一种检测有机磷神经毒剂的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种检测有机磷神经毒剂的装置，其构成包括样品引入系统、微等离子体化系统和光谱测量处理系统，所述样品引入系统由样品气管路、载气管路、汇合样品气与载气的工作气输送管路和工作气流量控制器构成，所述微等离子体化系统由直流电源和微等离子体发生装置构成，其中微等离子体发生装置由在微等离子体流道腔和固定在微等离子体流道腔相对两壁面上与所述直流电源连接的一对电极构成，所述光谱测量处理系统包括对应设置在微等离子体流道腔出口处的聚焦透镜、光谱处理装置与光谱数据处理装置。本实用新型是基于有机磷神经毒剂同时存在P元素和CH自由基，以及微等离子体的选择性来检测含有有机磷神经毒剂的样品气体，检测准确度高。
【专利说明】一种检测有机鱗神经毒剂的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种有机磷神经性毒剂的检测技术，具体涉及一种利用微等离子体激发光谱检测含有有机磷神经性毒剂的装置。
【背景技术】
:
[0002]神经性毒剂属有机磷或有机磷酸酯类化合物。这类毒剂特别对脑、膈肌和血液中乙酰胆碱酯酶活性有强烈的抑制作用，致使乙酰胆碱在体内过量蓄积，从而引起中枢和外周胆碱能神经系统功能严重紊乱。因其毒性强、作用快，能通过皮肤、粘膜、胃肠道及肺等途径吸收引起全身中毒，加之性质稳定、生产容易、使用性能良好，因此成为外军装备的主要化学战剂。
[0003]最具代表性的四个神经性毒剂是塔崩(tabun)、沙林(sarin)、梭曼(soman)和维埃克斯(VX)。前三者含有P-CN键和P-F键，被称为G类毒剂，代号分别为GA、GB和⑶。含有P-SCH2CH2N(R) 2键的化合物称为V类毒剂，如VX、VE、VG、VS及VR等。图l_a至图1-f显示了这些有机试剂的化学结构。由于含磷有机毒剂均为无色油状液体，且无刺激性，气味微弱，因而实际中常常难以被察觉，需要依靠特殊检测仪才能将其检测出来。
[0004]由于神经毒剂对公共安全造成了巨大的威胁，因此开发快速可靠的神经毒剂检测技术和相关降解手段已迫在眉睫。近年来，气象色谱(GC)技术因其高效、高选择性、高灵敏性等特点已被广泛应用于检测挥发性化合物的检测，而GC-MS则是其中最重要的检测手段。神经毒剂结构中含有磷，是一种具有良好热稳定性的挥发性试剂，因此GC与火焰光度计(FID)或与氮-磷检测器(NPD)的联用非常适用于对神经毒剂的选择性检测及定量分析。其它已报道的检测方法还包括:火焰原子化法(FID)，光致电离法(PID)，离子淌度谱法(IMS)，傅里叶变换红外光学谱法(FTIR)，半导体传感器法，差异吸收法，表面声波法等。然而，这些技术方法对神经毒剂的检测还存在一定局限性。
[0005]现有的GC-MS检测方法，虽然能有效地检测神经毒剂，但由于其对高真空环境的需求致使其不适用于现场实时分析，并且GC-MS操作复杂、保养及制造费用高昂、难以实现便携化。基于一般物理和化学性质的半导体传感器强烈依赖于非特异性检测，此方法只对总蒸汽浓度的改变有响应，因此并不适用于特定神经毒剂的检测。MS对神经毒剂的检测具有巨大的潜力，但目前大部分IMS设备受到记忆效应和弱选择性的局限，因而并不适用于实际样品的分析。火焰光度计通过氢火焰燃烧化合物并检测磷的特征发射谱线，是一种对化学战争试剂有高灵敏度的检测方法。然而，当检测含有大量磷的常规环境样品，如二氧化硫、硫化氢等时，这种FID容易出现假阳性结果。因此，FID须与GC联用可以减小误差，但这样一来仪器就更加复杂，耗时长，不利于现场使用。
【发明内容】
[0006]针对有机磷神经性毒剂检测技术的现状与不足，本实用新型的目的旨在提供一种新的检测有机磷神经毒剂的装置，利用微等离子体的选择性同时检测有机磷神经毒剂中存在的两种组分一P元素和有机分子碎片CH自由基(简称CH自由基)，以提高检测有机磷神经毒剂的灵敏性。
[0007]本实用新型的基本思路是以对神经毒剂具有高选择性、能在常压及室温下稳定工作的的直流微等离子体源作为样品激发源，同时检测有机磷神经毒剂中存在的CH自由基和P元素特征谱线和峰面积，实现对含有有机磷神经毒剂样品气体的检测。
