KR20130087846A - 레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치 - Google Patents
레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치에 관한 것으로, 상기 검출장치는, 액상의 대상체가 탈용매화되도록 상기 대상체를 가열하여 수분을 제거하는 탈용매화부와, 상기 탈용매화부와 연결되며, 탈용매화된 대상체를 분사하는 분사부와, 상기 탈용매화된 대상체로부터 플라즈마가 유도되도록 분사되는 대상체에 레이저 펄스를 조사하도록 이루어지는 레이저 조사부, 및 상기 플라즈마에 의하여 여기된 원자나 이온을 분광분석하여 상기 대상체에 포함된 성분을 검출하는 성분 분석부를 포함한다. 이에 의하여 분광분석법을 이용하여 액상 대상체의 성분을 검출하는 방안이 구현될 수 있다.
Description
본 발명은 레이저 유도 플라즈마 분광분석법을 이용하여 분석 대상체에 포함된 성분을 검출하는 검출방법 및 검출장치에 관한 것이다.
최근 미량 원소분석을 통하여 성분을 검출하는 방법에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 많이 활용되는 원소분석법이 레이저 유도 분광분석법(LIBS; laser-induced breakdown spectroscopy, 또는 LIPS; laser-induced breakdown spectroscopy)이며, 이는 레이저 빔을 시료에 집속시켜 방전현상과 비슷한 빛 에너지에 의해 생성되는 플라즈마를 여기원으로 사용하는 분광분석법이다.
상기 분광분석법은 조작의 용이성과 실시간 측정 등의 장점으로 차세대 계측 장비로서 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 상기 분광분석법은 고체상태 또는 에어로졸상태의 대상체에는 적합하나, 액체상태의 대상체에는 그 적용이 어려운 분석방법이다. 즉, 상기 분광분석법은 지하수 등에 중금속이나 방사성 화학종 등이 포함되어 있는지를 검출하는 경우에, 그 활용성이 현저히 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 상기 지하수 등과 같은 액체상태의 대상체에도 상기 분광분석법을 이용하여 성분을 검출하는 방안이 고려될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로서, 분광분석법을 이용하여 액상 대상체의 성분을 검출하는 방안 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 검출장치는, 액상의 대상체가 탈용매화되도록 상기 대상체를 가열하는 탈용매화부와, 상기 탈용매화부와 연결되며, 탈용매화된 대상체를 분사하는 분사부와, 상기 탈용매화된 대상체로부터 플라즈마가 유도되도록 분사되는 대상체에 레이저 펄스를 조사하도록 이루어지는 레이저 조사부, 및 상기 플라즈마에 의하여 여기된 원자나 이온을 분광분석하여 상기 대상체에 포함된 성분을 검출하는 성분 분석부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 탈용매화부는, 상기 액상의 대상체가 흐르는 배관상에 배치되는 멤브레인, 및 상기 액상의 대상체의 적어도 일부가 기화되도록 상기 멤브레인을 가열하도록 형성되는 가열기를 포함한다. 상기 멤브레인에는 상기 대상체로부터 기화된 기체가 빠져나가도록 복수의 배출홀들이 형성될 수 있다. 상기 기화된 기체를 상기 탈용매화부로부터 제거하도록, 상기 멤브레인에는 가스가 유입 및 유출될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 분사부는, 상기 대상체를 압송하도록 상기 배관에 연결되는 펌프, 및 상기 탈용매화된 대상체를 미립화하여 분사시키도록 상기 배관에 장착되는 네뷸라이저를 포함한다.
