CN115791713A - 一种气溶胶元素分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气溶胶光谱分析技术领域，具体涉及一种气溶胶元素分析装置。本发明的气溶胶元素分析装置包括样气采集模块、发射光谱光源模块、光谱模块和控制模块；所述发射光谱光源模块包括等离子体电源和等离子体发生装置，所述等离子体发生装置中设置有样气通路，所述样气通路与样气采集模块通过气路连通，所述光谱模块包括收光探头和光谱分析装置，所述收光探头用于采集所述样气通路中的光谱信息；所述控制模块通过信号线分别与样气采集模块、等离子体电源和光谱分析装置连接。通过本发明的装置，能够对气体样品中的气溶胶进行定性和定量的分析，在环境保护、工业生产、及特种环境监测等领域具有很高的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于气溶胶光谱分析技术领域，具体涉及一种气溶胶元素分析装置。
背景技术
气溶胶成分分析在环境保护、工业生产、及特种环境监测等领域都具有重要作用。目前气溶胶元素成分分析主要通过采样与离线分析相结合的方式，利用滤膜法或沉降法获取大气或环境中的气溶胶颗粒，经过溶解、消解等样品前处理，最终使用质谱、原子吸收或原子发射光谱等大型分析仪器获取元素质谱或光谱信息，根据采样量与样品定量分析结果，推算大气或目标气体中的特定元素浓度。而此类方法存在采样周期长，不能实时监测等问题，对于快速变化的气溶胶浓度或突发状况无法获得有效响应。
单颗粒气溶胶质谱是近年来发展起来的气溶胶在线分析技术，具有灵敏度高，可同时测量粒径等优点。但其成本高昂且设备体积和重量大，难以作为传感器式监测仪器及便携仪器进行布设和推广。
中国发明专利申请“CN111257253A电感耦合等离子体原子质谱和光谱的同时检测系统及方法”公开了一种电感耦合等离子体原子质谱和光谱的同时检测系统，其实现了利用质谱和原子光谱对包括气溶胶在内的样品的检测。但是，本专利申请中同时用到了电感耦合等离子体原子质谱和光谱，这导致了装置结构复杂，且电感耦合等离子体功耗高，只能用氩气作为工作气体。因而，采用上述装置进行检测成本高、适用范围受限且不利于现场实时检测。因此当前对小型、低成本的在线气溶胶元素分析仪器或装置的需求非常迫切。
微等离子体通常指放电间隙尺寸在数百微米至数毫米的等离子体发生设备，包括直流放电、脉冲放电或介质阻挡放电等工作方式，放电气体可包括氩气、氦气、氮气或空气等多种气体，可被用作发射光谱分析装置或仪器的光源激发样品，并被用于气体、液体样品检测。与常用于光谱分析的传统等离子体光源(如电感耦合等离子体)相比，具有工作功耗极低，尺寸小等优势，具备集成于小型便携分析仪器的潜力；此外微等离子体大多可利用空气为工作气体，无需氩气、氦气等惰性气体气源维持工作。
当微等离子体放电区域温度能够实现对气溶胶颗粒气化和原子化时，可以预见其对气溶胶中元素的定性定量分析能力。目前尚未见基于微等离子体的气溶胶元素分析仪器或装置的相关报道。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种气溶胶元素分析装置，目的在于通过简单的结构实现气溶胶中的元素分析。
一种气溶胶元素分析装置，其特征在于：包括样气采集模块、发射光谱光源模块、光谱模块和控制模块；
所述发射光谱光源模块包括等离子体电源和等离子体发生装置，所述等离子体发生装置中设置有样气通路，所述样气通路与样气采集模块通过气路连通，所述光谱模块包括收光探头和光谱分析装置，所述收光探头用于采集所述样气通路中的光谱信息；
所述控制模块通过信号线分别与样气采集模块、等离子体电源和光谱分析装置连接。
优选的，所述发射光谱光源模块包括用于在样气通路中产生等离子体的装置，所述产生等离子体的装置通过介质阻挡放电或直流高压放电放电产生等离子体。
优选的，所述等离子体发生装置包括底座和两个电极，所述底座上设置有石英窗口，所述样气通路位于底座和石英窗口之间，两个电极相对设置在所述样气通路两侧，两个电极分别与所述等离子体电源连接。
优选的，所述收光探头设置在石英窗口外侧，用于采集所述样气通路中位于两个电极之间的部分的光谱信息。
优选的，所述电极贯通所述底座设置，所述电极的一端与所述等离子体电源连接，另一端位于所述样气通路中。