[0008]本实用新型提供的检测有机磷神经毒剂的装置，包括样品引入系统、微等离子体化系统和光谱测量处理系统，所述样品引入系统由样品气管路、载气管路、汇合样品气与载气的工作气输送管路和工作气流量控制器构成，所述微等离子体化系统由直流电源和微等离子体发生装置构成，其中微等离子体发生装置由在绝缘材质基体件上加工出来的微等离子体流道腔和固定在微等离子体流道腔相对两壁面上与所述直流电源连接的一对电极构成，所述样品引入系统的工作气输送管路通过管路转换接头与所述微等离子体流道腔连通，所述光谱测量处理系统包括对应设置在微等离子体流道腔出口处的聚焦透镜、光谱处理装置与光谱数据处理装置，聚焦透镜通过光纤与光谱处理装置连接，将有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的光谱信号输入到光谱处理装置，光谱处理装置通过数据线与光谱数据处理装置连接，将有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的光谱信号数据输入到数据处理装置中进行储存、显示处理。
[0009]上述检测有机磷神经毒剂的装置，还可进一步采取以下技术措施，下述各项技术措施可分别单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。
[0010]在微等离子体流道腔出口处设置有收集等离子体排放气的密封装置，以保证工作气体经激发离子化后以密封排气方式进行排放，避免有机磷神经毒剂对周围环境造成危害。
[0011]固定在微等离子体流道腔相对两壁面上的电极优先选用片状电极，两片状电极之间的距离最好不大于1mm。
[0012]所述透镜优先采用可上下前后左右调节与微等离子体流道腔的角度和距离设置方式，以得到等离子体激发有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基发射出的最强谱线信号。
[0013]所述工作气流量控制器通过样品气管路和载气管路上设置的气体流量计协调控制两管路的气体流量，以保证工作气体以750?1500ml/min的流速进入微等离子体流道腔；工作气体最好以800?lOOOml/min的流速进入微等离子体流道腔。
[0014]所述直流电源可选用230?420V输出电压的直流电源；最好选用250?320V输出电压的直流电源。
[0015]本实用新型是通过控制含有有机磷神经毒剂的样品气体和载气气体汇合后形成的工作气体以特定的流速进入微等离子体流道腔，通过设置在微等离子体流道腔相对两壁面上的电极对进入微等离子体流道腔的工作气体施加230?420V的直流电使之激发离子化，有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基在工作气体激发离子化过程中发射特征谱线，通过与微等离子体流道腔喷出口对应设置的透镜聚焦后导入光纤，由光纤将光谱信号传输到光谱处理装置进行处理，经光谱处理装置处理得到的有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的光谱信号数据输入到数据处理系统中进行储存、显示处理。
[0016]采用本实用新型对有机磷神经毒剂进行检测，施加于工作气体使之激发离子化的直流电临界电压为420V，但发明人在研宄中发现，其工作电压与电流之间不存在线性关系，施加于工作气体的直流电压在230V到420V之间微等离子体装置都能正常工作。发明人在对多种神经毒剂的实验测试中还发现:P谱线的强度与电流呈线性增长关系；等离子体气流速也能显著影响发射强度；等离子体焰炬形状随气体流速而改变，当流速大于750ml/min时，火焰逐渐伸长，火焰形状的改变影响发射光的耦合率，并且放电电流会有轻微的波动。火焰形状和电流的波动会引发信号强度与气体流速之间为非线性关系。基于以上原因，在本实用新型中将工作气体的流速控制在800?lOOOml/min范围，工作电压控制在250?320V范围，更有利于对有机磷神经毒剂进行检测。
[0017]采用本实用新型对有机磷神经毒剂进行检测，微等离子体的温度一般只有80°C左右，将一张纸置于等离子体焰中10秒并不引发燃烧现象。在这样的低温下，神经毒剂不会发生热解和严重碎裂，因此检测中能观察到正常的0P，CH和P峰。同时，由于微等离子体的低温特性，本实用新型提供的检测装置克服了其它基于等离子体的检测装置常有的碳沉积问题，因而本实用新型的检测装置具有卓越的稳定性及使用寿命。
