CN219305095U - 阵列尖端放电激发源及其原子发射光谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种阵列尖端放电激发源及其原子发射光谱分析装置，其中阵列尖端放电激发源，由阵列设置的三对尖端放电微等离子体构成，三对尖端电极对称、等间距阵列放置，形成串联、级联放电，增强尖端放电激发源的激发能力；结合蒸气进样方式，预先分离样品水分和基体，待测元素的易挥发形态以气态蒸气的方式由工作气体引入激发源的阵列尖端放电微等离子体中，被原子化/激发产生待测元素的特征原子发射光谱信号，经小型CCD光谱检测器检测。本实用新型的激发源及其分析装置与方法具有激发能力强、激发效率高、灵敏度高、抗干扰能力强(样品水分与基体干扰小)、稳定性好等特点。

Description

阵列尖端放电激发源及其原子发射光谱分析装置

技术领域

本实用新型涉及原子发射光谱分析技术，具体涉及一种阵列尖端放电激发源及其原子发射光谱分析装置，用于检测可生成分析物蒸气并能在阵列尖端放电微等离子体中被原子化/激发的元素。

技术背景

原子光谱分析法是元素分析的最重要手段之一，在环境检测、食品安全、生物制药等方面有着广泛的应用，主要包括原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱和原子质谱。但在传统的原子光谱仪器中，作为其核心部件的原子化器/激发源均基于高温体系而设计，以及复杂的光学系统等导致其体积庞大、能量消耗高、运行成本高，同时附属设备多等原因使其只能局限于实验室使用。然而，随着社会的发展与进步，对现场分析的需求日益增多，要求能具有原位、实时、在线的分析能力，以应对越来越多的环境污染、食品安全、突发应急事件、环境监测等的需求。因此，原子光谱仪器也需要走出实验室，实现多种场合下的无机元素尤其是金属元素的现场分析检测，这样也能避免传统实验室仪器的“采样-送样-检测”过程所带来的数据不准确的问题。相应地，小型化甚至便携式的原子光谱仪器便成为该领域的一个重要研究方向。在现有原子光谱仪器中，原子发射光谱由于结构简单，无需额外的辐照光源，在小型化方面具有一定潜力和优势。根据其仪器原理和结构，体积大小、能耗高低以及运行成本主要由其核心部件激发源所决定。而传统的激发方式包括火焰、电热以及等离子体技术，如电感耦合等离子体。但这些激发源都属于热激发，为了提供分析元素被充分原子化/激发所需的高温以获得实验室分析所需的性能，装置较为复杂、能耗高，体积也比较庞大，这成为原子发射光谱仪器小型化的最大阻碍。

由于电感耦合等离子体技术近年来所取得的巨大成功，比如电感耦合等离子体原子发射光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪等，微等离子体技术在小型化的原子光谱分析仪器研制中也获得了广泛的关注。微等离子体是指被限制在一个有限的空间范围内(尺度为毫米量级甚至更低)的等离子体，通常具有体积小、功耗低、电子密度/温度高、可在大气压下工作与操作等优点。同时，由于结构紧凑，在分析仪器构建过程中容易与其它单元联用与集成。光谱分析中常用的微等离子体主要有辉光放电、介质阻挡放电和尖端放电等。将微等离子体作为激发源构建小型化的原子发射光谱仪将具备结构简单紧凑、操作简便、运行成本低等独特优势，从而在现场分析应用中具有一定的优势和潜力。

尖端放电(Point Discharge，PD)微等离子体是一种非平衡微等离子体，可在两根电极(其中一根或两根具有针尖形状)之间产生。电极的尖端结构处曲率大，使其拥有更集中的电子密度等更优异的微等离子体参数；由于是电极之间直接放电，没有类似于介质阻挡放电中电极之间的阻挡介质，可获得更高的激发能量。然而，虽然尖端放电的能量比较集中，但由于其放电等离子体区域小，总激发能力相对有限；同时，由于放电等离子体区域小，分析物蒸气不能很好地进入微等离子体中参与激发过程，导致激发效率低。另外，和大多数微等离子体激发源一样，放电微等离子体体积的减小和功耗的降低将削弱其原子化/激发能力，并容易受样品中水分与基体的干扰，稳定性降低。因此，设计新型的尖端放电激发源，提升激发源的激发能力并提高分析物进入微等离子体参与激发过程的比例，将是增强基于尖端放电微等离子体的小型化原子发射光谱仪器装置分析性能的有效途径。

