[發明專利]一種基于氣霧化與共振激發的激光探針分析儀

有效

• 申請號: 201310753448.6
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103712962A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 曾曉雁;朱光正;李祥友;郭連波;任昭;郝中騏;李闊湖;鄭重;王旭朝;游欣易;陸永楓
• 申請（專利權）人: 武漢新瑞達激光工程有限責任公司;華中科技大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 方放

技術領域

本發明屬于成分分析與檢測技術領域，具體為一種基于氣霧化的激光探針成分分析儀，主要用于溶液中物質成分的精確定性與定量分析。

背景技術

激光探針技術，即激光誘導擊穿光譜(Laser-Induced?breakdown?Spectroscopy，簡稱LIBS)技術，是一種新型的原子發射光譜技術，其利用高能量密度的激光束轟擊被分析物質產生等離子體，通過采集等離子體發射的特征光譜并對其進行分析，進而得到被分析物質所含元素種類和含量的一種新型的物質成分分析技術。LIBS技術具有無需樣品預處理、多元素同時檢測以及可在線、實時、遠程檢測等優點，自從誕生至今一直受到廣泛的關注。其在生物醫學研究、軍事安全、宇宙空間探索、工業加工流程控制、環境污染實時檢測等領域都取得了重要的研究成果。

LIBS技術在檢測固體樣品時已經取得了許多重大成果，這重要在于固體樣品形態穩定，在與激光相互作用時能保持長時間的穩定。但是在利用LIBS技術對溶液中的元素進行檢測分析時，還存在以下四點問題：1、當激光作用到液體表面時，易產生液體濺射，污染光學測量系統；2、液體自身的流體特性使得激光與液體相互作用的過程中所產生的沖擊波會使液面產生波紋，影響激光對焦焦距的準確性，降低了試驗的重復性；3、激光激發后產生的濺射液體會吸收或遮擋等離子體發射出的光，影響探測的準確性；4、激光脈沖會在液體內部產生氣泡，這些氣泡在液體表面會改變激光激發所產生的等離子體的特性。

中國專利文獻《氣、液聯用激光誘導擊穿光譜檢測裝置及檢測方法》(公開號為CN102914522A，公開日為2013年2月6日)公開了一種克服因液體本身特性而導致的諸多問題的氣、液聯用激光誘導擊穿光譜檢測裝置。其結構為：氣液聯用腔室、氣液兩用泵和高壓霧化泵，氣液聯用腔室包括底板內鑲嵌有錐形氣液回流管的殼體，氣液回流管上設有與殼體內部相通的小孔，另一端與殼體外部相通，殼體頂部有進氣口和霧化噴頭，殼體相鄰兩個側壁上分別安裝有進光管和測光管；進光管軸線與測光管軸線相垂直并位于同一水平面，兩軸線交點與霧化噴頭軸線相交；連接高壓霧化泵與霧化噴頭。該裝置用于分析液體和氣體及粉塵顆粒物中元素的含量，也可實時在線監控環境水體污染和大氣污染但是該裝置仍然存在以下幾點不足：1、該裝置結構復雜，容易對樣品產生不可預知的污染；2、對產生的氣溶膠沒進行有效的約束控制，這會引起擊穿點的波動，從而導致實驗的重復性和準確性不高；3、無法克服單脈沖LIBS技術檢測靈敏度不高的問題，難于在現實中得到應用。

總之，現有LIBS技術在對溶液中成分進行分析時，溶液的波動性和飛濺性等不利因素使得光譜信號極不穩定、等離子體的壽命大為縮短。實驗的重復性、準確性以及檢測靈敏度均不高。

發明內容

本發明提供一種基于氣霧化與共振激發的激光探針分析儀，目的在于克服現有技術的弊端，大幅度改善LIBS技術在檢測溶液中微量元素的檢測靈敏度，以達到環境監控等領域的實際應用的要求，同時還能夠對液體中的物質進行在線的精確定性和定量分析。

本發明提供的一種激光探針成分分析儀，用于溶液中物質成分的分析，其特征在于，它包括Nd.YAG激光器系統、波長可調諧激光器系統、氣霧化系統、光譜采集系統和計算機；氣霧化系統用于使待分析的溶液產生氣溶膠；Nd.YAG激光器系統用于產生高能激光束，并聚焦到所述氣溶膠上使其激發出等離子體火焰；波長可調諧激光器系統用于產生特定波長的激光脈沖，用于對所需要分析元素的特征譜線進行共振激發增強；該激光脈沖的光斑的幾何尺寸需大于等離子體的幾何尺寸，使其能對整個等離子體進行覆蓋；光譜采集系統用于采集共振激發之后產生的特征光譜信號，并轉化為電信號后傳輸到計算機，計算機用于根據接收到的光譜信號分析溶液的物質成分。

具體而言，本發明具有以下技術特點：

(1)本發明的第一個特點采用氣霧化系統，能把溶液轉變成氣溶膠。傳統的LIBS技術對溶液中的元素進行檢測分析時，產生的沖擊波不僅容易使液體飛濺污染光學鏡頭，同時容易使液面出現波動，使得對焦焦點出現跳動，嚴重影響光譜采集的準確性和重復性。激光與溶液作用時，激光能量大部分被用于溶液的汽化，只有少部分的能量被用于產生等離子體，同時在激光與溶液相互作用的過程中會出現猝滅現象使得產生的等離子體的壽命大為縮短，特征光譜衰減過快，對特征光譜的采集極其不利。