专利名称：低温等离子体原子荧光光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种荧光光谱测量仪，具体说，涉及一种低温等离子体原子荧光光谱仪。
背景技术：
原子荧光光谱是原子光谱的一种，是被光照激发的原子退激时发射的光谱，被广泛的使用在砷、硒、汞等元素的检测上。原子荧光光谱仪是利用原子荧光原理进行检测的一类仪器，其大致包括四个部分进样系统、光源系统、光学检测系统和原子化系统。当前的原子荧光仪器采用氢化物发生或冷蒸气发生样品导入技术进样；高强度空心阴极灯为光源；无色散系统检测；氩-氢扩散火焰原子化。这种仪器设计虽然能够消除大量的基体干扰，并有较高的灵敏度，但这种设计极大的限制了原子荧光光谱可以检测的元素种类，造成这一结果的原因主要在于进样系统、原子化系统和光学检测系统没能达到最佳匹配。事实上，要想在保证原子荧光检测高灵敏度、低基体干扰的优点的基础上，扩大其检测范围，最佳的方法是将进样系统改进为蒸气发生样品导入系统，蒸气发生样品导入技术除包括上述的氢化物发生或冷蒸气发生样品导入技术外，还包括卤化物发生样品导入技术(可检测锗、砷、锑等元素)、氧化物发生样品导入技术(可检测锇等元素)、螯合物发生样品导入技术(可检测镍、铁、铬等元素)。与之相配合，原子化器也要求作相应改进。原有的氩-氢扩散火焰原子化器由于原子化能力弱，只适用于氢化物发生或冷蒸气发生样品导入，而不能满足上述其它几种样品导入技术。若要满足上述所有样品导入方式，一种解决的方法是使用高温原子化器，如电热原子化器或电感耦合等离子体原子化器。但使用这些原子化器的原子荧光仪器必然具有以下缺点<1>由于原子化器温度较高，光源及检测器与原子化器之间必须保持一定距离，这会使入射光和荧光信号受到较大损失，显著降低原子荧光仪器的灵敏度；<2>高温原子化器都有较大的光背景，显著降低原子荧光仪器的稳定性；<3>使用高温原子化器的原子荧光仪器成本较高，供能设备复杂，故障率较高。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于低温等离子体的原子荧光光谱仪。
本发明所述的低温等离子体原子荧光光谱仪，包括蒸气发生进样系统和与其连接的低温等离子体原子化系统，所述低温等离子体原子化系统包括形成低温等离子体区和自由原子区的放电装置，在自由原子区侧面设置有光源系统和光学检测系统。
所述蒸气发生进样系统能实现氢化物发生、冷蒸气发生、卤化物发生、氧化物发生或螯合物发生的进样方式。
所述放电装置为线筒式结构或平行板式结构。
所述线筒式结构放电装置包括柱状电极和围绕柱状电极的圆筒状电极，两电极间有1k-30kV的直流、交流或交直流耦合电压，其中交流电的频率范围从10Hz-1MHz，两电极的外表面为裸露，或者部分或全部包裹介质。
所述平行板式结构放电装置包括两块相互平行的电极板，两电极间有1k-30kV的直流、交流或交直流耦合电压，其中交流电的频率范围从10Hz-1MHz，两极板的相对面为裸露，或者部分或全部包裹介质。
所述低温等离子体原子荧光仪的光源系统是空心阴极灯、无极放电灯或激光光源；所述低温等离子体原子荧光仪的光学检测系统是非色散光学检测系统或色散光学检测系统。
本发明所述的低温等离子体的原子荧光仪器是一种采用蒸气发生进样方式，基于低温等离子体的原子化系统的原子荧光仪器，实现进样系统、原子化系统和光学检测系统的最佳匹配，来提高原子荧光仪器的灵敏度和扩大其检测元素的种类。
图1是本发明所述低温等离子体原子荧光光谱仪的结构示意图；图2是图1所示光谱仪的放电装置的一个实施例的横截面示意图，该结构为线筒式；图3是图1所示光谱仪的放电装置的另一个实施例的横截面示意图，该结构为平行板式；图4是图1所示光谱仪的等离子体原子化系统的一个实施例的示意图；图5是图1所述光谱仪的等离子体原子化系统的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明所述的低温等离子体原子荧光光谱仪，包括蒸气发生进样系统1、低温等离子体原子化系统2、光源系统3和光学检测系统4。
