CN1811385A - 激光诱导等离子光谱分析法及光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种元素光谱分析法，同时还涉及相应的分析仪，属于元素定性分析和含量分析技术领域。该分析法通过发射脉冲激光束激发样品，在样品等离子体冷却湮灭的过程中，将被激活原子发射出的光谱投射到光纤接收端，通过微型光谱仪分光后成像到CCD上，再传输到计算机进行分析，得出分析结果。本发明显著的优点是测定速度快，效率高，测量元素多，样品不用预处理，可测量气态、液态以及固态样品，方便携带，十分适合作为野外勘探的测试方法。

Description

激光诱导等离子光谱分析法及光谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种元素光谱分析法，同时还涉及相应的分析仪，属于元素成分分析技术领域。

背景技术

据申请人了解，长期以来，环保、钢铁、化工、材料及地质勘探行业一直采用X射线荧光和ICP光谱和原子吸收测定法进行元素分析，这种传统方法虽能够分析出样品中的元素含量，但分析前需要先将样品粉碎或熔融，因此操作不便，无法满足野外现场快速测量样品中元素含量的需要。

检索发现，申请号为03128349.7名称为《激光感生击穿光谱煤质分析仪》的中国发明专利申请公开了一种借助激光进行煤质分析的仪器，该仪器包括取样部分和分析部分。使用时，光源系统的激光器发出的激光通过出射光口的滤波片，出射光路上与之成45°角装有平面镜，对应该平面镜与出射光路垂直设有凸透镜，其焦点处为石英分析池。据介绍，该装置可以在线一次同时测量煤中的元素，取样和测量时间小于5分钟，结构紧凑，可以满足燃煤电厂对煤样在线快速分析的问题。

此外，中国发明专利CN200420084695.8公开了一种《熔体组分实时在线测定装置》，该装置由通过光缆连接而成的两部分组成：包括由计算机、分光计、脉冲发生器和控制器组成的数据采集分析系统和包括按照光路摆放的激光发生器及其前面调谐分离器和光漏、依据焦距长短由下而上依次放置的凸透镜、二向色镜和光导纤维构成的激光诱发分解光谱探头。该装置的熔体中各元素被激光直接激发产生的光信号传输到数据采集分析系统，经计算处理，测定组分实时含量、算出组分调整加入量。从而实现熔体组分的实时在线测定，可以大大缩短熔体组分的分析测定时间，起到了提高产品质量、增加产能、降低能源消耗、相对延长炉体寿命的作用。

以上现有技术虽然都实现了利用激光激发光谱进行元素分析，然而分析精度有限，均只能分析含量较高的元素，对于微量元素则无能为力，同时只能测量固体，对气体和液体无法测量，不方便携带，因此均只适用于特定的行业，不能在其他行业应用。

发明内容

本发明要解决技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种适合气体、液体和固体样品中微量元素分析且操作简便的激光诱导等离子光谱分析法，同时给出实现该方法的专用分析仪，从而满足环保、钢铁、化工、材料及地质勘探野外现场快速测量气体、液体和固体样品中所有元素含量的需求。

为了解决以上技术问题，申请人在理论研究的基础上，经过反复试验，形成了本发明的激光诱导等离子分析法，包括以下步骤：

1)借助激光发生装置发射脉冲激光束，激光能量控制在20-50毫焦，脉冲时间控制在10±2纳秒；

2)通过聚光镜将激光束聚焦在样品台的待测样品上0-1毫米处，借助激光脉冲能量激发样品；

3)待激光束产生的高温使待测试样品产生等离子体后，在等离子体冷却湮灭的过程中，将等离子体中被激发的原子发射出的光谱投射到样品台侧的光纤接收端；

4)通过光纤将元素发射光谱引导到光谱仪中，分光后成像到CCD上；

5)将CCD由元素发射光谱转换成的电信号传输到计算机进行分析；

6)由计算机输出定性分析和元素含量分析结果。

本发明的以上步骤中，当具有一定能量的脉冲激光束通过聚焦成像到样品上时产生等离子体，样品中的元素吸收能量后产生能级跃迁。由于这种能级跃迁不稳定，在冷却跳回常态时将以发射光谱方式释放能量——不同的元素将发出对应的不同特征光谱，一般在200-980nm的波长范围，且特征光谱的强度和元素的含量成线性关系。因此，只要设法捕捉到有关的特征光谱，即可很方便地测出样品出的元素及其含量。

