专利名称：用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种元素分析仪器，具体涉及一种基于微波诱导等离子体的液/气相样品在线实时监测的便携式光谱仪，特别涉及过渡金属元素、稀土元素、锕系元素、碱金属和碱土金属元素微波等离子体源的光谱检测。
背景技术：
随着工业技术的发展与进步，过渡金属元素、稀土元素、锕系元素、碱金属和碱土金属元素应用也越来越广泛，同时由其造成的污染也越来越严重。以铍的制备工艺为例，铍由绿柱石中提取出来并转化为氢氧化铍，用于实现金属合金和氧化物的合成、陶瓷的生产、 纯铍的制备等工业和军事用途。由于监管力度的加大和对铍危害性认识的提升，在铍的生产、提纯以及铍产品在工业、商业的使用过程中，对周遭环境中铍含量进行及时、准确地的测定显得尤为重要。随着人们社会环保意识的增强和对劳工安全关注度的提升，世界各国对于实现实时监测空气及水样中的过渡金属元素、稀土元素、锕系元素、碱金属和碱土金属元素的需求日益强烈。另外，在工业生产过程中可通过对某些元素的检测进行质量控制，可以大量节约生产成本，降低或消除废品的产生，如半导体工业生产中的镀膜过程，以及生物医药领域、 环境领域、冶金勘探领域、航天领域等，都可通过对某些元素检测进行生产质量控制。因此， 开发高灵敏度的，并且能够快速、在线实时监测工业排放物中上述元素的便携式检测设备， 已成为各国的当务之急和长期追逐的目标。美国专利(U.S. Pat. No. 4，844，612 (Durr and Rozain, Jul. 4，1989))公开了一种通过电磁场对等离子体施加激发能量，利用电感应偶合等离子体发射光谱实现对样品元素进行分析检测的方法，可用于检测液体样品中铍或其他微量元素。用于实施元素检测的检测仪，主要包括待检测样品和等离子体维持气引入系统、等离子体原子化系统和光谱测量处理系统，其中等离子体原子化系统以射频(RF)作为形成等离子体的能量施加电磁场，RF 的频率为2748MHz，由于RF的频率低，穿透能力不强，为了获得稳定的等离子体焰炬，需要使用大功率的RF营造电磁场，其功率一般须达到1000-2000W，同时等离子体的维持气流量还必须要大，要达到15-25L/min。鉴于该元素测量仪的射频(RF)功率大，需配备专用的动力电源线，等离子体维持气体流量大，引入系统装置体积大，且需要配置特殊的通风系统， 因此，该测量仪是一种实验室使用的台式固定设备，人们只能将样品送到实验室进行微量元素的测量，不能用于在线或现场对检测样品进行实时检测。
发明内容
基于现有技术的元素检测仪种种限制，本发明的目的旨在提供一种小型便携式的既可适用于液相样品又可适用于气相样品的元素检测光谱仪，以满足人们对既能实现在线实时检测，检测灵敏度高，又经济实惠、能量消耗低的新型元素检测仪的强烈需求。本发明提供的适用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，包括样品引入系统、等离子体原子化系统和光谱测量处理系统，其中等离子体原子化系统又包括等离子体焰炬管、微波能施加装置、等离子体引发装置和等离子体焰炬稳定室，所述等离子体焰炬管由样品输送内管、同轴套置在内管外材质为导电金属的中管和同轴套置在中管外的外管壳构成，内管与中管之间的环形管腔为等离子体维持气输送管道，其进口与样品引入系统中的等离子体维持气出口连接，内管的进口与样品引入系统中的待测样品出口连接，所述微波能施加装置由微波源和通过微波传输导线与微波源相连接的天线构成，天线设置在中管的管壁外接近出口处，所述等离子体引发装置通过导线连接等离子体焰炬区，所述焰炬稳定室设置在等离子体焰炬管端口，室壁设计有废气排出口和用于设置作为光谱测量处理系统一部分的光收集装置的窗口。在上述技术方案中，当待测样品为液体样品时，所述样品引入系统中的待测样品引入分系统设计有相互连接的液体样品输送泵、雾化器和溶剂去除器，雾化器与雾化液体样品的气体输送管连接。任何合适的雾化装置都可用于液态样品的雾化，如超声雾化器。 当由溶剂去除器出来的样品湿度过大不适宜时，可在溶剂去除器后增设干燥器对雾化样品进行干燥，干燥器的进口与溶剂去除器出口连接，出口与等离子体原子化系统中的等离子体焰炬管的内管进口连接。对于液体待测样品，样品引入系统中的等离子体维持气引入分系统可设有两条引入支路，一路通过计量器与待测样品引入分系统中的雾化器连接，对液体样品进行雾化，另一路通过计量器与等离子体原子化系统中的等离子体维持气输送环形管道进口连接，为等离子体提供维持气。