一种共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置与方法与流程

本发明属于元素测定设备技术领域，具体涉及一种共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置与方法。

背景技术：
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一直以来，物质成分的测定与分析与人们的生活息息相关。随着现代科学技术的不断发展，物质成分测定与分析的有关技术也逐渐变得更加成熟和完善。当前，质谱法和光谱法是两种运用较多的物质成分测定与分析的技术，以这两种方法为核心分别制成的等离子体质谱仪和等离子体光谱仪成为了许多行业的必备仪器，它们在地质勘探，医药研究，环境监测，材料科学及食品安全等领域都发挥着重要作用。

等离子体质谱仪和等离子体光谱仪都可以采用ICP发生装置作为等离子体的来源。等离子体质谱仪利用被测元素通过高温等离子体形成的离子，经离子光学透镜聚焦进入质谱分析器，把不同质荷比的离子分开后，经检测器检测来对样品进行分析。而等离子体光谱仪则是通过将等离子体作为激发光源，利用各元素的原子或离子受等离子体焰炬作用变成激发态，而后又从激发态回到基态时所发出的特征光谱来达到元素测定和分析的目的。等离子体质谱仪结合自身的物理特性，以及其具备的检测限低，灵敏度高，线性范围宽，可检测的元素种类较多等优势，常被用来进行微量元素的测定和同位素分析。而等离子体光谱仪由于其具有的化学干扰少，允许被测样品的含盐量可达1％-2％等特点，解决了等离子体质谱仪存在的化学干扰大，被测样品含盐量受限等问题，可被用来检测Fe、Ca、K等在质谱中易受同量异位素干扰的元素，同时也可以分析S、P等在质谱中电离度小的元素。

由于等离子体质谱仪和等离子体光谱仪各自存在的局限性，在进行物质成分的测定与分析时，往往需要加入额外的仪器设备来提升测定的范围和准确性。这不仅大大增加了独立仪器的采购成本,同时也加大了被测样品的消耗量。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种适用性强、测量精度高、减少材料浪费，性价比更优的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置。

本发明的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置，其特征在于，包括电感耦合等离子体发生装置、质谱仪、光栅光谱仪、光纤和测控系统，沿电感耦合等离子体发生装置产生的电感耦合等离子体轴向设有接收电感耦合等离子体的质谱仪，沿电感耦合等离子体发生装置产生的电感耦合等离子体径向设有接收电感耦合等离子体的光纤探头，光纤探头与光纤的一端相连，光纤的另外一端与光栅光谱仪相连，光栅光谱仪和质谱仪与测控系统信号相连。

优选，所述的光栅光谱仪为多通道组合光栅光谱仪，相对应的所述的光纤为光纤集束，光纤集束中的一根光纤对于多通道组合光栅光谱仪的一条通道。

所述的多通道组合光栅光谱仪优选为六通道组合光栅光谱仪，为提高测量的分辨率，每个通道的光栅光谱仪负责一个波段的测量，整个装置可测的波长范围为190纳米至800纳米。光栅光谱仪由入射狭缝，准直镜，光栅，聚光镜，CCD传感单元组成。模块化的光栅光谱仪固定在机箱内，光纤集束的一端光纤探头用于接收与等离子质谱仪共享的ICP光源，另一端分成六个通道分别连接六通道组合光栅光谱仪的六个通道的入口狭缝。光束进入狭缝后，首先由准直镜汇聚成为平行光，再通过光栅将不同波长的光向不同方向进行衍射，最后由聚光镜将衍射光聚光反射到CCD传感单元，形成的光谱由光信号转化成电信号，通过usb线传输到计算机的测控系统。测控系统可实时显示测量样品元素的发射光谱，并可控制光栅光谱仪和质谱仪的联动检测。

优选，所述的光纤探头设于电感耦合等离子体的焰炬正常分析区中部径向周侧。

本发明的第二个目的是提供一种共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定方法，其特征在于，将样品放置于电感耦合等离子体发生装置的矩管中，点燃生成电感耦合等离子体，电感耦合等离子体沿轴向送质谱仪进行质谱检测，沿径向经光纤探头收集后经光纤送入光栅光谱仪检测，质谱仪和光栅光谱仪的信号传输到测控系统进行分析和控制。