实用新型内容

本实用新型的目的：针对上面所述的尖端放电微等离子体作为原子发射光谱分析的激发源存在的问题和不足，提供了一种激发能力强、激发效率高、受样品水分与基体干扰小的原子发射光谱激发源，通过阵列尖端放电微等离子体激发源来实现。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种阵列尖端放电激发源，包括绝缘放电底座，所述的绝缘放电底座上设有放电腔体，放电腔体通过密封石英片覆盖以形成正面密闭；放电腔体两侧对称、等间距阵列设置三对固定孔，三对尖端电极分别插入固定孔中，每一对尖端电极的尖端之间保持一定间隔，以产生三对尖端放电微等离子体；放电腔体两侧之间为气流通道，两端为气流进出口，气流依次通过三对尖端电极，气流进口为样品入口，气流出口作为检测窗口。

所述的放电腔体的长×宽×深为18×5×3mm；相邻两对尖端电极之间的间距为5mm。

所述尖端电极为钨材质，直径1.5mm，长度15mm；每对所述尖端电极的尖端之间的间隔为4mm。

一种阵列尖端放电激发源，通过在密闭的放电腔体内，沿样品蒸气气流的方向，阵列设置三对尖端电极，产生三对放电微等离子体，形成串联/级联放电，增强激发能力；另外，由于放电微等离子体区域的增大，使激发源的总激发能力获得增强，并能使更多的气态分析物进入放电等离子体区域充分参与激发过程，提高激发效率或有效激发率(气态分析物参与激发过程的比例)。放电腔体沿样品蒸气气流的方向设置两个开口，一个作为样品入口，另一个作为光谱检测窗口。放电腔体可以使用透明材质或覆盖石英片进行密封以便观察阵列尖端放电微等离子体的工作状态，也可全部采用非透明材质进行构建。

本实用新型的另一目的：针对上面所述现有小型化原子发射光谱仪器的问题和不足，提供一种基于阵列尖端放电微等离子体激发源的小型化的原子发射光谱分析装置，具有激发能力强、激发效率高、受样品水分与基体干扰小、结构紧凑、体积小等特点。

本实用新型的另一目的是这样实现的：

原子发射光谱分析装置，使用所述阵列尖端放电激发源，包括蒸气进样系统、工作气体系统、隔离石英片、聚焦透镜、小型CCD光谱检测器；

蒸气进样系统：含有待测元素的样品在蒸气进样系统中产生待测元素的易挥发形态，以气态分析物蒸气的形式进入后续的阵列尖端放电激发源；

工作气体系统：采用惰性气体氩气或氦气作为工作气体，其既作为放电气体被高压击穿产生尖端放电微等离子体，也作为载气将分析物蒸气带入阵列尖端放电激发源中；

阵列尖端放电激发源：分析物蒸气被载气从样品入口带入阵列尖端放电激发源的尖端放电微等离子体中，在其中被原子化/激发，并产生待测元素的特征原子发射光谱信号；

隔离石英片：位于阵列尖端放电激发源的检测窗口和聚焦透镜之间，用于隔离等离子体区域与后续光谱检测区域，避免污染光学元件；

聚焦透镜：对穿过隔离石英片后的原子发射光谱的光线进行聚焦；

小型CCD光谱检测器：阵列尖端放电激发源中产生的原子发射光谱信号最终进入小型CCD光谱检测器进行光谱采集，获得待测元素的特征原子发射光谱，并作后续数据处理。

原子发射光谱分析方法，采用所述原子发射光谱分析装置，方法包括以下步骤：

工作气体系统将工作气体导入到蒸气进样系统中，其既作为放电气体被高压击穿产生尖端放电微等离子体，也作为载气将分析物蒸气带入阵列尖端放电激发源中；

样品从样品引入口进入蒸气进样系统：含有待测元素的样品在蒸气进样系统中产生待测元素的易挥发形态，被载气从样品入口带入阵列尖端放电激发源的尖端放电微等离子体中，在其中被原子化/激发，并产生待测元素的特征原子发射光谱信号；