等离子体维持气的流速是可调节的，调节范围为 0. lL/min至lOL/min，具体由所需等离子体形状、等离子体维持气的气体种类、管道口径、 待测样品浓度等因素决定。通常流速在0. 5L/min至4L/min之间。在上述技术方案中，当待测样品为气体样品时，引入系统中的样品引入分系统则不需要设置雾化器，一般也不需要设置溶剂去除器和干燥器，气体样品的压力足够大，可直接引入到等离子体原子化系统中的等离子体焰炬管的内管，当气体样品的压力足够大时， 气体样品可由气泵送入等离子体原子化系统。当气体样品的量不足够大时，还可引入一部分等离子体维持气，一并进入等离子体原子化系统。为了取得更好技术效果，在上述技术方案的基础上，本发明还可进一步采取以下技术措施。下述技术措施可分别单独采取，也可多个措施组合采取，或一并同时采取。等离子体原子化系统中的焰炬稳定室，其室壁最好设置在微波传播方向的波谷处，且室腔径向尺寸与轴向尺寸均不大于5个波长。根据这一特点设计焰炬稳定室。在等离子体焰炬管的中管与外管壳之间的环形管腔内设置有微波反射镜，微波反射镜位于微波天线下方，以便将天线发射的微波能反射到等离子体焰炬区域。微波反射镜最好是可上下移动调节地设置在内管与外管壳之间的环形管腔内。微波天线与微波反射镜的距离最好为微波1/4波长的奇倍数，如1/4、3/4、5/4、7/4λ。其中1/4 λ最有利于仪器的小型化。微波天线为能与中管外管壁吻合的天线，如环体天线，环体可以是全环、半环、环块等。优先采用与中管外管壁完全吻合的全环体天线。天线与中管上端口应尽量接近，以保证微波能量高效地传输至等离子体焰炬区，并避免微波在等离子体焰炬管中纵向传输带来的干扰。在特别要求情况下，可在等离子体焰炬管的外管壳壳体壁上设置电子半导体制冷片，以对等离子体焰炬管外管壳进行冷却。当然也可以是其他的冷却方式。
在中管与内管之间的环形管腔内设置至少一个均布有若干通孔的等离子体维持气分布器，分布器上的通孔最好是朝一个方向倾斜的通孔，使等离子体维持气呈旋流状从等离子体焰炬管流出。中管的管壁上设计有至少一个用于平衡中管内外气体压力的平衡孔。焰炬稳定室顶部上方设计有废气排放室，焰炬稳定室通过位于顶部中央处的通孔与废气排放室连通，废气排出口设计在排放室的侧壁上。用于设置光谱测量处理系统光收集装置的窗口设计在焰炬稳定室侧壁正对着等离子体焰炬的范围。等离子体焰炬管的长度最好设计为微波1/4波长的奇数倍，且不大于200cm。具体长度取决于仪器便携性的要求。通常情况下，等离子体焰炬管的长度为1/4或3/4波长，大约为5cm至15cm。等离子体焰炬管的中管同时用作微波能量的导管，因此其材质必须为能电导的材料，以兼容微波能量传输。其可选材料有铜、黄铜、铝、不锈钢、银、金及其合金。内管材料可为导体或绝缘体，包括铜、黄铜、铝、不锈钢、银、金及其合金，石英、陶瓷。其中不锈钢和陶瓷具有最好的耐腐蚀性和等离子体稳定性。任何可被微波能量激发形成等离子体的气体均可用作等离子体维持气体。可采用的气体有氩气、氦气、氮气、空气等。具体选择由检测所需灵敏度和被分析物的种类决定。微波频率在1000MHz至10000MHz之间均可用于激发和稳定等离子体。常用范围为2000-3000MHZ，其中最佳频率为M50MHz。等离子体焰炬稳定所需功率一般为50-200W 或更高。任何可提供合适频率范围微波能量的微波源装置皆可用作本发明的微波能施加装置的微波源。通常采用的微波源有微波振荡器、磁控管和速调管发电机。其中磁控管以其较宽的功率范围成为微波源的最佳选择。微波传输导线穿过等离子体焰炬管外管壳将微波能从微波源传输至设置在中管上的天线。微波传导线可以是同轴电缆、波导管或其它合适的设备。实现等离子体的引发可通过对等离子体区范围的等离子体维持气施加足够的能量以产生种电子。可采用等离子体引发装置通过导体将其产生的激发能传至等离子体区， 以实现对等离子体维持气的激发。等离子体区焰炬形状可为火焰状或环状，都可用于对待测样品的测量。焰炬的形状取决于等离子体焰炬管管口的形状。等离子体焰炬稳定室用于保护等离子体焰炬区防止气流或外部气体进入并维持等离子体焰炬的稳定。任何耐等离子体高温的材料都可用于等离子体焰炬稳定室。光谱测量处理系统中的光收集装置有多种选择，取决于系统的设置、信号发射器的类型、分析仪器的类型等。