또한, 본 발명은, 지하수를 가열하여 상기 지하수로부터 수분을 제거하는 단계와, 플라즈마가 유도되도록 상기 수분이 제거된 지하수에 레이저 펄스를 조사하는 단계, 및 상기 수분이 제거된 지하수로부터 중금속 및 방사성 화학종 중 적어도 하나를 검출하도록 상기 플라즈마에 의하여 여기된 원자나 이온을 분광분석하는 단계를 포함하는 검출방법을 개시한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 검출방법 및 검출장치는 액상 대상체를 탈용매화시킴에 따라, 레이저에 의한 플라즈마의 유도를 보다 용이하게 한다. 이를 통하여, 액상 대상체에 포함된 중금속이나 방사성 화학종의 검출이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 액상 대상체를 가열하고, 증기를 외부로 배출시킴에 따라, 간단한 구조로 액상 대상체의 탈용매화를 구현한다. 나아가, 저비용의 장비 보충만으로 레이저 유도 분광분석법을 이용한 액상 대상체의 성분분석이 가능하게 되므로, 본 발명의 검출방법 및 검출장치는 산업전반적인 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 검출장치를 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명과 관련한 검출방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 도 1의 탈용매화부의 일 예를 나타내는 상세 개념도.
도 2는 본 발명과 관련한 검출방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 도 1의 탈용매화부의 일 예를 나타내는 상세 개념도.
이하, 본 발명과 관련된 레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 검출장치를 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명과 관련한 검출방법을 나타내는 흐름도이며, 도 3은 도 1의 탈용매화부의 일 예를 나타내는 상세 개념도이다.
도 1을 참조하면, 검출장치(100)는 분사부(110), 레이저 조사부(120), 성분 분석부(130) 및 탈용매화부(140)를 포함한다.
상기 분사부(110)는 검출장치(100)를 통하여 성분을 검출할 대상체를 분사하도록 이루어진다. 상기 대상체는 검출장치(100)를 통하여 특정 처리가 가해지기 전에 액상으로 존재하는 물질이 될 수 있다. 이러한 예로서, 대상체는 지하수, 수도물 및 음료수 등이 될 수 있으며, 이하, 지하수를 예를 들어 설명한다.
상기 분사부(110)는 지하수를 압송하도록 배관(111)에 연결되는 펌프(112)와, 지하수를 미립화하여 분사시키도록 상기 배관(111)에 형성되는 네뷸라이저(nebulizer, 미도시)를 포함한다.
도시에 의하면, 상기 분사되는 지하수(에어로졸 상태의 지하수)에 비활성 가스가 혼합되도록, 상기 지하수가 흐르는 배관(111)상에는 상기 비활성 가스가 공급된다.
레이저 조사부(120)는 비활성 가스가 혼합된 지하수로부터 플라즈마가 유도되도록 분사되는 지하수에 레이저 펄스를 조사하도록 이루어지며, 성분 분석부(130)는 상기 플라즈마를 분광분석하여 상기 지하수에 포함된 성분을 검출하도록 형성된다. 성분 분석부(130)는, ICCD 또는 CCD가 장착된 spectromter, 광섬유 및 컬렉션 렌즈 등의 광학부품으로 이루어진다.
도시에 의하면, 탈용매화부(140)는 배관상에 배치되며, 액상의 대상체가 탈용매화되도록 상기 대상체를 가열하여 수분을 제거하도록 이루어진다. 즉, 지하수를 탈용매화되며, 분사부(110)는 수분이 함량이 저감된 지하수 에어로졸을 분사하게 된다. 이러한 방법에 의하면, 플라즈마 속의 고체 성분, 예를 들어 중금속 및 방사성 화학종 등에 의하여 플라즈마의 유도가 보다 용이하게 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 이러한 검출장치에 적용되는 검출방법은 지하수로부터 수분을 제거하고, 수분이 제거된 지하수에 레이저 유도 분광분석법을 적용하는 순서로 이루어진다.
보다 구체적으로, 먼저 지하수를 가열하여 상기 지하수로부터 수분을 제거한다(S100). 예를 들어, 상기 지하수로부터 증기가 발생되도록 상기 지하수를 가열하고(S110), 상기 가열에 의하여 발생된 증기를 배출하여, 상기 지하수를 탈용매화시킨다(S120). 수분 제거 단계는 레이저 유도 플라즈마 분광분석법에서 지하수 시료를 탈용매화부를 통과시켜 수분이 충분히 제거된 에어로졸 상태로 아르곤 가스와 혼합하는 전처리과정이 될 수 있다.