本发明通过科学控制激光能量、脉冲时间以及聚焦等参数，使激光束可以产生与已有技术完全不同的作用效果——在样品上产生使其等离子化的温度，从而激发出元素的发射光谱，再经光纤传输，经光电转换，记录瞬间特征光谱，由计算机分析得出测定结果。与前述的激光分析测定相比，本发明显著的优点是测定速度快，效率高，测量元素多，样品不用预处理，可测量气态、液态以及固态样品，方便携带，十分适合作为野外勘探现场样品与在线样品的测试方法。

值得一提的是，以上控制参数通过反复试验摸索得出，控制不好便难以达到本发明的目的。例如，激光能量过高会造成光谱仪采集的信号能量过饱和，无法获得所需的分析结果；能量过低，无法激发出等离子光谱，同样无法获得所需的分析结果。

实现上述方法的激光诱导等离子光谱分析仪包括脉冲激光发生装置、光谱仪、上位计算机，所述光谱仪含有分光装置、安置在分光装置输出端的CCD以及与CCD输出端连接的信号采集处理电路，所述激光发生装置的激光能量、脉冲时间可控制在＜50毫焦、10±2纳秒，发射端与样品台之间装有激光束聚光镜以及调焦机构；所述样品台侧安置光纤接收端，所述光纤输出端与所述光谱仪分光装置的输入端耦合连接，所述光谱仪信号采集处理电路的输出端与上位计算机通讯连接。

以上激光诱导等离子光谱分析仪的进一步完善是，样品台侧的光纤接收端安置在光谱聚光镜的焦点处。这样，激光束产生的高温使待测试样品产生等离子体后，在等离子体冷却湮灭的过程中，将等离子体中被激活的原子发射出的光谱聚焦到样品台侧的光纤接收端，更有利于光谱的采集与传输。

容易理解的是，采用激光诱导等离子光谱分析仪可以完成本发明的分析法，适合环保、钢铁、化工、材料及地质勘探野外现场使用，可以快速测量气体、液体和固体样品中所有元素的含量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为实现本发明方法激光诱导等离子光谱分析仪实施例的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的分析结果输出示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的激光诱导等离子光谱分析仪如图1所示，主要由Nd：YAG激光发生系统9、微型光谱仪1、上位计算机15以及传导光纤组成。其具体情况如下：

Nd：YAG激光发生系统——脉冲时间：10nm；激光能量：50毫焦；峰值功率＜100W；图中14为激光电源和水冷系统。该激光发生系统发射的激光束通过安装在发射端的激光聚光镜聚焦到样品台11上。样品台11高度可调，因此可以根据需要调节激光在样品上的聚焦位置。

传导光纤——包括样品台侧安置带光谱聚光镜的光纤接收端13。光纤接收端13位于光谱聚光镜的焦点处。该光纤的输出端与光谱测定仪分光装置的输入端耦合连接，用于传导辐射能量。

微型光谱仪——分光装置由正对光纤输入端口4的准直镜5、位于准直镜反射光路上的光栅3、位于光栅分光光路上的聚焦镜6构成，聚焦镜焦点附近安置CCD探测器7(型号为TH7834C)。其光机部分2分成三个通道，均为典型C-T结构，三个通道覆盖200nm-250nm，250nm-650nm和650-1050nm三个波段，组成完整的200-1050nm摄谱。通过光纤耦合到光谱仪的输入端口4，进入狭缝后射入准直镜5，准直后的平行光射到光栅3表面，通过分光元件光栅分光后经聚焦镜6成像到CCD探测器7谱面上。之后，三路CCD的输出端分别通过信号放大、处理电路10接中心采集处理电路12。值得一提的是，微型光谱仪可根据仪器测量分辨率设计要求，可以进行1至7个通道设计，来满足不同用途的需要，同时光谱仪通道可根据需要任意组合，具有很高的灵活性。

上位计算机——采用台式计算机或笔记本通过USB2.0或1394与微型光谱仪的中心采集处理电路实现通讯连接，系统数据通讯速率大于10MB/S。上层计算机软件具有谱图显示、寻峰、定性识别、峰高计算和定量计算等功能。

