[发明专利]直流放电汽化辅助激光诱导击穿光谱检测水体中痕量金属元素的方法和装置

说明书

技术领域：

本发明涉及激光诊断和光谱测量分析领域，尤其是一种用于对水体中重金属金属的快速检测的装置和方法，该技术可以在线对工业废水、生活污水、食品、药品中金属元素进行快速、高效的检测。

背景技术：

目前水体污染已经成为了全球性问题，并且严重影响儿童和成人身体健康乃至生命安全，人体若摄取过多的钼元素会导致痛风样综合症，关节痛及畸形，肾脏受损，并有生长发育迟缓，动脉硬化，结缔组织变性等病症。重金属汞为积蓄性毒物，除慢性和急性中毒外，还有致癌和致突变作用，日本水俣病即是由于甲基汞在人畜脑中积累所致。镉进入人体后，在体内形成镉蛋白，通过血液循环到达全身，并有选择地积蓄于靶器官-肾、肝脏中。铬的危害主要体现为致毒作用、刺激作用、累积作用、变态反应、致癌作用以及致突变作用，对神经细胞的危害最大。为了有效地预防和减少重金属对人体和生物的危害，保护生态环境，我们必须加强对重金属元素的检测和监控。目前，对重金属进行检测的方法主要有分光光度法、伏安溶出法、原子吸收光谱法、荧光光谱法和质谱法。为了满足在线连续检测的需要，急需寻找一种灵敏度高、方便快速、多元素同时检测的检测方法。

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)是一种全新的物质元素分析方法。LIBS技术具有无需复杂的样品预处理，非接触式无损检测，快速分析，多元素实时在线检测，不需要真空等特点，可用于导电的金属材料和不导电的非金属材料(如塑料、陶瓷)成分分析，在环境污染、考古、冶金、深空探测和医学等领域具有广泛的应用前景。但是目前使用激光诱导击穿光谱技术对水体金属元素的检出限依然较高，无法满足某些领域检测的要求。采用激光诱导击穿光谱技术对液体样品进行检测时，目前常用的方法是采用液体射流进行检测，实验中发现，液体激发产生等离子体的激发阈值通常比较大，而且在实验中检测到信号的稳定性较差，其最大的缺点是对重金属元素的检出限较高，这些都制约了激光诱导击穿光谱技术对液体样品检测的实际应用。

发明内容：

本发明的目的在于将液体阴极辉光放电技术与激光诱导击穿光谱技术相结合，降低激光诱导击穿光谱技术的击穿阈值，提高检测灵敏度，降低检出限，满足实际对金属元素检测的要求。本发明通过高压直流放电方法将液体样品转化为气体，再经气液分离装置分离提高待测金属元素浓度，最后通过激光诱导击穿光谱技术进行检测。由于气体样品中金属元素密度小，在空气中进行击穿时，容易被激发，击穿阈值会降低，烧蚀效率也会得到极大提高，由于烧蚀击穿过程是在空气中进行的，所受到的环境压力要远远小于在液体环境中所受压力，所以等离子体的寿命也得到延长，有利于将原子发射光谱从连续辐射和轫致辐射等噪声光谱中分离出来，进而提高检测灵敏度，增强信号强度。

本发明的检测装置，主要包括蠕动泵、直流放电装置、高压直流电源、载气供应装置、气液分离器、微型水泵、气体缓冲室、会聚石英透镜、Nd:YAG脉冲激光器、光纤耦合设备、光纤、光谱仪、增强型电荷耦合元件(ICCD)、计算机。蠕动泵稳定地注入液体样品，直流放电装置对液体样品进行放电产生高温蒸汽，载气运载样品蒸汽进入气液分离器里经冷水冷却，部分水蒸气被分离出来，气体进入缓冲室稳定气体流速，气体喷射到石墨片上，石墨片经脉冲激光烧蚀激发产生等离子体并发射光谱信号，由带ICCD的光谱仪对收集到的光信号进行分光和探测，最终通过软件分析输出光谱信息。

本发明的另一个目的是提供一种金属元素检测的方法。

实现本发明目的所采用的技术方案是：

直流放电汽化辅助激光诱导击穿光谱检测水体中痕量金属的方法。该方法为：首先稳定地将样品溶液输送到直流放电装置中，通过高压直流电源对液体样品进行放电，其电压为900V～1400V，放电电流为50mA～110mA，电极间距为1mm～6mm，使液体样品气化为高温蒸汽，高温气体被载气输送到气液分离器中，高温气体经冷凝水的冷却和分离，部分水蒸气被分离出来，待测金属元素浓度得到提高，含待测金属元素的气体进入气体缓冲室稳定气体流速，气体样品经过内径为0.2～2mm的喷嘴喷射到石墨片上，气流方向与石墨片表面的夹角为30～60°。经会聚透镜聚焦的脉冲激光对准石墨上气体喷射位置照射激发产生等离子体并发射光谱信号，收集装置对等离子体的光信号进行收集，由光谱仪分光并由ICCD探测，最后由分析软件输出探测到的光谱信号，实现对水体中痕量金属元素的检测。

附图说明：

下面结合附图对本发明进行进一步说明。