다음은, 플라즈마가 유도되도록 상기 수분이 제거된 지하수에 레이저 펄스를 조사하고(S200), 상기 수분이 제거된 지하수로부터 중금속 및 방사성 화학종 중 적어도 하나를 검출하도록, 상기 플라즈마를 분광분석한다(S300).
도 2와 함께 도 1을 참조하면, 보다 구체적으로 레이저는 고출력 펄스 레이저 발생기에서 발생되어, 포커스 렌즈를 통하여 분사되는 탈용매화된 지하수에 집광되며, 이로부터 플라즈마가 생성된다. 상기 플라즈마에 의하여 탈용매화된 지하수에 포함된 성분들은 보다 용이하게 원자화 및 이온화되고, 흡수된 에너지에 의하여 원자 및 이온이 여기된다.
여기된 원자 및 이온이 에너지를 방출할 때의 파장은 컬렉션 렌즈를 통하여 분광분석기로 입사되며, 분광분석기에서는 스펙트럼을 해석하여, 지하수에 포함된 중금속 및 방사성 화학종 중 적어도 하나를 검출하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 검출방법 및 검출장치에 의하면, 액상 대상체에 포함된 중금속이나 방사성 화학종의 검출이 가능하게 된다.
또한, 가열에 의하여 기화된 기체를 배출하는 원리에 의한다면, 본 발명과 관련된 탈용매화부는 다양한 구조로 구현될 수 있다.
도시에 의하면, 상기 탈용매화부의 예로서, 탈용매화 장치(membrane desolvator, 141))가 이용될 수 있다. 탈용매화 장치(141)는 복수의 배출홀들이 형성되는 다공성 멤브레인(미도시)과, 이를 가열하는 가열기(미도시)를 구비한다.
상기 다공성 멤브레인은 PTFE membrane이 될 수 있으며, 액상의 대상체가 흐르는 배관(111)상에 배치된다. 상기 액상의 대상체, 즉 지하수는 다공성 멤브레인을 통과하는 동안에 가열기에 의하여 기화된다. 상기 탈용매화 장치(141)에는 지하수로부터 기화된 기체를 상기 다공성 멤브레인으로부터 제거하도록, 가스가 유입구(142)를 통하여 유입되고 유출구(143)를 통하여 외부로 유출된다. 상기 가스는 아르곤 가스가 될 수 있으며, 멤브레인을 따라 흐르는 동안에, 지하수로부터 기화된 증기와 혼합되어 상기 증기와 함께 외부로 유출된다.
상기 구조에 의하면, 저비용의 장비 보충만으로 레이저 유도 분광분석법을 이용한 지하수의 성분분석이 가능하게 된다.
방사성 화학종과 중금속은 높은 독성과 발암성을 가지고 있어서 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있으므로 시료분석 시 야기될 수 있는 오염을 최소화하는 것이 중요하다. 기존의 ICP-MS나 TIMS등의 질량분석장비는 매우 고가이면서 시료준비작업에 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 복잡한 전처리 과정을 요구하므로 외부오염에 취약한 단점이 있다. 본 발명은 지하수 시료를 직접 시료주입장치에 도입되어 측정하므로 시료준비 작업에 따른 오염요인을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 실시간 분석을 통한 빠른 응답으로 분석 시 오염 노출을 최소화 할 수 있다. 또한 발명의 구성장비는 질량분석장비에 비해 상대적으로 부피가 작아 운반이 용이하고 가격이 상대적으로 낮아서 현장 적용성이 높다.
