CN207742192U - 集成便携式重金属快速分析仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种集成便携式重金属快速分析仪，包括：液体进样装置、气动微雾化系统、电晕放电系统和光谱系统，所述气动微雾化系统包括：鞘气载气瓶、辅气载气瓶、三通a、三通b、三通c、液体通道、鞘气通道和辅气通道；所述液体进样装置中的待测液体经三通a的中间端口进入到所述液体通道；所述鞘气载气瓶经三通b中间端口将载气通入到所述鞘气通道；所述辅气载气瓶经三通c中间端口将辅气通入到所述辅气通道；所述液体通道、所述鞘气通道和所述辅气通道同轴排布。本申请的分析仪增加了一条载气通道，在保证重金属样品快速有效地进行定量分析的同时，降低样品离子束的损失，提高了仪器检测的准确性与精密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电晕放电与喷雾集成发射光谱分析液体中重金属含量的便携检测装置，具体涉及一种集成便携式重金属快速分析仪，属于环境分析化学技术领域。
背景技术
重金属污染是当今环境污染中污染面积最广、危害最大的问题之一。环境中重金属污染的来源主要是采矿、冶炼等工矿企业排放的废气、废水和废渣，煤和石油等矿物燃料的燃烧以及农药化肥的过量使用，其中主要包括Hg、Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Ni及类金属As等。广泛的重金属来源使得大气、水和土壤环境中重金属污染日益加重。降雨过程可以将大气、土壤和道路灰尘中重金属转移至水体中；长时间不合理的污水灌溉等可以使得水体中重金属进入土壤。重金属进入到环境中后，很难被生物降解，只能发生形态和相的转移。受重金属污染的水体和土壤被生物利用后，会在体内发生累积，并随着食物链向上传递，对人类和生态系统产生不可估量的危害。因此，对人类生存环境中存在的重金属进行密切的、便捷的实时检测显得尤为重要。
目前重金属含量的常规检测方法，如原子吸收-分光光度法、电感耦合等离子体-原子发射光谱法等，往往受到检测装置较大、难以移动等的限制，很难实现水中重金属快速灵敏的原位实时监测。因此，设计、开发灵敏、准确的便携式水体重金属检测装置是十分迫切的。
非热型微等离子体(如介质阻挡放电DBD)可以通过气动的方式对溶液中重金属进行直接雾化，并以通电的方式，将雾化的重金属电离为等离子体，再通过光谱仪接收待测重金属的特征光谱信号并进行分析测定。该方法所需仪器体型较小、且对溶液中重金属进行直接雾化和激发可以显著提高该方法的灵敏度，可以实现水体重金属的便携式检测。
本申请实用新型人在研究中发现，现有的便携式检测装置仅设计一条载气通道用于雾化液体样品，产生的喷雾不可避免得发生逸散，从而造成待测物质的损失及透镜镜面的污染，使得检测结果出现偏差；现有的便携式检测装置采用常规的铂丝线圈电极，铂丝线圈电极与待测液体接触面较小，不能有效的将其电离，影响待测样品的电离效率，降低了装置检测的准确性。
实用新型内容
本实用新型为实现液体样品中重金属的原位检测、降低雾化样品离子束的损失，提出了一种集成便携式重金属快速分析仪，该分析仪增加了一条载气通道，在保证重金属样品快速有效地进行定量分析的同时，降低样品离子束的损失，大大提高了仪器检测的准确性与精密度。
一方面，本实用新型的一种集成便携式重金属快速分析仪，包括：
液体进样装置、气动微雾化系统、电晕放电系统和光谱系统，
所述气动微雾化系统包括：鞘气载气瓶、辅气载气瓶、三通a、三通b、三通c、液体通道、鞘气通道和辅气通道；所述液体进样装置中的待测液体经三通a的中间端口进入到所述液体通道；所述鞘气载气瓶经三通b中间端口将载气通入到所述鞘气通道；所述辅气载气瓶经三通c中间端口将辅气通入到所述辅气通道；
所述液体通道、所述鞘气通道和所述辅气通道同轴排布。
进一步地，所述电晕放电系统包括：
电极a、电极b和电源；所述电源两端分别与电极a和电极b电连接；所述电极横穿所述液体通道并与所述液体通道同轴设置。
进一步地，所述光谱系统包括：
透镜、光纤和光纤光谱仪；所述透镜经所述光纤与所述光纤光谱仪相连。