优选的，还包括采用气路，所述样气采集模块包括采样泵，所述采用气路、样气通路和采样泵通过气路依次连通。
优选的，所述样气通路和采样泵之间的气路上设置有缓冲瓶。
优选的，所述控制模块通过信号线与采样泵连接。
优选的，还包括供电系统，所述供电系统分别与样气采集模块、等离子体电源、光谱分析装置和控制模块连接。
优选的，所述供电系统采用锂电池供电。
本发明提供的气溶胶元素分析装置结构简单，能够实现对气体样品中的气溶胶进行定性和定量的分析。在优选的方案中，本发明的装置产生的等离子体为微等离子体，相比于现有的同类装置等离子体发生装置的功耗显著降低，因而可采用低能耗的锂电池进行供电，进一步方便了本发明装置的使用。此外，微等离子体能够以氩气、氦气、空气、氮气等各种常见的环境气体作为工作气体，适用范围很广。由于成本、能耗、使用便利和适用范围等各方面的优势，本发明的装置在环境保护、工业生产、及特种环境监测等领域具有很高的应用潜力。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为本发明实施例1的气溶胶元素分析装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1的气溶胶元素分析装置中的等离子体发生装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1中用于制备气溶胶的装置的结构示意图；
图4为本发明实施例1获得的钠气溶胶中钠元素的发射谱线。
其中，1-采用气路，2-等离子体发生装置，3-等离子体电源，4-缓冲瓶，5-采样泵，6-收光探头，7-光纤，8-光谱分析装置，9-控制模块，10-供电系统，11-电极，12-样气通路，13-石英窗口，14-底座，15-超声雾化器，16-雾化杯，17-样气管路，18-加热装置，19-冷凝装置，20-废液管路。
具体实施方式
实施例1一种气溶胶元素分析装置
本实施例提供一种气溶胶元素分析装置，如图1、图2所示，包括采用气路1、样气采集模块、发射光谱光源模块、光谱模块、控制模块9和供电系统10。
所述发射光谱光源模块包括等离子体电源3和等离子体发生装置2，所述等离子体发生装置2中设置有样气通路12。等离子体发生装置2包括底座14和两个电极11，底座14的材料为陶瓷，电极11为钨电极或其他金属材质的电极。所述底座14上设置有石英窗口13，所述样气通路12位于底座14和石英窗口13之间，两个电极11相对设置在所述样气通路12两侧，两个电极11分别与所述等离子体电源3连接。所述电极11贯通所述底座14设置，所述电极11的一端与所述等离子体电源3连接，另一端位于所述样气通路12中。等离子体发生装置2能够在电源驱动下将两个电极11间的待测物(如待检测气溶胶)气化、原子化及光谱激发。电源包括但不限于交流高压电源，直流高压电源及脉冲高压电源。本实施例中放电由小型直流高压电源驱动，可在氩气、氦气、氮气、空气等工作气体下实现放电与样品激发。除了本实施例采用的直流高压放电的放电方式，发射光谱光源模块产生等离子体的方式还可以选择介质阻挡放电。
样气采集模块包括采样泵5，所述采用气路1、样气通路12和采样泵5通过气路依次连通。所述样气通路12和采样泵5之间的气路上设置有缓冲瓶4。气路上还可设置流量控制和监测装置，能够对目标检测空间的样气实时采集并进行流量控制。
光谱模块包括收光探头6和光谱分析装置8，所述收光探头6设置在石英窗口13外侧，用于采集所述样气通路12中位于两个电极11之间的部分的光谱信息。收光探头6可以由透镜或透镜组构成，也可以是光纤的端面。收光探头6可通过光纤7和光谱分析装置8连接，也可以直接与光谱分析装置8耦合。光谱分析装置8可以是光谱仪，也是其他滤光片、棱镜等分光手段配合光电探测设备构成的装置。
控制模块9通过信号线分别与采样泵5、等离子体电源3和光谱分析装置8连接。控制模块9用于实现采样泵5、等离子体电源3和光谱分析装置8的动作及其时序控制，同时对光谱数据进行存储及定性、定量分析，通过谱峰所在波长识别谱峰元素归属，通过谱峰强度进行定量分析，上述功能通常通过小型计算机或嵌入式系统实现。
供电系统10分别与采样泵5、等离子体电源3、光谱分析装置8和控制模块连接。本实施例产生的等离子体为微等离子体，因此，所用电源功率较低，可采用低能耗的锂电池进行供电。
