[发明专利]检测时间及位置可控的激光诱导击穿光谱检测装置

说明书

技术领域

本发明是一种基于激光诱导击穿光谱的元素检测技术装置，设备及装置属于光电子技术领域，可应用于成分复杂的样品中金属元素的检测，例如土壤重金属污染元素的检测。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS，Laser Induced Breakdown Spectroscopy)检测技术是基于原子发射光谱的一种元素检测方法。其基本原理是将高能量短脉冲的激光聚焦到样品表面，局部高温使得原子脱离表面的束缚形成原子蒸汽，在局部的强电场作用下，原子外层电子被剥离，这些初始的自由电子进一步和其他原子碰撞，加速了电离过程并最终形成等离子体。随着等离子体温度的降低，电子和离子重新结合释放出光子。由于每一种元素的原子具有特定的能级，其发射的光谱线对应特定的波长；经过光谱仪分光后得到LIBS的激发光谱，通过分析特征谱线的存在推断样品中的元素成分；通过测量元素特征谱线的强度计算该元素的含量。

LIBS检测仪测到的光谱随被测物种类和性质不同而有很大差别，当被测物成分复杂或含量较低时，光谱信背比(特征谱信号强度与背景谱强度之比)较低，给元素的识别和含量的确定带来困难，或导致无法测量。本装置特别注意了LIBS光谱检测的时间和空间位置的精确控制，使得到的光谱具有较高的信背比。

该技术的一个典型的应用是土壤中重金属污染元素的测量。

土壤重金属污染是指土壤中重金属元素累积，使土壤环境质量下降和生态恶化，从而影响农林作物生长并随着食物链迁移导致影响人体健康。自然地质活动、工业污染、污水灌溉都可能使土壤受到各种重金属元素的污染，包括Cd、Hg、Zn，Cr、Cu、Pb和Ni等。

检测土壤中重金属的传统方法包括电化学分析方法、原子发射光谱(AES/OES)、原子吸收光谱(AAS)以及原子荧光光谱(AFS)等。目前应用最广泛的是电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)。ICP-OES首先需要通过各种电加热、化学加热的方法将样品离解，使样品原子成为激发态原子或者离子，通过光谱仪检测发射光谱谱线。ICP-OES能够同时检测多种元素，灵敏度高，但是仪器结构比较复杂，对于样品需要进行酸液消解、稀释等复杂的处理，耗时长。

对于土壤污染重金属元素的检测需要更加便捷快速的方法，LIBS技术具有工作速度快、样品处理简单、适于检测多种物质、可便携等优点，已有的文献和专利中大多数描述了通用的LIBS系统装置和部件本身，均未提及通过控制采集延时时间和检测位置来得到高信背比的技术，例如广州市计量检测技术研究院、中山大学、华南理工大学，周伦彬等，多通道的激光诱导击穿光谱的快速检测装置，[P]，中国，200910040814，20091202；华南理工理工大学，李润华等，光电双脉冲激光诱导击穿光谱仪及光谱分析方法，[P]，中国，200910041442，20100106；华南理工大学，李润华等，双通道共振增强激光诱导击穿光谱痕量元素分析仪及方法，[P]，中国，200710028438，20070605。国外LIBS相关专利涉及多种样品检测，包括合金、矿石、颜料、生物组织等等，被测物或者为多组分样品中的富含元素(例如生产线上物品种类的快速鉴别)，或者是组分并不非常复杂的样品中的微量元素(例如合金中贵金属或杂质元素)。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为检测艺术品表面材料化学成分的技术；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涉及检测土壤或植物中N、P、K和重金属元素等元素以分析土壤养分的技术；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涉及检测土壤中的碳元素。上述专利未有涉及通过利用等离子体火花空间特性控制检测位置来提高信号信背比的装置或方法。中国专利尚未见与土壤样品相关的LIBS检测装置或技术。