其中包括各种光学聚焦镜片、滤光片、波导管和光纤。准直透镜可从侧面收集等离子体发出的光，并将光聚集后传入光纤中。然而常用的准直透镜的光收集效率较低，< 5%。采用双透镜可通过扩大光束收集立体角以提高光线收集效率。等离子体焰炬产生的光信号可通过一根或多根光纤传输到一台或多台检测器。常用的检测器为具有元件像素的线性CCD检测器。任何合适的计算机控制系统都可用于流速的控制数据的处理。可采用市售软件，如32位的00IBAS软件。本发明提供的在线检测便携式元素光谱仪，是首个实现对液/气相样品进行实时在线检测的等离子体源现场便携式光谱仪。该仪器采用多项尖端技术在大气压下得到了稳定的微波诱导等离子体，并成功用于样品的快速分析。原子发射光谱的收集和处理借助一个小型光谱仪和计算机数据处理系统，通过峰位置和峰面积进行待测元素的定性定量分析。本发明提供的在线检测便携式元素光谱仪具有功能强大、携带方便、结构紧凑、操作灵活、支持现场检测、低制造成本和操作成本等优势，可以很理想地被应用于工业的在线分析，大学中的教学和科研工作，以及政府实验室中来。同时，由于本元素光谱仪可以有效地与进样装置、触摸屏操作相结合，具备低的维持气和微波能量消耗。本发明提供的在线检测的便携式元素光谱仪，适用于一切需要进行现场或在线液相和气相样品快速测定的场合，在多个领域中都具有极大地市场发展潜能。首先，其独有的优势和便携性将为涉及制造、废弃物处理、核原料回收再利用的政府实验室提供极大的便利。其次，该仪器还将有利于高等院校的相关教学及科研工作。对本发明提供的在线检测便携式元素光谱仪有较大需求的行业及领域·半导体制造业 环境监测·食品和饮料加工·能源和材料科学·石油化学产品分析·地质勘探及开采·核材料加工，国家安全及国防·电子和航天工业·高等院校教学及科研本发明提供的在线检测便携式元素光谱仪特点 有ppb级灵敏度。·具备综合能力可进行在线实时分析。·简单易操作，可采用计算机控制操作过程。·可选择的集成进样系统，包括超声雾化器和蠕动泵。·液体、气体样品皆可处理。·多种气体可作为等离子体维持气，包括氩、氦及其混合气体。 可在大气压下稳定工作。·等离子体对样品引入具有良好的耐受性。·等离子体焰炬形成于等离子体室中，可保证其稳定性及操作人员的安全。·密封排气，不需要特殊的通风系统。·等离子体功率低至50-200W。·等离子体气流速低于lL/min。·可设计为现场便携式、台式或机架式。本发明提供的在线检测便携式元素光谱仪优势之处 功率低，不需冷却装置。与传统的ICP-AES (功率为1500-2800W)相比，具备先进技术在线检测便携式元素光谱仪的功率显著下降，仅为50-200W。ICP-AES需要独立的蓄水设备和相关制冷管道用于强制冷却，而小型元素光谱仪不需要任何外部冷却设备。 气体消耗量低。常见的具有竞争力的仪器都有较大的气体消耗量，约为15-50L/ min，用于形成等离子体、等离子保护气和传输样品。在线检测便携式元素光谱仪的气体消耗量低于l.OL/min。由于不需要等离子体保护气，小型元素光谱仪达到同样的精度和检测水平所需功率大大下降。 所占空间小。常规仪器所需空间均超过Im3(不包括雾化及冷却装置)。而小型在线检测便携式元素光谱仪结合雾化设备后仅0. 06m3 (不需冷却设备)，其体积比普通仪器缩小了 16倍以上。·重量小。目前可用的产品重量大多超过180kg (不包含雾化器以及水冷设备)。 在线检测便携式元素光谱仪的重量仅30kg左右，比同类其他仪器轻6-12倍。 成本低。·有利于保持室内环境的清洁。现有的ICP-AES在其等离子体室上方均安装有未接触的通风管道(直径为15cm)用于将等离子体气体排到室外。然而，未排净的气体将会影响室内环境的清洁。在线检测便携式元素光谱仪由于其低功率和低气流量，仅需一个过滤器和一个简单管道。·可检测周期表中几乎所有元素。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明引入系统的一种结构示意图，用于气体样品的检测。在上述各附图中，各图示标号标识对象分别为1-中管；2-内管；3-固定盘；4-外管壳；5-微波反射镜；6-电子半导体制冷片；7-环形天线；8-光谱测量处理装置；9-凸镜； 10废气排放室；11-等离子体焰炬；12-等离子体焰炬；13-微波源；14-等离子体维持气分布器；15-平衡孔；16-气体计量器；17-气体计量器；18-输送泵；19-雾化器；20-溶剂去除器；21-干燥器。