进一步地，所述液体进样装置的液体流速为1-80μl/s；采样频率为0-60次/h。
进一步地，所述液体通道采用石英毛细管制成，内径200μm，外径360μm，长度10cm；
所述鞘气通道采用石英毛细管制成，内径530μm，外径670μm，长度8cm；
所述辅气通道采用石英毛细管制成，内径750μm，外径1.59mm，长度6cm。
进一步地，所述鞘气为氩气或氦气，流速为1-600ml/min；所述辅气为氩气或氦气，流速为1-500ml/min。
进一步地，所述电极a长度为12-15cm，直径为50-80μm；所述电极a和电极b的距离为5-15mm；所述电极a的导电金属为铂、金、银或钨；所述电极b的导电金属为铂、金、银或钨；所述电极b为正方形，边长为2-4cm，厚度为0.02-0.6mm。
进一步地，所述电源的电压为3.5-5.0KV，频率为40-50KHz。
进一步地，所述透镜布置于电极一侧，距电极10-15cm；所述透镜的内径为600-1000μ m，长度为10-20cm；所述光纤的磁芯直径为90μm，长度为20cm；
所述光纤光谱仪的狭缝宽度为25μm，光栅为1600条/mm，光谱分辨率为0.2nm。
另一方面，根据上述分析仪的分析检测方法，包括如下步骤：
(一)、开启所述鞘气通道和所述辅气通道载气，使载气由所述气动微雾化系统出口持续稳定喷出，开启供电电源，使电晕放电系统可持续产生DBD等离子体；
(二)待等离子体稳定产生后开始进样；通过所述液体进样装置将样品注入气动微雾化系统，在雾化系统出口通过鞘气载气将其雾化为液体小颗粒，并通过辅气载气将雾化液体集中为形状较规则的喷雾束，同时进入到DBD等离子体激发源中激发等离子体，产生特征发射光谱；
(三)利用透镜收集待测物质的特征光谱，通过光纤将信号传导至光谱仪中，并进行记录分析。
与现有技术相比，本实用新型的集成便携式重金属快速分析仪，具有：
1、本实用新型集成装置体型较小、可便携，样品检测频率较高，适用于实际样品的原位检测；
2、本实用新型集成装置的双载气通道设计可以使液体喷雾束更加集中，一方面提高了检测结果的准确性和精密度、另一方面降低了喷雾逸散对装置造成的污染。
3、铂丝电极贯穿整个液体通道，增大了与待测液体的接触面积，可以提高待测物质的电离效率，从而提高仪器检测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例集成便携式重金属快速分析仪实施例的示意图；
图2本实用新型实施例获得0-20微克每升铅溶液标准曲线图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型集成便携式重金属快速分析仪，包括：液体进样装置1、气动微雾化系统、电晕放电系统和光谱系统。所述气动微雾化系统包括载气瓶2和载气瓶3，三通4、三通5和三通6、液体通道8、鞘气通道9和辅气通道10，且三管道同轴；液体进样装置1与三通4中间端口相连，用于将待测液体经注入到液体通道8；载气瓶2与三通5中间端口相连，用于将载气通入鞘气通道9，从而雾化待测液体，载气瓶3经三通6中间端口相连，用于将载气通入辅气通道10，从而集中喷雾束，本实用新型实施例通过在外侧增加一条载气通道的方式，可以修正喷雾形状，降低喷雾的逸散几率，从而提高装置检测的准确性。所述电晕放电系统包括铂丝电极7(也可为金、银或钨)、交流电源11、铂片电极12(亦可为金、银或钨)和导线13；铂丝电极7横穿所述液体通道8，并于其同轴，本实用新型实施例通过将细长的铂丝电极横穿待测液体通道，增大两者的接触面积，可以大大提高待测样品的电离效率，提高装置检测的准确性。交流电源11通过导线13分别与铂丝电极7和铂片电极12相连，用于将雾化液体电离为等离子体，并发射出待测物质的特征光谱；所述光谱收集装置包括透镜14、光纤15和光纤光谱仪16；透镜14通过光纤15与光纤光谱仪16相连，用于将特征光谱进行收集，并通过光纤耦合并传导至光纤光谱仪中进行记录与分析。
