CN203083931U - 一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于原子荧光光谱的水中重金属元素在线监测仪。包括进样-反应系统、原子化系统和光学系统。进样-反应系统将水样或标准溶液定量引入仪器并与还原剂反应生成气态的重金属氢化物，由载气携带经过水汽分离后进入原子化系统，于合适温度下气态氢化物分解为金属原子，在光学系统特定波长激发光的激发作用下，气态金属原子产生共振或非共振荧光，通过对荧光强度的测量，获得重金属元素的定量结果。本实用新型充分利用了原子荧光光谱分析原理的优势，实现了水中重金属元素高灵敏度快速的在线监测并最大限度地避免了分析干扰问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种应用原子荧光光谱原理在线监测水中重金属元素含量设备。
背景技术
水体中有毒有害重金属（如铅、砷、镉、汞等）的污染具有含量低、危害大的特点，特别是其在生物体内易于累积，对于生态系统和人体健康存在着非常大的不利影响。为了及时准确地反映和了解水体中重金属的存在状况并加以治理，对于这些重金属元素的在线监测近年来正逐渐受到重视。然而，目前重金属的在线分析却存在着不可回避的技术障碍，主要表现为：
一、在线分析中采用最多的是可见分光光度法，这种方法具有技术成熟、结果稳定和便于推广的优势，监测综合性污染指标( 如：水中的总磷、总氮等 )时取得了良好的实用效果。但将该方法应用在单一的重金属污染指标监测时，会面临最为突出的分析干扰问题。水体中普遍存在的干扰离子极有可能同加入的显色剂反应，从而造成体系中严重而复杂的光谱重叠现象。特别是当目标元素含量低，而干扰元素含量很高时，准确的定量几乎无法进行。而在实验室中常用的分离或掩蔽等手段，虽然可以有效地去除干扰，但其操作过程复杂且针对性强，不适合由仪器自动完成，而难于在线监测设备中有效地采用；
二、为此，目前的在线监测设备普遍采用了电化学原理和方法进行分析。利用电极或条件的选择性，在很大程度上解决了干扰问题。但是，相对于其他分析方法而言，电化学法的稳定性和重复性较差，尤其在面对洁净程度较差的环境水样时，由电极污染造成的漂移是不可避免的。另外，由于现场检测要求的仪器维护率低，由于进入仪器的样品洁净程度差，使电极的寿命受到明显的影响，维修更换电极情况多，从而大大提高了设备的运行成本；
实用新型内容
针对上述技术背景，本实用新型提出了一种基于原子荧光光谱原理在线监测水中重金属元素含量的仪器设备。
本实用新型的目的是通过以下措施实现的：
一种水中重金属的在线分析仪，其特征是：该仪器由进样-反应系统、原子化系统和光学系统三部分组成；
1）所述进样-反应系统，包括定量采样支路、还原剂支路、载气支路、混合池和汽液分离器，其中：定量采样支路包括依次由管路连接的三通切换阀(201)、蠕动泵A(202)、电磁阀A(204)、定量环(205)和电磁阀B(206)；还原剂支路设有蠕动泵B(203)；所述电磁阀B(206)、蠕动泵B(203)及载气支路分别与混合池(207)连通，混合池(207)又与气液分离器(208)连通；
2）所述原子化系统，包括石英原子化器(210)和位于其上口部的电加热丝(211)以及气态氢化物导管(209)；所述石英原子化器(210)经气态氢化物导管(209)与气液分离器(208)相连；
3）所述光学系统，包括阴极灯、光电倍增管(303)、聚光透镜A(304)和聚光透镜B(305)。
所述光学系统中：
聚光透镜A(304)水平位于高性能空心阴极灯(302)和石英原子化器(210)上口处火焰之间的光路上，聚光透镜B(305)位于光电倍增管（303）与所述火焰之间的另一光路上，两光路之间交叉设置。两光路交叉的角度为90度。
所述的进样-反应系统中所述载气(103)为氩气。
与蠕动泵A(202)连通的三通切换阀(201)，另外两路分别连通标准液供给装置和载流液供给装置。
所述电磁阀A(204)的1位与电磁阀B(206)的2位之间经定量环(205)连通；电磁阀A(204)的3位与电磁阀B(206)的3位连通，并连接废流排放管；电磁阀A(204)的2位与蠕动泵A(202)连通，电磁阀B(206)的1位与混合池（207）连通。
所述阴极灯采用高性能空心阴极灯(302)。
该系统还设有自动控制系统（401），其中蠕动泵A(202)、蠕动泵B(203)、电磁阀A(204)，电磁阀B(206)、高性能空心阴极灯(302)及光电倍增管（303）的控制端分别与自动控制系统相连。
该系统还设有数据采集与处理系统（402），数据采集与处理系统（402）和自动控制系统（401）相连。
本实用新型采用原子荧光光谱法的原理。
