一种火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置的制作方法

本发明涉及原子光谱分析技术领域，具体为一种火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置。

背景技术：

原子光谱分析法是应用最为广泛的元素检测手段之一。经过多年的发展，原子光谱分析技术已逐渐成熟，包括原理、理论与仪器、应用等。目前，仪器的小型化、多功能化成为其重要的发展方向之一，以获得更多的分析物相关信息，满足更多的应用场景需求。传统的原子吸收光谱仪器通常由光源、原子化器和检测系统构成，通过测量被原子化的元素基态原子的原子吸收光谱强度对待测元素进行定量；原子发射光谱仪器通常由激发源和检测系统构成，通过测量被激发的元素激发态原子的原子发射光谱强度对待测元素进行定量。传统的原子吸收和原子发射光谱仪器均工作于单一模式，即使集成两种功能的仪器，也只能在检测前选定一种功能使用；无法一次进样同时获得原子吸收和原子发射光谱信号，无法结合两种测量原理各自的优势以及扩展原子光谱分析仪器的应用范围。目前尚没有能够实现原子吸收和原子发射光谱同时测量的原子光谱仪器。

火焰原子吸收光谱分析法（flameatomicabsorptionspectrometry，faas），作为一种实用的原子光谱分析技术，已广泛应用于科学研究和工业生产等领域。它将液体样品通过助燃气带入对撞雾化器中，形成细微雾粒并与燃气混合均匀后燃烧形成火焰，使样品溶液去溶剂、原子化成为待测元素的基态原子蒸气，并通过测量基态原子所产生的吸光度信号来确定样品中待测元素的浓度。faas通过选择合适的火焰能够满足大部分元素的测量需求，可直接测定大部分金属元素，也可间接测定部分非金属元素甚至有机化合物。然而，faas也存在一些局限性，比如：对于部分易离解、易电离的元素分析灵敏度较差，工作曲线线性范围较窄，以及不能对多元素进行同时测定等，这些均给实际应用带来了诸多的困难。

对于faas测量部分易离解、易电离的元素分析灵敏度较差的问题，其主要原因是这些元素在火焰中容易电离或激发，导致基态自由原子减少而激发态原子增多，因此最终的原子吸收光谱测量灵敏度较差；而激发态原子增多正是原子发射光谱检测期望获得的效果，有助于提高其灵敏度。另外，线性范围宽、多元素同时检测也是原子发射光谱分析法固有的优势。其实，在这里火焰既是一种原子化器也是一种激发源。利用火焰的高温将待测元素激发到激发态，并且根据其特征发射谱线对样品浓度进行定量的方法即为火焰原子发射光谱分析法（flameatomicemissionspectrometry，faes）。其在化工、食品、环境和地质等学科领域的元素检测方面有着广泛的应用，尤其对激发能力要求较低的碱金属和碱土金属元素如钠、钙、镁等和含量较高的元素有着良好的测定效果。尽管现有faes的检出限还不够理想，但是它操作简便，对样品形态友好，线性范围较宽，仍在实际样品分析中发挥着重要作用。

如果能将faes和faas集成在一起，并实现原子吸收和原子发射光谱同时测量，则可以充分结合二者的优势，形成新型的原子光谱仪器。而原子吸收光谱法和原子发射光谱法在原理和仪器结构上也有相似的地方，其最大的区别仅为原子吸收光谱分析法相对于原子发射光谱分析法需要一个额外的光源产生待测元素的特征谱线，比如空心阴极灯；二者的集成具有潜在的可行性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实现原子吸收和原子发射光谱的同时测量，提高仪器的综合分析性能，并扩展原子光谱分析仪器应用范围的火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置。技术方案如下：

一种火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置，包括光源、快门、前聚焦透镜、原子化器/激发源、后聚焦透镜、检测器和时序控制模块；光源的出射光束依次经过快门、前聚焦透镜、原子化器/激发源和后聚焦透镜到达检测器；时序控制模块触发快门的开关进行光源调制，并同步触发检测器进行光谱信号采集，使其在快门打开期间进行原子吸收光谱检测，在快门关闭期间进行原子发射光谱检测。

更进一步的，触发检测器进行光谱信号采集的时序信号的周期为光源调制的时序信号周期的一半，且二者相位保持固定；在光源调制的时序信号的高电平期间，快门打开，触发检测器进行光谱信号采集的时序信号也为高电平，检测器采集的光谱信号为原子吸收光谱信号；在光源调制的时序信号的低电平期间，快门关闭，触发检测器进行光谱信号采集的时序信号再一次处在高电平，检测器采集的光谱信号为原子发射光谱信号。