상기와 같은 레이저 유도 분광분석법을 이용한 검출방법 및 검출장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (9)
- 액상의 대상체가 탈용매화되도록 상기 대상체를 가열하여 수분을 제거하는 탈용매화부;
상기 탈용매화부와 연결되며, 탈용매화된 대상체를 분사하는 분사부;
상기 탈용매화된 대상체로부터 플라즈마가 유도되도록, 분사되는 대상체에 레이저 펄스를 조사하도록 이루어지는 레이저 조사부; 및
상기 플라즈마에 의하여 여기된 원자나 이온을 분광분석하여 상기 대상체에 포함된 성분을 검출하는 성분 분석부를 포함하는 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 탈용매화부는,
상기 액상의 대상체가 흐르는 배관상에 배치되는 멤브레인; 및
상기 액상의 대상체의 적어도 일부가 기화되도록, 상기 멤브레인을 가열하도록 형성되는 가열기를 포함하는 검출장치. - 제2항에 있어서,
상기 멤브레인에는 상기 대상체로부터 기화된 기체가 빠져나가도록 복수의 배출홀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 검출장치. - 제3항에 있어서,
상기 기화된 기체를 상기 탈용매화부로부터 제거하도록, 상기 멤브레인에는 가스가 유입 및 유출되는 것을 특징으로 하는 검출장치. - 제2항에 있어서,
상기 분사부는,
상기 대상체를 압송하도록 상기 배관에 연결되는 펌프; 및
상기 탈용매화된 대상체를 미립화하여 분사시키도록 상기 배관에 장착되는 네뷸라이저를 포함하는 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 분사되는 대상체에 비활성 가스가 혼합되도록, 상기 액상의 대상체가 흐르는 배관상에는 상기 비활성 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 검출장치. - 제1항에 있어서,
지하수에 포함된 중금속 및 방사성 화학종 중 적어도 하나를 검출하도록, 상기 액상의 대상체는 상기 지하수인 것을 특징으로 하는 검출장치. - 지하수를 가열하여 상기 지하수로부터 수분을 제거하는 단계;
플라즈마가 유도되도록 상기 수분이 제거된 지하수에 레이저 펄스를 조사하는 단계; 및
상기 수분이 제거된 지하수로부터 중금속 및 방사성 화학종 중 적어도 하나를 검출하도록, 상기 플라즈마에 의하여 여기된 원자나 이온을 분광분석하는 단계를 포함하는 검출방법. - 제8항에 있어서,
상기 수분을 제거하는 단계는,
상기 지하수로부터 증기가 발생되도록 상기 지하수를 가열하는 단계; 및
상기 가열에 의하여 발생된 증기를 배출하여, 상기 지하수를 탈용매화시키는 단계를 포함하는 검출방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103616075A (zh) * | 2013-11-22 | 2014-03-05 | 冶金自动化研究设计院 | 一种libs成分分析中元素谱线的自动识别方法 |
| CN103712962A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-09 | 武汉新瑞达激光工程有限责任公司 | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 |
| CN104111249A (zh) * | 2014-07-12 | 2014-10-22 | 浙江师范大学 | 一种液体中元素高灵敏快速检测装置 |
| CN105067593A (zh) * | 2015-07-10 | 2015-11-18 | 长春理工大学 | 静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置 |
| CN106550528A (zh) * | 2016-10-28 | 2017-03-29 | 中国地质大学（北京） | 一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置 |
| CN116930155A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 华东交通大学 | 基于激光诱导击穿光谱的重金属污染检测方法及装置 |
-
2012
- 2012-01-30 KR KR1020120009062A patent/KR20130087846A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN103712962A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-09 | 武汉新瑞达激光工程有限责任公司 | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 |
| CN103712962B (zh) * | 2013-12-31 | 2015-12-09 | 武汉新瑞达激光工程有限责任公司 | 一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪 |
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| CN106550528B (zh) * | 2016-10-28 | 2019-03-26 | 中国地质大学（北京） | 一种用于等离子体检测的多模光纤焦平面调节装置 |
| CN116930155A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 华东交通大学 | 基于激光诱导击穿光谱的重金属污染检测方法及装置 |
| CN116930155B (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-08 | 华东交通大学 | 基于激光诱导击穿光谱的重金属污染检测方法及装置 |
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