[发明专利]静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，属于等离子体光谱检测技术领域，应用领域包括污水重金属监测、土壤重金属污染元素测量、塑料污染分类等分析范畴。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术（LaserInducedBreakdownSpectroscopy，LIBS）是一种新兴的物质组分光化学分析技术，LIBS技术与其他检测方法相比具有无需对样品进行预处理、在线、原位、快速及无接触地多元素同时分析的优势。目前，在农业、航天及材料化工等产业有重要的应用价值，因此越来越受到人们的关注。

LIBS技术能有效检测固体、液体及气体等多种样品形态，液体基质获取光谱信息的方法主要有静态液体法、动态液体法和液体冰冻法等多种方式，存在液体对等离子体的压力、表面波动、液滴飞溅、吸收及样品预处理耗时长等缺陷，液体射流式是新兴的取样方法，可以避免表面波动，克服液滴飞溅，提高实验重复率。

传统的液体射流式LIBS系统以Nd：YAG激光器发出的脉冲光作为光源，经过聚焦透镜作用在液体射流表面，激光烧蚀并电离样品形成明亮的等离子体，利用光纤探头收集等离子体发射的元素谱线，耦合到光谱仪，传递给计算机处理光谱仪接收到的元素谱线数据。这种传统LIBS技术在实际应用中存在灵敏度较差、检测极限较高的局限性，阻碍了LIBS技术在液体检测领域的发展与应用，因此如何增强光谱信号灵敏度和降低被测元素的检测极限是液体基质研究急需解决的一个关键问题。

针对这个问题，国内外一些研究者相继提出了双脉冲激光诱导击穿光谱技术（DualPulseLaserInducedBreakdownSpectroscopy，DP-LIBS），该技术是两束激光脉冲经过延时触发器控制先后作用到样品同一烧蚀点，第二束脉冲再激发第一束脉冲形成的等离子体，这种双脉冲技术与单脉冲技术相比，能明显增强等离子体的发射光谱强度，降低检测极限。但是，双脉冲技术需要两个Nd：YAG激光源，确保两束激光脉冲束共线或正交传输所要求的光学系统及操作极其复杂，因此双脉冲技术也面临着操作的复杂性和高成本的缺陷。另外，在固体研究方面，国内一些研究者利用快脉冲放电的方式（LaserAblationFastPulseDischargePlasmaSpectroscopy，LA-FPDPS）增强固体样品的光谱信号灵敏度，但是液体基质无法利用电火花式增强光谱信号强度，原因是在实践过程中强放电火花容易引起液体剧烈飞溅，不利于光谱的采集，影响每发脉冲的实验条件，降低实验重复率。

发明内容

随着社会迅猛发展，环境污染问题已成为全球性三大危机之一。水是人类赖以生存的、稀缺的自然资源，水体污染无疑会对国家经济造成巨额损失，更严重危害人类的身体健康，因此，探究出一种能快速有效地检测污水重金属元素的方案迫在眉睫。LIBS技术是一种新兴的污水重金属元素检测技术，但传统LIBS技术仍然存在检测限较高和探测精度较差等缺陷，为解决液体基质的LIBS光谱信号较弱以及不稳定问题，本发明提出了一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，可提高污水中被测元素的光谱信号强度，并降低检测极限，提高探测灵敏度。

本发明是一种静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置，包括激光器1、衰减系统（半波片2和格兰棱镜3）、聚焦透镜4、蠕动泵5、烧杯6、正极板7、负极板8、高压电源9、聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12；其中激光器1在其输出光束的光轴上依次与半波片2、格兰棱镜3和聚焦透镜4连接；蠕动泵5、烧杯6和样品连接；正极板7、负极板8和高压电源9连接；聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12连接。

激光器1为Nd:YAG激光器；半波片2和格兰棱镜为激光能量衰减系统；蠕动泵5和烧杯6为液体样品的循环系统；聚焦透镜10、光谱仪11和计算机12为光谱检测系统；正极板7、负极板8和高压电源9构成的电路为静电辅助增强LIBS系统。

正极板7和负极板8为边长为50mm×50mm×3mm的平面铜板，避免产生尖端放电，其板间距为4cm~5cm，产生静电作用在液体等离子体上，限流电阻R₁为30MΩ，采样电阻R₂为1kΩ，电容C为1000pF，高压电源的电压范围为0kV~30kV。

由蠕动泵5、烧杯6和样品连接构成液体样品的流速控制系统，液体流速范围为0ml/min~200ml/min。

静电辅助增强激光诱导击穿光谱污水重金属元素检测装置的检测过程如下：