[发明专利]基于微型等离子体的手持式化学挥发物检测仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种以大气压低温脉冲微型等离子体为光源的手持式分子发射光谱仪，可用于在线实时对挥发性有机化合物进行检测分析。

背景技术

化学挥发物（VOCs）正日益严重地危害着环境卫生和人们的健康，尤其对于那些接近污染源的人们，比如化工生产线上的工人，长期暴露在挥发性化学物质的环境中，极易受到伤害。因此，化学工业、环境保护等领域都迫切地需要有现场便携检测仪器以实现对空气中的化学排放进行实时监测，并且识别出化学污染源，从而降低甚至消除有毒化学物质带来的危害。大型分析仪器，例如气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、质谱（MS）、电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）都曾用于分析环境中的化学挥发物排放。然而，大多数此类商品仪器都体积庞大、价格昂贵，而且不适用于现场实时分析。因此，小型、廉价、用于实时监测的分析仪器具有重大意义。

微型等离子体是指放电空间限制在mm级(严格上至少等离子体在一个维度上的尺寸小于1mm)范围的等离子体源。微型等离子体的气体消耗及能量耗费很低，因此操作费用很低。而且它们体积小、重量轻的特性也使得开发便携式、可用于现场测试的小型仪器成为了可能。另外微型等离子体还可以和其他分析仪器联用，来提供更强大的分析性能。因此，近几年来许多研究小组都在开发各种类型的微型等离子体并将其应用在化学挥发物的分析方面。已经研究的微型等离子体包括微电感耦合等离子体(μICP)、电容耦合等离子体(Capacitively coupled plasmas,CCP)、微波诱导等离子体(MIP)、介质阻挡放电等离子体(Dielectric barrier discharge,DBD)、微空心阴极放电等离子体(Microhollow cathode discharge,MHCD)、辉光放电(GD)等。

1999年Eijkel等人首次报道了玻璃芯片上微型直流氦等离子体的分子发射检测器，提出并论证了使用芯片微等离子体分析的可行性。该装置通过检测CH自由基的发射谱线测定甲烷。由于阴极溅射腐蚀，该装置的使用寿命受到了很大限制。

常压微空心等离子体可用作质谱及发射光谱的微型离子化源。这项工作由Miclea及其合作者在2003至2005年提出。Miclea等人同时指出此微放电的局限性为：微结构的尺寸极小，对被分析物的解离常常不完全，而且热应力或阴极溅射腐蚀使得装置的使用寿命受限。

Miclea等将介质阻挡放电（DBD）微等离子体应用到了气体分析方面，他们选取了卤代烃作为分析对象，利用DBD将卤代烃裂解，将其中的Cl，F等激发至激发态。激发态的Cl，F用二极管激光原子吸收光谱(diode laser atomic absorption spectrometry,DLAAS)进行测定。分析结果显示DBD对卤代烃具有相当好的裂解及激发能力，检测灵敏度与之前报道的大体积直流辉光等离子体或微波等离子体相当。

大气压下的微型电容耦合等离子体也被应用于VOCs的检测。与直流辉光放电相比，CCμP的电极不与分析物质接触，避免了电极污染，而且也不存在电极溅射的问题，能够保证长时间的使用寿命，是一种理想的微等离子源。

近年来，Hopwood小组一直致力于研究和表征微型化的ICP(他们称之为μICP)。他们将μICP与便携式的Fabry–Perot干涉仪联配用于野外气体分析，例如SO₂。因为μICP同样是无电极(electrodeless)的放电，因此μICP可以长时间操作而不发生任何损害。同样重要的是，尽管有相当一部分能量耗散在了匹配电路，但是匹配电路和负载线圈都不需要冷却装置。但是μICP需要在低压下操作，需要真空泵来维持相应的真空，这是阻碍μICP便携式的一个大问题。

基于微波等离子体的微等离子体用于VOCs的检测也有所报道。例如Bilgic及其合作者开发了一个低功率微波等离子体源用于原子发射光谱。Pawel Pohl等人将低功率微波微带He等离子体用作气体发射光谱的激发源。

然而，人们对于既能做到高灵敏度、便携、对VOCs进行实时检测，又经济实惠、能量消耗低的新型检测仪器依然有着强烈的需求。

发明内容

针对现有技术的化学挥发物检测仪的技术现状，本发明的目的旨在提供一种基于微型等离子体的手持式化学挥发物检测仪，以实现既能便携、高灵敏度地对化学挥发物进行实时检测，检测过程又经济实惠、能量消耗低。