优选，所述的光栅光谱仪为多通道组合光栅光谱仪，相对应的所述的光纤为光纤集束，光纤集束中的一根光纤对应多通道组合光栅光谱仪的一条通道，所述的沿径向经光纤探头收集后经光纤送入光栅光谱仪检测具体为：光纤集束的一端光纤探头用于接收与等离子质谱仪共享的电感耦合等离子体(ICP)光源，另一端每根光纤分别连接多通道组合光栅光谱仪的通道的入口狭缝，光束进入狭缝后，首先由准直镜汇聚成为平行光，再通过光栅将不同波长的光向不同方向进行衍射，最后由聚光镜将衍射光聚光反射到CCD传感单元，形成的光谱由光信号转化成电信号，传输到计算机的测控系统，测控系统实时显示测量样品元素的发射光谱，并可控制光栅光谱仪和质谱仪的联动检测。

多通道组合光栅光谱仪的每个通道的光栅光谱仪可实行模块化封装。

本发明通过共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱两种检测手段的集成，为无机样品化学分析中满足同时高精度测定样品中主量和微量元素、元素与同位素比值提供了一种性价比更优的实施方案。比如，传统同位素稀释法测定的Sr/Mg，Ca/Mg比值，费用高，技术复杂，分析效率低，将全谱直读的光谱法与质谱方法结合却可以较低成本地解决这个问题。另外，质谱法主量元素测定技术需要主量元素当成内标，发射光谱分析技术可以高精度解决主量元素分析问题，特别针对固态样品的激光烧蚀点就可以做到同一个内标，因此，光谱法与质谱法集成的实施方案在提高了样品分析通量的同时，大幅度提高了元素与同位素分析测量精度。

本发明基于共享电感耦合等离子体(ICP)光源的思想，在共享现有等离子体质谱仪使用的ICP光源的基础上，只需增加一套简单的光栅光谱测定装置，即可达到等离子体质谱仪和光谱仪在物质成分测定与分析中优势互补的效果，实现ICP的质谱与光谱联动测定的目的。由于本发明的光栅光谱仪与等离子质谱仪共享同一个ICP光源，在提高元素测量精度的同时，也减少了成本消耗。本发明的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置还具有结构紧凑、便于模块化组装等特点。

附图说明：

图1是本发明的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置的结构示意图；

其中1、电感耦合等离子体发生装置；2、质谱仪；3、光栅光谱仪；4、光纤；5、测控系统；6、光纤探头；7、信号连接线。

图2是200-800纳米波长范围的六通道光栅光谱仪检测10ppm浓度标准溶液Mg的ICP焰炬光谱图。

图3是200-800纳米波长范围的六通道光栅光谱仪检测1ppm和10ppm浓度标准溶液钙的ICP焰炬光谱图

图4是放大波长显示该两种不同浓度1ppm和10ppm的Mg溶液ICP焰炬的发射光谱谱线。

图5是放大波长显示该两种不同浓度1ppm和10ppm的钙溶液ICP焰炬的发射光谱谱线。

图6是放大波长显示该两种不同浓度1ppm和10ppm的Mg溶液ICP焰炬的发射光谱谱线，标准溶液Mg279.47nm波长读数：10ppm浓度是10147.33个计数，1ppm浓度是1898.97个计数。

图7是放大波长显示该两种不同浓度1ppm和10ppm的钙溶液ICP焰炬的发射光谱谱线，标准溶液钙393.38nm波长读数：10ppm浓度是45793.679个计数，1ppm浓度是10710.452个计数。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，本实施例的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置，包括电感耦合等离子体发生装置1、质谱仪2、光栅光谱仪3、光纤4和测控系统5，沿电感耦合等离子体发生装置产生的电感耦合等离子体轴向设有接收电感耦合等离子体的质谱仪2，沿电感耦合等离子体发生装置产生的电感耦合等离子体径向设有接收电感耦合等离子体的光纤探头6，光纤探头与光纤4的一端相连，光纤的另外一端与光栅光谱仪3相连，光栅光谱仪和质谱仪与测控系统通过信号连接线7信号相连。所述的光栅光谱仪为六通道组合光栅光谱仪。为提高测量的分辨率，每个通道的光栅光谱仪负责一个波段的测量，整个装置可测的波长范围为190纳米至800纳米。光栅光谱仪由入射狭缝，准直镜，光栅，聚光镜，CCD传感单元组成。模块化的光栅光谱仪固定在机箱内，光纤集束(光纤4)的一端光纤探头6用于接收与等离子质谱仪共享的ICP光源，另一端分成六个通道分别连接六通道组合光栅光谱仪的六个通道的入口狭缝。光束进入狭缝后，首先由准直镜汇聚成为平行光，再通过光栅将不同波长的光向不同方向进行衍射，最后由聚光镜将衍射光聚光反射到CCD传感单元，形成的光谱由光信号转化成电信号，通过usb线传输到计算机的测控系统。测控系统可实时显示测量样品元素的发射光谱，并可控制光栅光谱仪和质谱仪的联动检测。