采用该激光诱导等离子光谱分析仪，可以通过以下步骤完成待测样品中各种元素含量的分析：

1)借助Nd:YAG激光发生系统发射脉冲激光束，激光能量为＜50毫焦(根据需要在20-50范围调节)，脉冲时间为10纳秒；

2)通过聚光镜将激光束聚焦在样品台的待测样品上0-1毫米处，借助激光脉冲能量激活样品；

3)待激光束产生的高温使待测试样品产生等离子体后，在等离子体冷却湮灭的过程中，将等离子体中被激活的原子发射出的光谱聚焦到样品台侧的光纤接收端；

4)通过光纤将元素发射光谱引导到光谱仪中，经分光装置中准直镜、光栅分光后，经聚焦镜成像到CCD上；

5)将CCD由元素发射光谱转换成的电信号经放大、处理后，由中心采集处理电路传输到计算机进行分析；

6)由计算机输出元素分析结果(参见图2)。

本实施例的激光诱导等离子光谱分析仪具有速度快、广谱和检出限低、携带方便的优点，便于野外现场测量和卫星搭载。

实验证明，由于通过采集等离子体冷却湮灭过程中激活原子发射出的光谱进行含量分析，并配以合理的光电传输系统，因此本实施例灵敏度极高，可以涵盖元素周期表所有元素的光谱(200-980nm的波长范围)，无遗漏地采集传输到光谱仪中，分辨率达0.1nm(FWHM)，灵敏度达皮克级(10^-12g)，适合应用在以下场合：

*地质勘查(矿物、岩石样品元素分析)

*环境检测(土壤污染、粉尖等)

*材料分析(金属材料、塑料等)

*医学与生物研究(牙齿、骨骼等成分分析)

*军事及安全应用(炸药、生化武器等成分分析)

*艺术保存品成分分析(色料、远古金属等)

其中，尤其适合于野外现场快速测量岩石矿物中所有元素，可以减小岩石矿物采样和实验室分析所花费的大量人力和物力。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，光谱仪的光机部分也可以是一个、二个、三个或更多个通道，分别覆盖对应的波段。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1、一种激光诱导等离子光谱分析法，包括以下步骤：

1)借助激光发生装置发射脉冲激光束，激光能量控制在20-50毫焦，脉冲时间控制在10±2纳秒；

2)通过聚光镜将激光束聚焦在样品台的待测样品上0-2毫米处，借助激光脉冲能量激活样品；

3)待激光束产生的高温使待测试样品产生等离子体后，在等离子体冷却湮灭的过程中，将等离子体中被激活的原子发射出的光谱投射到样品台侧的光纤接收端；

4)通过光纤将元素发射光谱引导到光谱仪中，分光后成像到CCD上；

5)将CCD由元素发射光谱转换成的电信号传输到计算机进行分析；

6)由计算机输出元素分析结果。

2.根据权利要求1所述激光诱导等离子光谱分析法，其特征在于：所述样品台侧的光纤接收端安置在光谱聚光镜的焦点处，所述步骤3)中将等离子体中被激活的原子发射出的光谱聚焦到样品台侧的光纤接收端。

3.根据权利要求2所述激光诱导等离子光谱分析法，其特征在于：所述光谱仪中的分光装置由正对光纤输入端口的准直镜、位于准直镜反射光路上的光栅、位于光栅分光光路上的聚焦镜构成，所述步骤4)中将发射光谱引导到光谱仪，经准直镜、光栅后，聚焦成像到CCD上。

4.一种激光诱导等离子光谱分析仪，包括脉冲激光发生装置、微型光谱仪、上位计算机，所述微型光谱仪含有分光装置、安置在分光装置输出端的CCD以及与CCD输出端连接的信号采集处理电路，其特征在于：所述激光发生装置的激光能量、脉冲时间控制在20-50毫焦、10±2纳秒，发射端与样品台之间装有激光束聚光镜以及调焦机构；所述样品台侧安置光纤接收端，所述光纤的输出端与所述微型光谱仪分光装置的输入端耦合连接，所述微型光谱仪信号采集处理电路的输出端与上位计算机通讯连接。

5.根据权利要求4所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述样品台侧的光纤接收端安置在光谱聚光镜的焦点处。

6.根据权利要求5所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述分光装置由正对光纤输入端口的准直镜、位于准直镜反射光路上的光栅，以及位于光栅分光光路上的聚焦镜，以及位于聚焦镜焦面附近的CCD探测器构成。

7.根据权利要求6所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述光谱仪的光机部含有一个以上分别覆盖对应波段的通道。

8.根据权利要求7所述激光诱导等离子光谱分析仪，其特征在于：所述分析仪的光机部分分成三个通道，分别覆盖200nm-250nm，250nm-650nm和650-1050nm三个波段。

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