液体通道8采用石英毛细管制成，内径200μm，外径360μm，长度10cm；鞘气通道9采用石英毛细管制成，内径530μm，外径670μm，长度8cm；辅气通道10采用石英毛细管制成，内径750μm，外径1.59mm，长度6cm；鞘气为氩气，流速为600ml/min；辅气为氩气，流速为300ml/min；铂丝电极7长度为12cm，直径为60μm；铂丝电极7与铂片电极12距离5mm；铂片电极12边长为2cm，厚度为0.3mm；交流电源11的电压为3.9KV，频率为40KHz；透镜14分布于电极一侧，距电极10cm；所述透镜14的内径为950μm，长度为20cm。
在本实用新型实施例中，液体进样系统可为FIA lab Instruments Inc.；CCD型号可为德国 Mut公司的Tristan-5。
本实用新型实施例的分析仪的分析检测方法，包括如下步骤：
(一)、开启所述鞘气通道和所述辅气通道载气，使载气由所述气动微雾化系统出口持续稳定喷出，开启供电电源，使电晕放电系统可持续产生DBD等离子体；
(二)待等离子体稳定产生后开始进样；通过所述液体进样装置将样品注入气动微雾化系统，在雾化系统出口通过鞘气载气将其雾化为液体小颗粒，并通过辅气载气将雾化液体集中为形状较规则的喷雾束，同时进入到DBD等离子体激发源中激发等离子体，产生特征发射光谱；
(三)利用透镜收集待测物质的特征光谱，通过光纤将信号传导至光谱仪中，并进行记录分析。
以测定Pb为例，本实用新型集成便携重金属检测装置测定Pb的具体步骤如下：
(一)开启两通道载气，鞘气和辅气流速分别设置为600和300ml/min；待载气由雾化系统出口持续稳定喷出后，开启电源，在电极两端加载2.9kV的高频交流电压，使电晕放电系统可持续产生DBD等离子体；
(二)待等离子体可稳定产生后开始进样；通过液体进样系统将50μL含Pb2+样品以5 μL/s的流速注入气动微雾化系统，在雾化系统出口通过内侧载气(鞘气)将其雾化为液体小颗粒，并通过外侧载气(辅气)将雾化液体集中为形状较规则的喷雾束，同时进入到DBD等离子体激发源中激发等离子体，产生特征发射光谱；
(三)利用透镜收集待测物质的特征光谱，通过光纤将信号传导至光谱仪中，并进行记录分析；
(四)实验完成后，清洗液体进样系统及气动微雾化系统中的液体通道，为下一次进样作准备；
本实用新型装置的Pb2+线性检测范围为10-1000μg/L，标准曲线图如图2所示。
将采集的三种具有代表性的水体样品(包括河水、海水和地下水)进行简单的预处理提取实验后(经0.45μm的滤膜过滤后，加入一定比例的盐酸提取样品)，分别经本实用新型集成便携装置和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)定量分析，并将两装置的检测结果进行了对比。
分析结果如表1所示。该结果表明本装置分析多种环境水样结果与电感耦合等离子体质谱分析结果一致，证实本方法结果可靠、准确。
表1电感耦合等离子体质谱和本实用新型装置分析环境水样和土壤样品Pb含量对比
本方明装置检测水样中铅元素的灵敏度可达20ng/L，精密度小于3％，分析时间不超过 1min，装置总重量不超过10Kg，适用于原位测定实际环境中多种液体样品中的金属元素。上述方案的分析装置在使用时，待测液体在气动微雾化系统喷嘴处经鞘气和辅气的双重作用下，待测液体被转化为比较集中的锥形喷雾束，避免喷雾逸散。该锥形喷雾束一方面减少待测物质的损失，提高仪器的准确性，另一方面可以减少逸散的喷雾对透镜镜面的污染。电极金属丝贯穿整个液体通道，增大了与待测液体的接触面积，可以提高待测物质的电离效率，从而提高仪器检测的准确性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种集成便携式重金属快速分析仪，其特征在于，包括：
液体进样装置(1)、气动微雾化系统(2,3,4,5,6,8,9,10)、电晕放电系统(7,11,12,13)和光谱系统(14,15,16)，
所述气动微雾化系统包括：鞘气载气瓶(2)、辅气载气瓶(3)、三通a(4)、三通b(5)、三通c(6)、液体通道(8)、鞘气通道(9)和辅气通道(10)；所述液体进样装置(1)中的待测液体经三通a(4)的中间端口进入到所述液体通道(8)；所述鞘气载气瓶(2)经三通b(5)中间端口将载气通入到所述鞘气通道(9)；所述辅气载气瓶(3)经三通c(6)中间端口将辅气通入到所述辅气通道(10)；
