[發明專利]檢測時間及位置可控的激光誘導擊穿光譜檢測裝置

有效

• 申請號: 201010569401.0
• 申請日: 2010-11-26
• 公開（公告）號: CN102128815A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 馬曉紅;趙華鳳;鄭澤科;張敏;廖延彪
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術領域

本發明是一種基于激光誘導擊穿光譜的元素檢測技術裝置，設備及裝置屬于光電子技術領域，可應用于成分復雜的樣品中金屬元素的檢測，例如土壤重金屬污染元素的檢測。

背景技術

激光誘導擊穿光譜(LIBS，Laser?Induced?Breakdown?Spectroscopy)檢測技術是基于原子發射光譜的一種元素檢測方法。其基本原理是將高能量短脈沖的激光聚焦到樣品表面，局部高溫使得原子脫離表面的束縛形成原子蒸汽，在局部的強電場作用下，原子外層電子被剝離，這些初始的自由電子進一步和其他原子碰撞，加速了電離過程并最終形成等離子體。隨著等離子體溫度的降低，電子和離子重新結合釋放出光子。由于每一種元素的原子具有特定的能級，其發射的光譜線對應特定的波長；經過光譜儀分光后得到LIBS的激發光譜，通過分析特征譜線的存在推斷樣品中的元素成分；通過測量元素特征譜線的強度計算該元素的含量。

LIBS檢測儀測到的光譜隨被測物種類和性質不同而有很大差別，當被測物成分復雜或含量較低時，光譜信背比(特征譜信號強度與背景譜強度之比)較低，給元素的識別和含量的確定帶來困難，或導致無法測量。本裝置特別注意了LIBS光譜檢測的時間和空間位置的精確控制，使得到的光譜具有較高的信背比。

該技術的一個典型的應用是土壤中重金屬污染元素的測量。

土壤重金屬污染是指土壤中重金屬元素累積，使土壤環境質量下降和生態惡化，從而影響農林作物生長并隨著食物鏈遷移導致影響人體健康。自然地質活動、工業污染、污水灌溉都可能使土壤受到各種重金屬元素的污染，包括Cd、Hg、Zn，Cr、Cu、Pb和Ni等。

檢測土壤中重金屬的傳統方法包括電化學分析方法、原子發射光譜(AES/OES)、原子吸收光譜(AAS)以及原子熒光光譜(AFS)等。目前應用最廣泛的是電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)。ICP-OES首先需要通過各種電加熱、化學加熱的方法將樣品離解，使樣品原子成為激發態原子或者離子，通過光譜儀檢測發射光譜譜線。ICP-OES能夠同時檢測多種元素，靈敏度高，但是儀器結構比較復雜，對于樣品需要進行酸液消解、稀釋等復雜的處理，耗時長。

對于土壤污染重金屬元素的檢測需要更加便捷快速的方法，LIBS技術具有工作速度快、樣品處理簡單、適于檢測多種物質、可便攜等優點，已有的文獻和專利中大多數描述了通用的LIBS系統裝置和部件本身，均未提及通過控制采集延時時間和檢測位置來得到高信背比的技術，例如廣州市計量檢測技術研究院、中山大學、華南理工大學，周倫彬等，多通道的激光誘導擊穿光譜的快速檢測裝置，[P]，中國，200910040814，20091202；華南理工理工大學，李潤華等，光電雙脈沖激光誘導擊穿光譜儀及光譜分析方法，[P]，中國，200910041442，20100106；華南理工大學，李潤華等，雙通道共振增強激光誘導擊穿光譜痕量元素分析儀及方法，[P]，中國，200710028438，20070605。國外LIBS相關專利涉及多種樣品檢測，包括合金、礦石、顏料、生物組織等等，被測物或者為多組分樣品中的富含元素(例如生產線上物品種類的快速鑒別)，或者是組分并不非常復雜的樣品中的微量元素(例如合金中貴金屬或雜質元素)。例如INOE?2000INST?NAT?CERC?DEZVOLTAREOPTOE，ANGHELUTA?M?L，RADVAN?R，SAVASTRU?R，et.Al，OPTOELECTRONIC?DEVICE/MOUNTING?AND?PROCESS?FOR?THE?STRATIGRAPHICAL?ANALYSIS?OF?THE?CHEMICAL?COMPOSITION?OF?ART?OBJECTS?SURFACE?LAYERS?MATERIAL?BY?LIBS?TECHNIQUE，2010-J60078，RO125260-A2為檢測藝術品表面材料化學成分的技術；又例如HARRIS?R?D，UNKEFER?P?J，EBINGER?M?H，Plant?matter?and/or?soil`s?nutrient?status?analyzing?process，involves?contacting?plant?matter?and/or?soil?with?pulsed?laser?source?capable?of?inducing?breakdown?of?sample，and?analyzing?spectral?emission，2007-718000，US2007218556-A1涉及檢測土壤或植物中N、P、K和重金屬元素等元素以分析土壤養分的技術；又例如US?DEPT?VETERANS?AFFAIRS，EBINGER?M?H，HARRIS?R?D，Laser?induced?breakdown?spectroscopy?system?for?detecting?concentration?of?element?e.g.carbon?in?soil?core?sample，controls?laser?to?output?laser?pulses?and?determines?average?of?data?values?related?to?output?electrical?signals，2010-D92867，US7692789-B1涉及檢測土壤中的碳元素。上述專利未有涉及通過利用等離子體火花空間特性控制檢測位置來提高信號信背比的裝置或方法。中國專利尚未見與土壤樣品相關的LIBS檢測裝置或技術。