本实用新型相比现有技术具有如下优点：
本实用新型提出了基于原子荧光原理的重金属在线监测方法及仪器。原子荧光光谱法的基本原理是利用原子自身的特征谱线激发出特定波长的荧光，利用荧光的强度定量，有效克服了分光光度法和电化学法在重金属检测方面的不足。其优势可以归纳为以下几个方面：
1.灵敏度高。原子荧光的强度与技法光源的强度成正相关，检测方向为偏离入射光的方向（一般偏离角度是为90度），因此几乎是在无背景的情况下测定的，所以其灵敏度很高；
2.谱线简单，具有良好的选择性。由于每种产生原子都是在自身的特征谱线激发下才可产生荧光，所以共存元素原子在待测元素的特征谱线激发下产生荧光的概率极低，而且原子荧光的谱线相对简单，由光谱重叠所产生的干扰少，因此避免了样品中共存元素的影响；
3.分析曲线的线性范围宽。原子荧光法分析曲线的线性极佳，可达2个数量级或以上，因此具有更广泛的适应性；
4.仪器结构简单且价格适宜，便于大量推广应用。因为原子荧光的谱线简单，因而不需要复杂昂贵的单色系统，可以通过采用适当的元件或电路设计形成无散射原子荧光在线监测仪，具有性能和价格的双重优势。
同时，光谱法的稳定性、可靠性以及相关设备的简单耐用等特点，都使原子荧光法成为一种非常实用且应用前景极佳的重金属在线监测方法。
本实用新型利用原子荧光光谱建立了水中重金属的在线监测仪器，利用某种具体元素原子的特征谱线诱导荧光，最大限度地克服了重金属测定普遍存在的干扰问题，且灵敏度优于其他方法，仪器性能稳定，是一种具有潜力的重金属在线分析设备。当水中含有多种重金属元素时，由于每种产生原子都是在自身的特征谱线激发下才可产生荧光，所以共存元素原子在待测元素的特征谱线激发下产生荧光的概率极低，避免了样品中共存元素的影响。
附图说明
附图1：本实用新型所述的基于原子荧光法的重金属在线监测仪组成原理图。
101:标准样品或水样，102：载流液，103：还原剂，104：载气，105：废液；106：废液
201：三通切换阀，202：蠕动泵A，203：蠕动泵B，204：电磁阀A，205：定量环，206：电磁阀B，207：混合池，208：气液分离器，209：气态氢化物导管
210：石英原子化器，211：电加热丝；
301：氢火焰，302：高性能空心阴极灯，303：光电倍增管，304：聚光透镜A，
305：聚光透镜B，306：激发光，307：发射荧光；
401：自动控制系统，402：数据采集与处理系统。
附图2：应用原子荧光重金属在线仪器，在实施例1的条件步骤下测得的水中Cd的标准曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步描述。
实施例1
以构建的原子荧光法重金属在线监测仪测定水中的Cd（镉），其具体过程如下：
1、清洗：如图1中，三通切换阀(201)与载流液(102)连通，电磁阀A(204)的1位和2位连通，电磁阀B(206)的1位和2位连通，蠕动泵A(202)启动将载流液吸入定量环(205)并流入混合池(207)、气液分离器(208)，同时蠕动泵B(203)启动，将还原剂NaBH4（硼氢化钠）吸入管路并流入混合池，并经气液分离器208的废流排放出口排放掉，完成对管路的清洗；
2、采样：三通切换阀(201)与样品(101)连通，电磁阀A(204)的1位和2位连通，电磁阀B(206)的2位和3位连通，蠕动泵A(202)启动将样品吸入定量环(205)后，多余样品经电磁阀B(206)的2位至3位从废液管(105)排出；之后三通切换阀(201)与载流液(102)连通，电磁阀A(204)的2位和3位连通，蠕动泵A(202)将载流液吸入后，多余的载流液经电磁阀A(204)的2位至3位从废液管(105)排出，完成对样品的定量采样过程；
3、样品反应：三通切换阀(201)与载流液(102)连通，电磁阀A(204)的1位和2位连通，电磁阀B(206)的1位和2位连通，蠕动泵A(202)启动将贮存于定量环(205)中的样品推送至混合池(207)，同时启动蠕动泵B(203)并打开载气(104)，样品和NaBH4于混合池中混合并快速反应，生成的CdH2中间体由氩气带入气液分离器中；
4、重金属原子化：CdH2中间体极不稳定，很快分解为Cd原子和氢气，被氩气携带经导管(209)进入石英原子化器(210)中，氢气在石英原子化器(210)的顶端燃烧形成氢火焰(301)；
5、光学系统探测：来自于镉元素高性能空心阴极灯(302)（阴极灯与待测重金属元素相对应）的228.80 nm谱线(306)经过聚光透镜A(304)的会聚照射到氢火焰(301)上，氢火焰中存在的Cd原子被激发，发出荧光(307)经聚光透镜B(305)后被光电倍增管(303)接收，形成正比于荧光强度的光电流。