聚焦透镜对穿过隔离石英片后的原子发射光谱的光线进行聚焦；最终进入小型CCD光谱检测器进行光谱采集，获得待测元素的特征原子发射光谱，并作后续数据处理。

由于阵列尖端放电激发源的使用，结合蒸气进样方式，所构建的原子发射光谱分析装置整体的灵敏度、稳定性和抗干扰能力均得以提升。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和优点：

(1)尖端放电微等离子体作为原子发射光谱分析的激发源，本身拥有较强的激发能力。

(2)阵列尖端放电微等离子体激发源使用三对阵列排放的尖端放电，实现级联放电与激发，等离子体的区域有效扩大，提高了其(总)激发能力；同时，由于等离子体区域的扩大，使更多的气态分析物蒸气可以有效地进入放电区域，并充分参与激发过程，提高激发效率和有效激发率。

(3)阵列尖端放电使用三对尖端电极的级联放电与激发，可有效地减少样品中的水分与基体对微等离子体能量的消耗，进而降低其激发能力以及影响其稳定性；可增强激发源的抗干扰能力及稳定性。

(4)阵列尖端放电激发源，可适配多种气态蒸气进样方式，比如化学蒸气发生、电热蒸发进样等。气态样品引入方式进样效率高，并可实现分析物与样品水分和基体预分离，减少对激发源的能量消耗及对其稳定性的影响，从而获得更高的灵敏度、准确性和稳定性。

(5)阵列尖端放电激发源及其原子发射光谱分析装置体积小、结构紧凑、功耗低、成本低、操作简便，有利于实现高性能的小型化原子发射光谱分析仪器。

本实用新型以三对尖端电极阵列设置形成阵列放电的微等离子体作为激发源，充分利用尖端放电能量集中的优势，同时又通过阵列的方式解决尖端放电等离子体区域小的问题。相比传统的单尖端放电，通过串联激发增强激发能力与总激发能力，并让更多的分析物蒸气可以有效地进入放电微等离子体内部充分参与激发过程，提高激发效率(有效激发率)。进一步地，将其作为原子发射光谱分析的激发源，构建小型化的原子发射光谱分析装置，整体的分析灵敏度、稳定性和抗干扰能力都会获得提高。为充分发挥阵列尖端放电激发源原子发射光谱分析装置的性能，结合分析物蒸气进样方式，分析元素以其挥发性形态引入，实现与样品水分和基体的预分离，进一步减少对激发源能量的消耗和对稳定性的影响，最终提高分析装置的整体分析性能，且有望用于现场分析。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型阵列尖端放电激发源结构示意图。图2为本实用新型的分析装置的工作流程示意图。图3为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于砷(As)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图3中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图4为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于锗(Ge)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图4中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图5为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于汞(Hg)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图5中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图6为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于铅(Pb)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图6中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图7为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于锑(Sb)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图7中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图8为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于硒(Se)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图8中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图9为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于锡(Sn)元素的检测，并获得的特征原子发射光谱图，图9中：横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。

图10为本实用新型采用氢化物发生作为样品引入方式，用于砷(As)、锗(Ge)、汞(Hg)、铅(Pb)、锑(Sb)、硒(Se)和锡(Sn)元素的检测，获得的原子发射信号强度与单对、两对尖端放电微等离子体激发源的对比图，图10中：纵坐标为相对信号强度。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型做进一步详细说明。值得注意的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