[0018]本实用新型是利用由惰性气体为载气的微型等离子体同时检测有机神经毒剂中的两种组分一P元素和CH自由基，而非传统FID所使用的单一目标组分。虽然磷元素是显示神经毒剂存在的最重要的指标，但由于环境样品中的磷肥产物或磷酸都能使火焰光度计产生显著的假阳性信号，因而只单独检测磷并不能严格指示神经毒剂的存在。本实用新型采取同时检测有机神经毒剂中的磷P和CH自由基，而环境样品通常不含有CH自由基，因此能极大地避免环境对样品的干扰，并可通过峰位置和峰面积对待测对象进行定性定量分析，因此本实用新型对含有有机磷神经毒剂的检测精准度高。
[0019]本实用新型提供的有机磷神经毒剂检测方法，开创了用微等离子体直接检测神经毒剂或其它化学战争试剂的新思路。本实用新型的方法以对神经毒剂具有高选择性、能在常压及室温下稳定工作的的直流微等离子体源作为样品激发源，同时检测CH自由基和P元素特征发射谱线，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，通过待测对象的峰位置和峰面积对有机磷神经毒剂进行定性定量分析，有机神经毒剂的检测可靠性高。
[0020]本实用新型提供的基于微等离子体的有机磷神经毒剂的检测方法，不仅在含磷神经毒剂的检测中表现良好，还适用于其它含硫、氯的化学战争试剂的检测，在食品健康、药物检测、环境分析、法学鉴定等多个领域中都具有极大的市场发展潜能。其对检测装置的简单要求和检测装置的小型化尺寸，为涉及制造、废弃物处理、环境检测、现场鉴定的政府实验室提供极大的便利，也有利于尚等院校的相关教学及科研工作。
[0021]本实用新型提供的检测有机磷神经毒剂的装置，对有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基选择性好，响应灵敏度高，具有功能强大、结构简单、稳定性好、操作灵活、尺寸小、制造成本和操作成本低、维持气能源消耗低等优势，其使用费用、操作性和分析功能均优异于其它神经毒剂检测器，能极大地满足现在的市场需求。
[0022]对本实用新型提供的基于微等离子体的有机磷神经毒剂检测装置有较大需求的行业及领域，主要有:
[0023].环境监测
[0024].食品和饮料加工
[0025].能源和材料科学
[0026].科学考察
[0027].地质勘探及开采
[0028].国家安全及国防
[0029].高等院校教学及科研
[0030]本实用新型提供的基于微等离子体的有机磷神经毒剂检测装置的特点，可简要概括归纳为:
[0031].对神经毒剂的检测具有高可靠性。
[0032].简单易操作，可采用计算机控制操作过程。
[0033].多种气体可作为等离子体维持气，包括氩、氦及其混合气体。
[0034].可在大气压下及常压下稳定工作。
[0035].微等离子体温度低至80°C，保证操作人员的安全。
[0036].微等离子体腔体不存在碳沉积现象，仪器稳定性好，使用寿命长。
[0037].等尚子体对样品引入具有良好的耐受性。
[0038].密封排气，不需要特殊的通风系统。
[0039].等离子体功率低至0.13?4.07ffo
[0040].等离子体气流速低于lL/min。
[0041].系统简单，尺寸小，可设计为现场便携式、台式或机架式。
[0042]本实用新型提供的基于微等离子体的有机磷神经毒剂检测装置的优势，可简要概括归纳为:
[0043]?功率低，仅为0.13?4.07W，远小于GC_MS，FID等传统检测设备。可实现由简单锂电池供电，极大削减了仪器在能耗上的花费。
[0044]?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215-50L/min，用于形成等离子体、等离子保护气和传输样品。本实用新型提供的微等离子体检测方法的气体消耗量低于1.0L/min且不需要等离子体保护气，在保证精度的同时也完成了设备简化。
[0045].体积小。本实用新型提供的神经毒剂检测方法所采用的为等离子体发生腔的放电总体积仅为150nL，远低于GC-MS，FID等同类可检测神经毒剂的仪器。
[0046].重量小。本实用新型采用的整个检测系统重量仅在几Kg，核心部件微等离子体流道腔体重量更只有几十g，远低于动辄几百Kg的同类仪器。搬运轻便，有利于现场实时分析。