所述蒸气发生进样系统1，是现有的氢化物发生或冷蒸气发生进样系统的扩充，除包括氢化物发生或冷蒸气发生进样方式外，还包括了卤化物发生(如锗、砷、锑等)、氧化物发生(如锇)、螯合物发生(如镍、铁、铬等)等进样方式，可以大大的扩充原子荧光仪器的检测范围。含待测元素的样品11在该系统内与相应的化学试剂反应，生成含有待测元素的气相物12，这些气相物直接导入或被载气带入其后的低温等离子体原子化系统2中。
所述低温等离子体原子化系统2还设置有载气入口，以在需要时导入载气。
所述低温等离子体原子化系统2与蒸气发生进样系统1连接，包含放电装置以形成低温等离子体区21和自由原子区22两个功能区域，这两个区域既可以是分立的也可以是重合的。在低温等离子体原子化系统中，所述待测元素的气相物12经在低温等离子体区21内转化为自由原子，形成自由原子区22。
所述低温等离子体区21是利用放电装置在电压为1k-30kV，频率为10Hz-1MHz的交流、直流或交流频率为10Hz-1MHz的交直流耦合产生流光放电、辉光放电、无声放电或电弧放电产生的。放电装置具有两种形式线筒式结构(见图2)或平行板式结构(见图3)。
参见图2，所述线筒式结构放电装置包括柱状电极213和围绕柱状电极213的圆筒状电极212，两电极之间即为低温等离子区。两电极间加1kV-30kV的直流、交流或交直流耦合电压，其中交流电的频率范围从10Hz-1MHz，通电后两电极间放电形成低温等离子体211。所述柱状电极213的外表面可裸露，也可以部分或全部包裹介质214；同样圆筒电极212的内表面可裸露，也可以部分或全部包裹介质214。
参见图3，所述平行板式结构放电装置包括两块平行的电极215，两电极间有1k-30kV的直流、交流或交直流耦合电压，其中交流电的频率范围从10Hz-1MHz。在两电极的相对面可裸露，也可以部分或全部包裹介质214。通电后两块平行的电极215之间放电形成低温等离子体211。所述低温等离子体211内含有大量由放电产生的电子和正离子，其能量可高达5eV以上，这些粒子与含有待测元素的气相分子发生碰撞，生成待测元素的原子。由于该等离子体系统中有大量的高能粒子，其碰撞原子化过程中能够提供较高的能量，所以能完成一些必须高温才能实现的原子化过程。同时，这种等离子体区中高能粒子所占比例较小，大部分粒子仍处在低能量状态，所以整个等离子体区域的宏观温度仍然较低，一般不超过100℃。
实际结构上，低温等离子体原子化系统有两种形式，分别称为直接检测式低温等离子体原子化系统和导出式低温等离子体原子化系统。所述直接检测式低温等离子体原子化系统的特点是自由原子区22可以和低温等离子区重合21(见图4)，原子荧光仪器中的检测光路直接通过低温原子等离子体区进行检测；所述导出检测式低温等离子体原子化系统的特点是自由原子区22和低温等离子区分立(见图1和图5)，原子荧光仪器中的检测光路不通过低温等离子体区21，低温等离子体区内产生的自由原子被载气(惰性气体)导出低温等离子体区21，形成一个独立的自由原子区，检测光路直接通过低温原子等离子体区进行检测。
所述低温等离子体原子荧光光谱仪的光源系统3可以是空心阴极灯、无极放电灯或激光光源。所述低温等离子体原子荧光光谱仪的光学检测系统4可以是非色散光学检测系统或色散光学检测系统。
该仪器的分析流程描述如下样品11经泵送入蒸气发生进样系统1，在该系统内和相应试剂反应生成含有待测元素的气相物12；含有待测元素的气相物12直接进入或被载气带入低温等离子体原子化系统2中，在其中的低温等离子体区21中转化为待测元素的自由原子；自由原子形成一个自由原子区22，自由原子区22中的自由原子被光源系统3发射的特征光激发，退激过程中发射出原子荧光32；原子荧光被光学检测系统4所检测，得到可用于定量测量的原子荧光信号。