附图1为阵列尖端放电激发源的结构示意图。

在绝缘放电底座1上构建一个狭长的放电腔体3，正面通过密封石英片2进行密封，腔体一端开口作为样品入口4，另一端开口作为光谱检测窗口7。放电腔体3的两侧对称、等间距设置三对大小一致的电极固定孔，三对尖端电极5分别插入三对固定孔中，相邻两对尖端电极5之间预留有一定的间距，以获得三组独立的尖端放电；每一对尖端电极5的尖端之间留有放电间隔，以在施加高压时形成尖端放电微等离子体6，最终获得阵列的尖端放电微等离子体激发源。

尖端电极5为钨材质，直径约1.5mm，长度约15mm；也可使用其它导体材质。每一对尖端电极5之间的间隔约为4mm，在施加高压时，产生三对阵列排布的尖端放电微等离子体6；在阵列尖端放电微等离子体6中产生的原子发射光谱信号12，通过检测窗口7进行采集。

图2为本实用新型的分析装置的工艺设备工作流程示意图。使用本实用新型检测样品时，采用气态分析物蒸气的方式将样品引入，可结合多种气态蒸气进样方式，比如直接分析物蒸气、电热蒸发、激光蒸发、化学蒸气发生(氢化物发生、光化学蒸气发生等)进样等。

图2示出，原子发射光谱分析装置，结合化学蒸气发生进样方式，具体包括如下：

蒸气进样系统9：含有待测元素的样品在蒸气进样系统9中产生待测元素的易挥发形态，通常采用化学蒸气发生(氢化物发生、光化学蒸气发生等)和电热蒸发等。

工作气体系统10：通常采用惰性气体氩气或氦气作为工作气体，以一定流速作为放电气体被电极间的高压击穿产生尖端放电微等离子体6，同时作为载气将蒸气进样系统9产生的分析物蒸气引入阵列尖端放电激发源11中。

阵列尖端放电激发源11：分析物蒸气被工作载气10从样品入口4引入到阵列尖端放电激发源11的放电腔体3中的尖端放电微等离子体6中参与原子化/激发过程，并产生最终的待测元素的原子发射光谱信号12。

隔离石英片13：阵列尖端放电激发源11中产生的原子发射光谱信号12，首先经过隔离石英片13后再进行光谱采集，用于隔离等离子体区域与后续光谱检测区域，避免污染光学元件。

聚焦透镜14：聚焦穿过隔离石英片13后的原子发射光谱的光线。

小型CCD光谱检测器15：最终进入小型CCD光谱检测器15的原子发射光谱信号12经过其内部分光与CCD采集获得待测元素的特征原子发射光谱，并作后续数据处理。

原子发射光谱分析方法，包括以下步骤：

工作气体系统10将工作气体导入到蒸气进样系统9中，其既作为放电气体被高压击穿产生尖端放电微等离子体，也作为载气将分析物蒸气带入阵列尖端放电激发源11中；

样品从样品引入口8进入蒸气进样系统9：含有待测元素的样品在蒸气进样系统9中产生待测元素的易挥发形态，被载气从样品入口4带入阵列尖端放电激发源11的尖端放电微等离子体6中，在其中被原子化/激发，并产生待测元素的特征原子发射光谱信号12；

聚焦透镜14对穿过隔离石英片13后的原子发射光谱的光线进行聚焦；最终进入小型CCD光谱检测器15进行光谱采集，获得待测元素的特征原子发射光谱，并作后续数据处理。

下面结合实施例对本实用新型进一步说明，首先就实施例1讲解具体的操作步骤：

实施例1：以氢化物发生作为示例进样方式：含有砷(As)的样品溶液(含低浓度盐酸)和氢化物发生试剂(含低浓度的硼氢化物)通过蠕动泵进入氢化物发生反应器中汇合并反应产生具有挥发性的氢化物(或冷蒸气)，与反应溶液一起被工作载气带入气液分离器中，经气液分离获得待测元素的冷蒸气或氢化物。后续再由工作载气带入阵列尖端放电激发源11，在其中被原子化/激发产生待测元素的原子发射光谱信号12，透过石英片13，经聚焦透镜14聚焦后进入小型CCD光谱检测器15进行检测。最终得到的As的特征发射光谱图，如图3所示。