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，有必要指出的是，以下的实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，应仍属于本发明的保护范围。实施例1本实施例是用于液体样品在线检测的便携式元素光谱仪，主要由样品引入系统、 等离子体原子化系统和光谱测量处理系统。其中等离子体原子化系统由等离子体焰炬管、 微波能施加装置、微波反射镜5、等离子体引发装置12、等离子体焰炬的稳定室和废气排放室10构成。所述等离子体焰炬管由样品输送内管2、同轴套置在内管外材质为导电金属的中管1和同轴套置在中管外的外管壳4构成，内管与中管之间的环形管腔为等离子体维持气输送管道，其进口与引入系统中的等离子体维持气出口连接，内管的进口与样品引入系统中的待测样品出口连接。所述微波能施加装置由微波源13、与中管1管壁相吻合的环形
8天线7和穿过外管壳4与环形天线7连接的微波传输同轴电缆构成，环形天线设置在接近中管管壁外接近出口处。所述微波反射镜5通过调节装置可上下移动地设置在内管与外管壳之间的环形空间，位于微波环形天线下方距离天线3/4微波波长的位置，所述调节装置由固定在中管管壳上的固定盘3和调节螺钉构成，螺钉的两端分别作用于微波反射镜和固定盘。所述等离子体引发装置12通过导线连接等离子体焰炬区。所述焰炬稳定室设置在等离子体焰炬管端口，焰炬稳定室的室壁位于微波的波谷处，焰炬稳定室的直径与轴向高度为一个波长，焰炬稳定室侧壁上设计有用于设置作为光谱测量处理系统一部分的凸镜9的窗口，在焰炬稳定室顶部上方设计有废气排放室10，焰炬稳定室通过位于顶部中央处的通孔与废气排放室连通，废气排出口设计在排放室的侧壁上。所述引入系统中的液体样品引入分系统，由通过管道依次连接的输送液体样品的蠕动泵18、雾化器19、溶剂去除器20和干燥器21构成，干燥器的出口与等离子体焰炬管的内管进口连接；引入系统中的等离子体维持气引入分系统设有两条引入支路，一路通过计量器17与液体测样品引入分系统中的雾化器连接，对液体样品进行雾化，另一路通过计量器16与等离子体焰炬管中的等离子体维持气输送环形管道进口连接，为等离子体提供维持气。光谱测量处理系统以双透镜9作为作为光谱收集装置，由手提计算机控制光谱测量处理装置8，光谱测量处理装置为具有元件像素的线性CCD检测器，计算机使用的软件为市售的32位OOIBAS软件。实施例2本实施例也是用于液体样品在线检测的便携式元素光谱仪，其结构与实施例1基本相同，所不同的是等离子体原子化系统在等离子体焰炬管的外管壳壳壁设置有电子半导体制冷片6，在等离子体维持气输送环形管道上设计有等离子体维持气分布器14，分布器环形盘上设计有8个均布的通气孔，在等离子体焰炬管内管壁上设计有3个平衡孔15，以平衡内管内外的流体压力。实施例3本实施例是用于气体样品在线检测的便携式元素光谱仪，其结构和与实施例1基本相同，所不同的是样品引入系统。引入系统的结构如附图2所示。待测气体样品由气泵直接送入到等离子体焰炬管的内管，等离子体维持气引入分系统仍设有两条引入支路，一路通过计量器17并入气体待测样品引入分系统，补充气体样品量的不足，另一路通过计量器16与等离子体焰炬管中的等离子体维持气输送环形管道进口连接，为等离子体提供维持气。实施例4本实施例也是用于气体样品在线检测的便携式元素光谱仪，其等离子体原子化系统的结构与实施例2基本相同，其样品引入系统的结构与实施例3基本相同。
权利要求
1.一种用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，包括样品引入系统、等离子体原子化系统和光谱测量处理系统，其特征在于所述等离子体原子化系统包括等离子体焰炬管、微波能施加装置、等离子体引发装置和等离子体焰炬稳定室，所述等离子体焰炬管由样品输送内管、同轴套置在内管外材质为导电金属的中管和同轴套置在中管外的外管壳构成，内管与中管之间的环形管腔为等离子体维持气输送管道，其进口与样品引入系统中的等离子体维持气出口连接，内管的进口与样品引入系统中的待测样品出口连接，所述微波能施加装置由微波源和通过微波传输导线与微波源相连接的天线构成，天线设置在中管管壁外接近出口处，所述等离子体引发装置通过导线连接等离子体焰炬区，所述焰炬稳定室设置在等离子体焰炬管端口，室壁设计有废气排出口和用于设置作为光谱测量处理系统一部分的光收集装置的窗口。