如上所述，低温等离子体原子荧光光谱仪器具有以下特点(1)实现了蒸气发生进样技术和低温等离子体原子化技术的最佳匹配，显著扩大了原子荧光仪器的检测范围；(2)由于采用了低温等离子体原子化技术，显著降低了能耗，并且其供能设备简单，不易发生故障；(3)低温等离子体原子荧光仪器中无高温环境，所以其原子化系统、光源系统和光学检测系统之间的距离可以大大缩短，极大的降低了光路中的损耗，显著的提高测量的灵敏度。(4)低温等离子体的光背景远低于其它原子化系统，且较为固定，所以低温等离子体原子荧光仪器中的噪音也大大降低。
实例1，低温等离子体原子荧光光谱仪检测砷。
含砷样品被注射泵送入蒸气发生进样系统，在该系统内和硼氢化钾反应生成气态的砷化氢；砷化氢被氦气带入线筒式结构的辉光放电低温等离子体原子化器中转化为砷原子，采用1k-1MHz的交流电产生辉光放电，电压1k-10kV；砷空心阴极灯发射的197.3nm光直接照入低温等离子区，在入射光90度方向上用光学检测系统检测，得到原子荧光信号。低温等离子体原子荧光仪和现有原子荧光仪测砷性能比较于下表1，表中信噪比定义为10微克/升的相应元素产生的原子荧光信号和噪音的比值，该比值经过归一化处理，以现有原子荧光仪的信噪比为10；表中检出限定义为3倍噪音信号对应的相应元素的浓度值；表中稳定性是连续11次测量10微克/升的相应元素所得信号的相对标准偏差。
表1.低温等离子体原子荧光仪和现有原子荧光仪测砷性能比较 实例2，低温等离子体原子荧光光谱仪检测铅。
含铅样品被注射泵送入蒸气发生进样系统，在该系统内和硼氢化钾反应生成气态的铅烷；铅烷被氩气带入平行板式结构的无声放电低温等离子体原子化器中转化为铅原子，采用1k-1MHz的交流电产生无声放电，电压1k-15kV；生成的铅原子被氩气带出低温等离子体区，在低温等离子体区出口上方形成一个含有大量铅原子的区域，铅空心阴极灯发射的283.3nm光照射该区域后，在入射光90度方向上用光学检测系统检测，得到原子荧光信号。低温等离子体原子荧光仪和现有原子荧光仪测铅性能比较于下表2，表中信噪比定义为10微克/升的相应元素产生的原子荧光信号和噪音的比值，该比值经过归一化处理，以现有原子荧光仪的信噪比为100；表中检出限定义为3倍噪音信号对应的相应元素的浓度值；表中稳定性是连续11次测量10微克/升的相应元素所得信号的相对标准偏差。
表2.低温等离子体原子荧光仪和现有原子荧光仪测铅性能比较 实例3，低温等离子体原子荧光光谱仪检测锗。
含锗样品被注射泵送入蒸气发生进样系统，在该系统内和12mol/L盐酸反应生成气态的四氯化锗；四氯化锗被氩-氢混合气带入平行板式结构的电弧放电低温等离子体原子化器中转化为自由的锗原子，采用10k-100kHz的交流电产生电弧放电，电压10k-30kV；生成的锗原子被氩-氢混合气带出低温等离子体区，在低温等离子体区出口上方形成一个含有大量锗原子的区域，锗空心阴极灯发射的265.2nm光照射该区域后，在入射光90度方向上用光学检测系统检测，得到原子荧光信号。低温等离子体原子荧光仪和现有原子荧光仪测锗性能比较于下表3，表中信噪比定义为10微克/升的相应元素产生的原子荧光信号和噪音的比值，该比值经过归一化处理，以现有原子荧光仪的信噪比为100；表中检出限定义为3倍噪音信号对应的相应元素的浓度值；表中稳定性是连续11次测量10微克/升的相应元素所得信号的相对标准偏差。
表3.低温等离子体原子荧光仪和现有原子荧光仪测锗性能比较 实例4，低温等离子体原子荧光光谱仪检测铬。
含锗样品被注射泵送入蒸气发生进样系统，在该系统内和和硼氢化钾反应生成气态含铬化合物；气态含铬化合物被氩气带入平行板式结构的流光放电低温等离子体原子化器中转化为自由的铬原子，采用10k-100kHz的交流电耦合直流电产生流光放电，电压10k-30kV；生成的铬原子被氩气带出低温等离子体区，在低温等离子体区出口上方形成一个含有大量铬原子的区域，铬空心阴极灯发射的357.3nm光照射该区域后，在入射光135度方向上用光学检测系统检测，得到原子荧光信号。低温等离子体原子荧光仪和其它原子荧光仪测铬性能比较于下表4，表中信噪比定义为10毫克/升的相应元素产生的原子荧光信号和噪音的比值，该比值经过归一化处理，由于现有原子荧光仪无法测量铬，所以将高温原子荧光仪的信噪比为100；表中检出限定义为3倍噪音信号对应的相应元素的浓度值；表中稳定性是连续11次测量10毫克/升的相应元素所得信号的相对标准偏差。