[0047]?成本低。整套检测系统取材低廉易得，能源载气消耗小。
[0048].操作简便。
[0049].对样品反应迅速。对微等离子体腔体中的光谱发射信号传导，处理迅速，谱图简洁明了。
[0050].对神经毒剂选择性好，灵敏度高。由于同时检测有机组分和特征元素，排除了环境气体的干扰，相比于FID等设备检测误差更小。
[0051].同时还可检测含S的化学战争试剂。
[0052].应用领域广泛。【专利附图】
【附图说明】:
[0053]图1-a至图l_b为神经毒剂的化学结构，其中图l_a为GA;图l_b为GB ;图l_c为⑶；图Ι-d为GF ;图Ι-e为VX ;图1-f为R-VX。
[0054]图2为本实用新型检测有机磷神经毒装置的结构示意图。
[0055]图3为剂检装置中微等离子体流道腔的结构示意图。
[0056]在上述各附图中，各图示标号标识对象分别为:1-样品气管路；2-载气管路；
3-气体质量流量控制器；4_密封瓶；5_直流电源；6_微等离子体发生装置；7_光纤；8_光谱处理装置；9-光谱数据处理装置；10-氧化铝基板；11-铂电极；12-气路转换接头；13-导线；14_气体进口 ；15_气体出口。
【具体实施方式】
[0057]下面结合实施例对本实用新型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实用新型做进一步的说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述
【发明内容】
，对本实用新型做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，应仍属于本实用新型的保护范围。
[0058]实施例
[0059]本实施例的检测有机磷神经毒剂的装置，其构成包括样品引入系统、等离子体化系统和光谱测量处理系统，其构成如附图2和附图3所示。所述样品引入系统的结构如附图1中所示，作为载气的氩气分为两路，一路通过质量流量计进入样品气管路，一路通过质量流量计进入载气管路，两个质量流量计由同一个流量控制器3协调控制，以保证两路气体汇合后的工作气体总流量在750?1500ml/min范围，即控制进入微等离子体流道腔的工作气流量在设定的范围。在样品气管路中，内装有液相有机磷神经毒剂(液相)和磁力搅拌子的密封瓶4分别与质量流量计和工作气管路连通。密封瓶内液相有机磷神经毒剂在磁力搅拌子的搅拌下蒸发汽化，充分搅拌均匀后有机磷神经毒剂的蒸汽很快达到饱和。密封瓶内的有机磷神经毒剂饱和蒸汽由氩气负载着带出密封瓶，与另一路作为载气的氩气汇合后进入微等离子体流道腔。两台质量流量计均采用型号为FC-260型质量流量计，流量控制器采用型号为5878的4通道流量控制器。在本实施例中，由于样品气中有机磷神经毒剂的蒸汽始终处于饱和状态，不同载气流速下样品浓度保持恒定，但其总摩尔量随气体流速的升高而增大，因而能得到稳定的发射强度。在本实用新型具体实施的实践中，样品引入系统中的样品气管路I和载气管路中的气体流量控制器，也可依情况采用气体输送泵和转子流量计的组合代替。
[0060]所述等离子体化系统，由可提供230?420V的直流电源5和微等离子体发生装置6构成，其中微等离子体发生装置又由微等离子体流道腔、固定在微等离子体流道腔上下两壁面上的片状铂电极11和与微等离子体流道腔入口连接的一个聚四氟乙烯材质的气路转换接头12构成，所述微等离子体流道腔，是由两块分别加工有部分微等离子体流道腔结构的氧化铝基板10焊接构成。固定在微等离子体流道腔上下两壁面上的片状铂电极11通过导线13与直流电源5正负极连接。位于微等离子体流道腔内由两铂电极片所构成的放电腔，其高、宽、长分别为500 μπι、500 μπι、600 μπι，放电腔总体积为150nL。具体参数可依实施情况作改变，但两铂电极片的距离一般不大于1_。作为构成微等离子体流道腔的基材也可用陶瓷片、石英等耐压耐热的材料代替。