本实施例的装置使用时，发射光谱光源模块持续工作，在样气通路12中产生稳定的微等离子体，采样泵5对待检测气体进行采样。待检测气体进入样气通路12激发，若环境气中存在含有目标元素的气溶胶，则在等离子体中被原子化及激发，产生原子发射光谱，进而被光谱模块采集并探测。
为了验证本实施例的装置能够用于气溶胶样品的检测，下面制备空气中氯化钠气溶胶并通过上述装置进行定性分析。
本实施例通过具有超声雾化、去溶功能的装置制备气溶胶，所分析元素为钠元素，装置示意图见图3。样品溶液在雾化杯16中经超声雾化后由载气载入干燥区，通过加热装置18、冷凝装置19将溶剂(水)除去，并由废液管路20排出，形成干燥的样品气溶胶颗粒。所制备气溶胶由本实施例的气溶胶元素分析装置采样和检测。本实施例中采用光谱范围400nm-650nm的小型光谱仪作为光谱分析装置8的激光源，采集到钠元素特征发射谱线(588.995nm，589.592nm，见图4)，表明本装置具备气溶胶样品中元素分析能力。
通过上述实施例可以看到，本发明通过一种简单的结构，构建了一种能够用于气溶胶元素分析的装置。该装置能广泛应用于环境保护、工业生产、及特种环境监测等具有气溶胶分析需求的领域，具有很高的应用价值。
Claims (10)
1.一种气溶胶元素分析装置，其特征在于：包括样气采集模块、发射光谱光源模块、光谱模块和控制模块(9)；
所述发射光谱光源模块包括等离子体电源(3)和等离子体发生装置(2)，所述等离子体发生装置(2)中设置有样气通路(12)，所述样气通路(12)与样气采集模块通过气路连通，所述光谱模块包括收光探头(6)和光谱分析装置(8)，所述收光探头(6)用于采集所述样气通路(12)中的光谱信息；
所述控制模块(9)通过信号线分别与样气采集模块、等离子体电源(3)和光谱分析装置(8)连接。
2.按照权利要求1所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述发射光谱光源模块包括用于在样气通路(12)中产生等离子体的装置，所述产生等离子体的装置通过介质阻挡放电或直流高压放电产生等离子体。
3.按照权利要求1所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述等离子体发生装置(2)包括底座(14)和两个电极(11)，所述底座(14)上设置有石英窗口(13)，所述样气通路(12)位于底座(14)和石英窗口(13)之间，两个电极(11)相对设置在所述样气通路(12)两侧，两个电极(11)分别与所述等离子体电源(3)连接。
4.按照权利要求3所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述收光探头(6)设置在石英窗口(13)外侧，用于采集所述样气通路(12)中位于两个电极(11)之间的部分的光谱信息。
5.按照权利要求3所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述电极(11)贯通所述底座(14)设置，所述电极(11)的一端与所述等离子体电源(3)连接，另一端位于所述样气通路(12)中。
6.按照权利要求1所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：还包括采用气路(1)，所述样气采集模块包括采样泵(5)，所述采用气路(1)、样气通路(12)和采样泵(5)通过气路依次连通。
7.按照权利要求6所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述样气通路(12)和采样泵(5)之间的气路上设置有缓冲瓶(4)。
8.按照权利要求6所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述控制模块(9)通过信号线与采样泵(5)连接。
9.按照权利要求1所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：还包括供电系统(10)，所述供电系统(10)分别与样气采集模块、等离子体电源(3)、光谱分析装置(8)和控制模块(9)连接。
10.按照权利要求9所述的气溶胶元素分析装置，其特征在于：所述供电系统(10)采用锂电池供电。
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