表4.低温等离子体原子荧光仪和其它原子荧光仪测铬性能比较 本发明提出了一种采用蒸气发生进样方式，基于低温等离子体的原子化系统的原子荧光仪器，实现进样系统、原子化系统和光学检测系统的最佳匹配，来提高原子荧光仪器的灵敏度、降低原子荧光测量的噪音和扩大其检测元素的种类。
权利要求
1.低温等离子体原子荧光光谱仪，其特征是包括蒸气发生进样系统(1)和与其连接的低温等离子体原子化系统(2)，所述低温等离子体原子化系统(2)包括形成低温等离子体区(21)和自由原子区(22)的放电装置，在自由原子区(22)侧面设置有光源系统(3)和光学检测系统(4)。
2.根据权利要求1所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述蒸气发生进样系统(1)能实现氢化物发生、冷蒸气发生、卤化物发生、氧化物发生或螯合物发生的进样方式。
3.根据权利要求1或2所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述放电装置为线筒式结构或平行板式结构。
4.根据权利要求3所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述线筒式结构放电装置包括柱状电极(213)和围绕柱状电极(213)的圆筒状电极(212)，两电极间有1k-30kV的直流、交流或交直流耦合电压，其中交流电的频率范围从10Hz-1MHz，两电极的外表面为裸露，或者部分或全部包裹介质(214)。
5.根据权利要求3所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述平行板式结构放电装置包括两块相互平行的电极板(215)，两电极间有1k-30kV的直流、交流或交直流耦合电压，其中交流电的频率范围从10Hz-1MHz，两极板(215)的相对面为裸露，或者部分或全部包裹介质(214)。
6.根据权利要求3所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述低温等离子体原子荧光仪的光源系统(3)是空心阴极灯、无极放电灯或激光光源；所述低温等离子体原子荧光仪的光学检测系统(4)是非色散光学检测系统或色散光学检测系统。
7.根据权利要求4所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述低温等离子体原子荧光仪的光源系统(3)是空心阴极灯、无极放电灯或激光光源；所述低温等离子体原子荧光仪的光学检测系统(4)是非色散光学检测系统或色散光学检测系统。
8.根据权利要求5所述的原子荧光光谱仪，其特征是所述低温等离子体原子荧光仪的光源系统(3)是空心阴极灯、无极放电灯或激光光源；所述低温等离子体原子荧光仪的光学检测系统4是非色散光学检测系统或色散光学检测系统。
全文摘要
本发明涉及一种低温等离子体原子荧光仪，包括蒸气发生进样系统和与其连接的低温等离子体原子化系统，所述低温等离子体原子化系统包括形成低温等离子体区和自由原子区的放电装置，在自由原子区侧面设置有光源系统和光学检测系统。该低温等离子体原子荧光仪器采用蒸气发生进样方式，基于低温等离子体的原子化系统的原子荧光仪器，实现进样系统、原子化系统和光学检测系统的最佳匹配，来提高原子荧光仪器的灵敏度和扩大其检测元素的种类。具有低能耗、高灵敏度和高稳定性的特点，而且可以扩充现有原子荧光仪器的检测范围。
文档编号G01N21/64GK1831520SQ20061007645
公开日2006年9月13日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者刘霁欣, 那星, 陈志新, 裴晓华 申请人:北京吉天仪器有限公司