实施例2：与实施例1类似地，含有锗(Ge)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的特征原子发射光谱图，如图4所示。

实施例3：与实施例1类似地，含有汞(Hg)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的特征原子发射光谱图，如图5所示。

实施例4：与实施例1类似地，含有铅(Pb)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的特征原子发射光谱图，如图6所示。

实施例5：与实施例1类似地，含有锑(Sb)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的特征原子发射光谱图，如图7所示。

实施例6：与实施例1类似地，含有硒(Se)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的特征原子发射光谱图，如图8所示。

实施例7：与实施例1类似地，含有锡(Sn)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的特征原子发射光谱图，如图9所示。

实施例8：与实施例1类似地，含有砷(As)、锗(Ge)、汞(Hg)、铅(Pb)、锑(Sb)、硒(Se)和锡(Sn)的样品溶液，通过本实用新型原子发射光谱分析方法进行分析，最终得到的原子发射信号强度与单对、两对尖端放电微等离子体激发源的对比图，如图10所示，可以看出通过本实用新型原子发射光谱分析方法所获得的信号有3-6倍的增强。

应当理解的是，对本领域的普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种阵列尖端放电激发源，其特征在于，包括绝缘放电底座(1)，所述的绝缘放电底座(1)上设有放电腔体(3)，放电腔体(3)通过密封石英片(2)覆盖以形成正面密闭；放电腔体(3)两侧对称、等间距阵列设置三对固定孔，三对尖端电极(5)分别插入固定孔中，每一对尖端电极(5)的尖端之间保持一定间隔，以产生三对尖端放电微等离子体(6)；放电腔体(3)两侧之间为气流通道，两端为气流进出口，气流依次通过三对尖端电极(5)，气流进口为样品入口(4)，气流出口作为检测窗口(7)。

2.根据权利要求1所述的阵列尖端放电激发源，其特征在于，所述的放电腔体(3)的长×宽×深为18×5×3mm；相邻两对尖端电极(5)之间的间距为5mm。

3.根据权利要求1所述的阵列尖端放电激发源，其特征在于，所述尖端电极(5)为钨材质，直径1.5mm，长度15mm；每对所述尖端电极(5)的尖端之间的间隔为4mm。

4.原子发射光谱分析装置，其特征在于，包括蒸气进样系统(9)、工作气体系统(10)、权利要求1到3任一项所述的阵列尖端放电激发源(11)、隔离石英片(13)、聚焦透镜(14)、小型CCD光谱检测器(15)；

蒸气进样系统(9)：含有待测元素的样品在蒸气进样系统(9)中产生待测元素的易挥发形态，以气态分析物蒸气的形式进入后续的阵列尖端放电激发源(11)中；

工作气体系统(10)：采用惰性气体氩气或氦气作为工作气体，其既作为放电气体被高压击穿产生尖端放电微等离子体，也作为载气将分析物蒸气带入阵列尖端放电激发源(11)中；

阵列尖端放电激发源(11)：分析物蒸气被载气从样品入口(4)带入阵列尖端放电激发源(11)的尖端放电微等离子体(6)中，在其中被原子化/激发，并产生待测元素的特征原子发射光谱信号(12)；

隔离石英片(13)：位于阵列尖端放电激发源(11)的检测窗口(7)和聚焦透镜(14)之间，用于隔离等离子体区域与后续光谱检测区域，避免污染光学元件；

聚焦透镜(14)：对穿过隔离石英片(13)后的原子发射光谱的光线进行聚焦；

小型CCD光谱检测器(15)：阵列尖端放电激发源(11)中产生的原子发射光谱信号(12)最终进入小型CCD光谱检测器(15)进行光谱采集，获得待测元素的特征原子发射光谱，并作后续数据处理。

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