所述液体通道(8)、所述鞘气通道(9)和所述辅气通道(10)同轴排布。
2.根据权利要求1所述分析仪，其特征在于，所述电晕放电系统包括：
电极a(7)、电极b(12)和电源(11)；所述电源(11)两端分别与电极a(7)和电极b(12)电连接；所述电极a(7)横穿所述液体通道(8)并与所述液体通道(8)同轴设置。
3.根据权利要求1所述分析仪，其特征在于，所述光谱系统包括：
透镜(14)、光纤(15)和光纤光谱仪(16)；所述透镜(14)经所述光纤(15)与所述光纤光谱仪(16)相连。
4.根据权利要求1所述分析仪，其特征在于，所述液体进样装置(1)的液体流速为1-80μl/s；采样频率为0-60次/h。
5.根据权利要求1或2所述分析仪，其特征在于，所述液体通道(8)采用石英毛细管制成，内径200μm，外径360μm，长度10cm；
所述鞘气通道(9)采用石英毛细管制成，内径530μm，外径670μm，长度8cm；
所述辅气通道(10)采用石英毛细管制成，内径750μm，外径1.59mm，长度6cm。
6.根据权利要求1或2所述分析仪，其特征在于，所述鞘气为氩气或氦气，流速为1-600ml/min；所述辅气为氩气或氦气，流速为1-500ml/min。
7.根据权利要求2所述分析仪，其特征在于，所述电极a(7)长度为12-15cm，直径为50-80μm；所述电极a(7)和电极b(12)的距离为5-15mm；所述电极a(7)的导电金属为铂、金、银或钨；所述电极b(12)的导电金属为铂、金、银或钨；所述电极b(12)为正方形，边长为2-4cm，电极厚度为0.02-0.6mm。
8.根据权利要求2所述分析仪，其特征在于，所述电源(11)的电压为3.5-5.0KV，频率为40-50KHz。
9.根据权利要求3所述分析仪，其特征在于，所述透镜(14)布置于电极一侧，距电极10-15cm；所述透镜(14)的内径为600-1000μm，长度为10-20cm；所述光纤(15)的磁芯直径为90μm，长度为20cm；
所述光纤光谱仪(16)的狭缝宽度为25μm，光栅为1600条/mm，光谱分辨率为0.2nm。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201721789623.7U CN207742192U (zh) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | 集成便携式重金属快速分析仪 |
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| CN201721789623.7U CN207742192U (zh) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | 集成便携式重金属快速分析仪 |
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| Publication Number | Publication Date |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107843709A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-03-27 | 农业部环境保护科研监测所 | 集成便携式重金属快速分析仪及其分析检测方法 |
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2017
- 2017-12-19 CN CN201721789623.7U patent/CN207742192U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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