[0061]所述光谱测量处理系统，包括对应设置在微等离子体流道腔出口 15处的准直透镜、光谱处理装置8和光谱数据处理装置9，准直透镜通过光纤7与光谱处理装置连接，光谱处理装置通过数据线与光谱数据处理装置连接。所述透镜以可上下前后左右调节其与微等离子体流道腔角度和距离的方式设置在微等离子体流道腔出口，以便得到等离子体激发有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基发射出的最强谱线信号。所述光谱处理装置为具有元件像素的线性CCD检测器；所述光谱数据处理装置为手提计算机，其使用的软件为市售的32位OOIBAS软件。微等离子体流道腔出口 15发射出的有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的最强光谱信号，由设置在微等离子体流道腔出口处的准直透镜聚焦后导入光纤，由光纤输入线性CCD检测器，经线性CCD检测器数据化处理后，将有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的光谱信号数据输入到数据处理装置中进行储存、显示处理。
【权利要求】
1.一种检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于包括样品引入系统、微等离子体化系统和光谱测量处理系统，所述样品引入系统由样品气管路(I)、载气管路(2)、汇合样品气与载气的工作气输送管路和工作气流量控制器(3)构成，所述微等离子体化系统由直流电源(5)和微等离子体发生装置(6)构成，其中微等离子体发生装置由在绝缘材质基体件上加工出来的微等离子体流道腔和固定在微等离子体流道腔相对两壁面上与所述直流电源连接的一对电极(11)构成，所述样品引入系统的工作气输送管路通过管路转换接头与所述微等离子体流道腔连通，所述光谱测量处理系统包括对应设置在微等离子体流道腔出口处的聚焦透镜、光谱处理装置与光谱数据处理装置，聚焦透镜通过光纤与光谱处理装置连接，将有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的光谱信号输入到光谱处理装置，光谱处理装置通过数据线与光谱数据处理装置连接，将有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基的光谱信号数据输入到数据处理装置中进行储存、显示处理。
2.根据权利要求1所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于在微等离子体流道腔出口(15)处设置有收集等离子体排放气的密封装置。
3.根据权利要求1或2所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于固定在微等离子体流道腔相对两壁面上的电极为片状电极，两片状电极之间的距离不大于1mm。
4.根据权利要求1或2所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于所述透镜可上下前后左右调节与微等离子体流道腔的角度和距离的设置在微等离子体流道腔出口处，以得到等离子体激发有机磷神经毒剂中的P元素和CH自由基发射出的最强谱线信号。
5.根据权利要求1或2所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于工作气流量控制器(3)通过样品气管路(I)和载气管路(2)上设置的气体流量计协调控制两管路的气体流量，以保证工作气体以750?1500ml/min的流速进入微等离子体流道腔。
6.根据权利要求5所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于工作气流量控制器(3)通过样品气管路(I)和载气管路(2)上设置的气体流量计协调控制两管路的气体流量，以保证工作气体以800?1000ml/min的流速进入微等离子体流道腔。
7.根据权利要求1或2所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于所述直流电源(5)为230?420V输出电压的直流电源。
8.根据权利要求7所述的检测有机磷神经毒剂的装置，其特征在于所述直流电源(5)为250?320V输出电压的直流电源。
【文档编号】G01N21/73GK204228612SQ201420381013
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】段忆翔 申请人:段忆翔