实施例二：
本实用新型的原子荧光法重金属在线监测仪还设有自动控制系统401和数据采集与处理系统402。实施例一中由自动控制系统401控制空心阴极灯302的调制频率（200Hz）、占空比（1:5）以及空心阴极灯的灯电流，预热和点亮时间。同时控制光电倍增管303的采样时间。光电倍增管303产生的信号经数据采集与处理系统(402)调理和放大后，换算为样品中Cd元素的含量，并最终由自动控制系统(401)完成数据的显示、记录和传递等。
实施例三：
采用实施1的方法，测定水中Cd的标准曲线图如图2所示，由图2可见，本实用新型原子荧光法分析曲线的线性极佳，可达2个数量级或以上，仪器灵敏度，具有广泛的适应性。
Claims (9)
1.一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：该仪器由进样-反应系统、原子化系统和光学系统三部分组成；
1）所述进样-反应系统，包括定量采样支路、还原剂支路、载气支路、混合池和汽液分离器，其中：定量采样支路包括依次由管路连接的三通切换阀(201)、蠕动泵A(202)、电磁阀A(204)、定量环(205)和电磁阀B(206)；还原剂支路设有蠕动泵B(203)；所述电磁阀B(206)、蠕动泵B(203)及载气支路分别与混合池(207)连通，混合池(207)又与气液分离器(208)连通；
2）所述原子化系统，包括石英原子化器(210)和位于其上口部的电加热丝(211)以及气态氢化物导管(209)；所述石英原子化器(210)经气态氢化物导管(209)与气液分离器(208)相连；
3）所述光学系统，包括阴极灯、光电倍增管(303)、聚光透镜A(304)和聚光透镜B(305)。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：所述光学系统中：
聚光透镜A(304)水平位于高性能空心阴极灯(302)和石英原子化器(210)上口处火焰之间的光路上，聚光透镜B(305)位于光电倍增管（303）与所述火焰之间的另一光路上，两光路之间交叉设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：两光路交叉的角度为90度。
4.根据权利要求1所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：所述的进样-反应系统中所述载气(103)为氩气。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：与蠕动泵A(202)连通的三通切换阀(201)，另外两路分别连通标准液供给装置和载流液供给装置。
6.根据权利要求5所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：所述电磁阀A(204)的1位与电磁阀B(206)的2位之间经定量环(205)连通；电磁阀A(204)的3位与电磁阀B(206)的3位连通，并连接废流排放管；电磁阀A(204)的2位与蠕动泵A(202)连通，电磁阀B(206)的1位与混合池（207）连通。
7.根据权利要求6所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：所述阴极灯采用高性能空心阴极灯(302)。
8.根据权利要求1所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：该系统还设有自动控制系统（401），其中蠕动泵A(202)、蠕动泵B(203)、电磁阀A(204)，电磁阀B(206)、高性能空心阴极灯(302)及光电倍增管（303）的控制端分别与自动控制系统相连。
9.根据权利要求1或8所述的一种基于原子荧光光谱法的水中重金属在线监测仪，其特征是：.该系统还设有数据采集与处理系统（402），数据采集与处理系统（402）和自动控制系统（401）相连。
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| CN107561050A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-01-09 | 蓝靖 | 便携式低温等离子体原子荧光测砷分析装置 |
| CN109001171A (zh) * | 2018-08-15 | 2018-12-14 | 东北大学 | 一种原子荧光法监测环境水中氮营养盐的装置及方法 |
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