本发明的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定方法，其是将样品放置于电感耦合等离子体发生装置中的矩管中，溶液样品通过蠕动泵送矩管点燃ICP，而固态样品通过激光烧蚀成气溶胶，送石英矩管生成ICP焰炬，电感耦合等离子体沿轴向送质谱仪进行质谱检测，所述的光栅光谱仪为六通道组合光栅光谱仪，相对应的所述的光纤为光纤集束，光纤集束中的一根光纤对于六通道组合光栅光谱仪的一条通道，所述的沿径向经光纤探头收集后经光纤送入光栅光谱仪检测具体为：光纤集束的一端光纤探头用于接收与等离子质谱仪共享的ICP光源，另一端每根光纤分别连接多通道组合光栅光谱仪的通道的入口狭缝，光束进入狭缝后，首先由准直镜汇聚成为平行光，再通过光栅将不同波长的光向不同方向进行衍射，最后由聚光镜将衍射光聚光反射到CCD传感单元，形成的光谱由光信号转化成电信号，传输到计算机的测控系统，测控系统实时显示测量样品元素的发射光谱，并可控制光栅光谱仪和质谱仪的联动检测。

利用本实施例的共享电感耦合等离子体光源的光谱与质谱测定装置，按照本实施例的测定方法对样品进行分析检测。

图2是200-800纳米波长范围的六通道光栅光谱仪检测10ppm浓度标准溶液Mg的ICP焰炬光谱图。

图3是200-800纳米波长范围的六通道光栅光谱仪检测1ppm和10ppm浓度标准溶液钙的ICP焰炬光谱图

图4是放大波长显示该两种不同浓度的Mg溶液ICP焰炬的发射光谱谱线。

图5是放大波长显示该两种不同浓度的钙溶液ICP焰炬的发射光谱谱线。

图6是放大波长显示该两种不同浓度的Mg溶液ICP焰炬的发射光谱谱线，标准溶液Mg279.47nm波长读数：10ppm浓度是10147.33个计数，1ppm浓度是1898.97个计数。

图7是放大波长显示该两种不同浓度的钙溶液ICP焰炬的发射光谱谱线，标准溶液钙393.38nm波长读数：10ppm浓度是45793.679个计数，1ppm浓度是10710.452个计数。

图2-图7记录不同浓度元素镁、钙标准溶液的光谱实测谱图。图中的横坐标为波长，纵坐标为光谱强度计数。当测量的镁、钙标准溶液浓度从1ppm变化到10ppm时，对应的镁、钙元素谱线强度明显呈有规律变化。

这些实验主要证明两点：其一，将溶液样品通过蠕动泵和毛细管进样的方式，生成的电感耦合等离子体，可以同时进行光谱和质谱分析测试，并且相互不会产生影响，检测到的光谱与质谱数据均可用于被检测溶液的所含元素定量分析。由于共享了电感耦合等离子体，将光谱与质谱检测技术集成，实现了实时联动检测，从硬件结构上可以满足实现高精度测量主量元素、微量元素与同位素需求，具有减少实验材料消耗，降低分析系统误差，性价比更优的特点；其二，沿用现有的电感耦合等离子体质谱分析方案，加入采用多通道光栅结构的全谱直读光谱方案，在线读取等离子体质谱数据的同时，等离子体光源的光谱数据呈现以下良好的特征：可以全谱读取钙、镁等碱金属元素的主要原子发射谱线，并且在一定浓度范围内呈现良好的线性响应关系，从而可以在并行进行质谱分析的同时，通过检测电感耦合等离子体发射光谱可以定量获取元素浓度信息。证明这种光纤耦合的几何光学结构完全满足电感耦合等离子体发射光谱定量分析元素成分的需求。