化进样的微等离子体激发源与微型光谱仪联用建立血清样品中锂、钠、钾元素的分析方法，具体如下：

(1)开启移动电源3和交流电源5；(2)将空白溶液滴加到超声雾化片1中心区域，在气溶胶8的作用下，自动击穿空气放电在金属电极4之间形成稳定V形等离子体；(3)将血清样品用超纯水稀释10-100倍后，滴加到超声雾化片1的中心区域转化为气溶胶8进入等离子体；(4)基于超声雾化进样的微等离子体的激发源与气溶胶8作用产生锂、钠、钾的特征发射光，并由微型光谱仪检测得到锂、钠、钾的发射谱图，实现血清中锂、钠、钾元素检测，详见附图4；参考附图5，锂的残留信号可在8s清洗至空白水平，单个样品的总分析时间小于40s，可实现血清中锂元素的高通量检测。

需要说明的是，本实施例中描述锂、钠、钾元素的检测方法技检测结果仅仅是为了举例说明本实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源与光谱检测器10联用的检测效果，不作为本发明的限定；本发明中基于超声雾化进样的微等离子体激发源还可以与光谱检测器10联用，用于检测Zn、Cd、Mg、Ca、Ba、Rb、Sr、Cs、Cu、Fe、Ni、Co、As、Au、Pb、Mn、Hg等金属元素。

本发明中锂、钠、钾元素标准曲线的制作方法如下：

(1)采用实施例1中的方法对不同浓度的锂、钠、钾元素标准溶液的发射信号强度进行检测，结果详见表1、表2和表3。

表1.锂元素标准溶液检测结果表

表2.钠元素标准溶液检测结果表

表3.钾元素标准溶液检测结果表

(2)根据上述表1、表2和表3中的数据分别绘制锂、钠、钾元素的标准曲线，详见附图5；其中，

1)锂元素的标准曲线方程为：

y＝20.26x+0.66，R2＝0.99993；

2)钠元素的标准曲线方程为：

y＝24.62x+16.57，R2＝0.99999；

3)钾元素的标准曲线方程为：

y＝9.79x+8.41，R2＝0.99998。

本发明中锂、钠、钾元素检出限的测量：

采用公式(1)分别计算锂、钠、钾的检出限，

LOD＝3σ/K 公式(1)

其中，LOD为检出限，单位ng·mL^-1；σ为十一次空白样品(纯水)发射信号强度测试的标准偏差，单位a.u.；K为单位浓度目标元素的信号值，单位mL·ng^-1；

(1)锂(Li)的十一次空白样品(纯水)发射信号强度见表4；

表4.锂的十一次空白样品发射信号强度检测结果表

由表4可知：

σ(Li)＝4.1a.u.，

K(Li)＝20.26mL·ng^-1，

(2)钠(Na)的十一次空白样品(纯水)发射信号强度见表5；

表5.钠的十一次空白样品发射信号强度检测结果表

由表5可知：

σ(Na)＝2.5a.u.，

K(Na)＝24.62mL·ng^-1，

(3)钾(K)的十一次空白样品(纯水)发射信号强度见表6；

表6.钠的十一次空白样品发射信号强度检测结果表

由表6可知：

σ(K)＝4.8a.u.，

K(K)＝9.79mL·ng^-1，

由上述内容可知，锂元素检测限为0.6ng/mL，钠元素检测限为0.3ng/mL，钾元素检测限为1.5ng/mL。

本实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源具有如下优点：

1)本实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源属于稳定连续的激发源，且其维持不需要任何散热制冷装置、样品池、蠕动泵或压缩(惰性)气体；

2)本实施例中基于超声雾化进样的微等离子体激发源具有功耗低、易于制造、体积小、成本低、灵敏度高及多元素同时检测等特点，可用于锂、钠、钾碱金属元素的快速检测；

3)由于超声雾化片1的空化作用，待测溶液7形成裹挟有气溶胶8的气流，使得金属电极4之间原击穿位置的电阻升高，导致金属电极4的放电路径向下偏离，从而形成V形微等离子体9；另外，微型光谱仪可以有针对性的对金属电极4下方的V形微等离子体9进行信号采集，从而有效避免金属电极4材料发射连续光的背景干扰；

4)V形微等离子体9激发源可以在相同的金属电极4的间距下提供更长的放电路径，增大微等离子体与气溶胶8的接触面积，从而提高金属元素的激发效率，进而获得高灵敏度的信号；

5)采用超声雾化片1实现样品快速有效的引入，同时对金属电极4提供散热效果，且无需额外排废装置；

6)连续稳定的微等离子体可以采用微型光谱仪进行信号采集，在保证光谱检测器10便携、小巧和高度集成化的同时，可以在一定时间内对连续稳定的微等离子体中的信号持续进行多次的数据采集，从而提供更好的准确度和精密度；

7)低温微等离子体具备更好的抗电离干扰能力，为高盐基体样品中的碱金属元素(锂、钠、钾等)及其他元素的分析提供高效、廉价、便携、可靠及高灵敏度的现场分析检测手段；

8)本实施例与光谱检测器10联用，可实现锂、钠、钾元素的快速原位检测，其中锂元素检测限为0.6ng/mL，钠元素检测限为0.3ng/mL，钾元素检测限为1.5ng/mL。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超声雾化进样的微等离子体激发源，其特征在于，包括：交流电源、两根金属电极和超声雾化片；

所述交流电源分别与所述金属电极的一端电性连接；所述金属电极的放电端位于同一平面内；

所述超声雾化片水平设置在所述金属电极的放电端的上方，用于将待测溶液转化成气溶胶并向下喷射至所述金属电极的放电端上以及所述金属电极之间；

所述交流电源、所述金属电极和所述气溶胶配合，用于在所述金属电极的下方形成V形微等离子体；

所述放电端之间的间距为2~8 mm；所述超声雾化片与所述金属电极的放电端之间的垂直距离为10~50 mm；

所述超声雾化片的雾化速度为3~100 μL/s。

2.根据权利要求1所述的基于超声雾化进样的微等离子体激发源，其特征在于，所述金属电极的材质为钨或者钛。

3.根据权利要求1所述的基于超声雾化进样的微等离子体激发源，其特征在于，还包括集成电路板和移动电源；所述移动电源通过所述集成电路板与所述超声雾化片电性连接；所述集成电路板用于调节所述超声雾化片的输出功率及频率。

4.根据权利要求3所述的基于超声雾化进样的微等离子体激发源，其特征在于，所述移动电源的输出电压为4~24 V，输出电流为5~100 mA。

5.根据权利要求1所述的基于超声雾化进样的微等离子体激发源，其特征在于，所述交流电源的输出电压为3~20 kV，输出电流为5~100 mA。

6.一种采用根据权利要求1-5任一项所述的基于超声雾化进样的微等离子体激发源的激发方法，其特征在于，包括如下步骤:

将待测溶液滴加至所述超声雾化片上；

通过所述超声雾化片将所述待测溶液转化成气溶胶并向下喷射至所述金属电极的放电端上以及所述金属电极之间；

通过所述交流电源和所述金属电极在所述金属电极的下方形成V形微等离子体。

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