2.根据权利要求1所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于当待测样品为液体时，所述样品引入系统中的待测样品引入分系统设计有相互连接的液体样品输送泵、雾化器和溶剂去除器，雾化器与雾化液体样品的气体输送管连接。
3.根据权利要求2所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于待测样品引入分系统设计有干燥器，干燥器的进口与溶剂去除器出口连接，出口与等离子体原子化系统中的内管进口连接。
4.根据权利要求3所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于样品引入系统中的等离子体维持气引入分系统设有两条引入支路，一路通过计量器与待测样品引入分系统中的雾化器连接，另一路通过计量器与等离子体原子化系统中的等离子体维持气输送管道进口连接。
5.根据权利要求1至4之一所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪， 其特征在于焰炬稳定室的室壁设置在微波传播方向的波谷处，且室腔径向尺寸与轴向尺寸均不大于5个波长。
6.根据权利要求5所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于在等离子体焰炬管的中管与外管壳之间的环形空间设置有微波反射镜，微波反射镜位于微波天线下方，微波天线与微波反射镜的距离为微波1/4波长的奇倍数。
7.根据权利要求6所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于微波反射镜可上下移动调节地设置在内管与外管壳之间的环形空间。
8.根据权利要求5所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于在等离子体焰炬管的外管壳壳体壁上设置有电子半导体制冷片。
9.根据权利要求5所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于在等离子体焰炬管的中管与内管之间的环形管腔内设置有至少一个均布有若干通孔的等离子体维持气分布器。
10.根据权利要求5所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于等离子体焰炬管中管的管壁上设计有至少一个用于平衡中管内外气体压力的平衡孔。
11.根据权利要求5所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于在焰炬稳定室顶部上方设计有废气排放室，焰炬稳定室通过位于顶部中央处的通孔与废气排放室连通，废气排出口设计在排放室的侧壁上。
12.根据权利要求5所述的用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于用于设置光谱测量处理系统光收集装置的窗口设计在焰炬室侧壁正对着等离子体焰炬的范围。
13.根据权利要求5所述的用于气/液相样品在线检测的便携式元素光谱仪，其特征在于等离子体焰炬管的长度为微波1/4波长的奇数倍，且不大于200cm。
全文摘要
本发明公开了一种用于液/气相样品在线检测的便携式元素光谱仪，包括样品引入系统、等离子体原子化系统和光谱测量处理系统，其中等离子体原子化系统主要包括等离子体焰炬管、微波能施加装置、等离子体引发装置和等离子体焰炬稳定室，所述等离子体焰炬管由样品输送内管、同轴套置在内管外材质为导电金属的中管和同轴套置在中管外的外管壳构成，所述微波能施加装置由微波源和通过微波传输导线与微波源相连接的天线构成，天线设置在中管管壁外接近出口处。本发明的元素光谱仪既可适用于液相样品又可适用于气相样品，具有可在线实时检测，且检测灵敏度高、功率低、气体消耗量少、仪器体积小重量轻、可检测周期表中几乎所有元素等特点。
文档编号G01N21/73GK102269707SQ20111019556
公开日2011年12月7日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者段忆翔 申请人:段忆翔