更进一步的，时序控制模块触发检测器进行光谱信号采集的开始信号，比触发快门开/关的信号延迟一定时间，并且停止光谱信号采集的信号比快门关/开的信号提前一定时间。

本发明的有益效果是：

1）本发明能够一次进样实现火焰中待测元素的原子吸收和原子发射光谱同时检测，提高两种光谱信号同时测量结果的时间和空间一致性；

2）本发明通过原子吸收和原子发射光谱同时测量，两种测量结果相互补充，可以获得更宽的工作曲线线性范围，扩大单一模式的原子吸收或原子发射光谱的元素含量检测范围，分析浓度范围更宽的待测元素样品；

3）由于不同待测元素在火焰中的原子化或激发效率不同，导致其基态和激发态原子的比例不同，可在两种测量结果中选择测量效果更佳的原子吸收光谱法或原子发射光谱法进行分析以获得更准确的检测效果，或通过两种测量结果进行相互校准；

4）本发明可以实现同一元素的原子吸收和原子发射光谱分析，还可实现多元素的原子发射光谱同时分析，可以有效地减少样品消耗量；

5）本发明结合原子吸收和原子发射光谱同时测量的结果可对待测元素在火焰中的原子基态和激发态进行分析，可考察原子热力学平衡情况；扩展火焰原子光谱仪器的应用范围。

附图说明

图1为本发明火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置的结构示意图。

图2为本发明时序控制模块输出的时序示意图。

图3为本发明采用原子吸收和原子发射光谱法同时测定na元素的光谱图。

图4为本发明采用原子吸收和原子发射光谱法同时测定cu元素原子吸收光谱和na元素原子发射光谱的光谱图。

图中：1．光源，2．快门，3．前聚焦透镜，4．原子化器/激发源，5．后聚焦透镜，6．检测器，7．时序控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明结合原子吸收光谱和原子发射光谱原理和仪器结构的相似与差异之处，共用原子化器/激发源和检测器，通过时序控制模块协调光源和检测器之间的同步工作，实现原子吸收和发射光谱同时测量。样品分析物在火焰原子化器/激发源中被蒸发、解离、原子化成为待测元素的气态基态原子，一部分基态原子吸收光源的特征波长辐射，通过检测减弱的光源特征波长信号可得到原子吸收光谱信号；另外，部分基态原子在火焰原子化器/激发源中进一步获取能量达到激发态，随后由激发态返回低能级态并同时辐射出其特征波长的光线，而得到原子发射光谱信号。

如图1所示，本发明的火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置包括光源1、快门2、前聚焦透镜3、原子化器/激发源4、后聚焦透镜5、检测器6和时序控制模块7；光源1的出射光束依次经过快门2、前聚焦透镜3、原子化器/激发源4和后聚焦透镜5到达检测器6；时序控制模块7触发快门2的开关进行光源调制，并同步触发检测器6进行光谱信号采集，使其在快门2打开期间进行原子吸收光谱检测，在快门2关闭期间进行原子发射光谱检测。

如图2所示，横坐标代表时间，单位：ms，纵坐标代表时序信号电平。上方为时序控制模块触发快门开关的时序，高电平代表快门打开；低电平代表快门关闭。下方为时序控制模块触发检测器采集光谱信号的时序，高电平代表检测器采集光谱信号；低电平代表检测器停止光谱信号采集。

时序控制模块协调快门进行光源调制和检测器进行光谱信号采集之间的同步工作，并实现原子吸收和原子发射光谱同时检测的时序示意图。

本实施例中，触发检测器进行光谱信号采集的时序信号的周期为光源调制的时序信号周期的一半，且二者相位保持固定；在光源调制的时序信号的高电平期间，快门打开，触发检测器进行光谱信号采集的时序信号也为高电平，检测器采集的光谱信号为原子吸收光谱信号；在光源调制的时序信号的低电平期间，快门关闭，触发检测器进行光谱信号采集的时序信号再一次处在高电平，检测器采集的光谱信号为原子发射光谱信号。其中，时序控制模块触发检测器进行光谱信号采集的开始信号，比触发快门开/关的信号延迟一定时间，并且停止光谱信号采集的信号比快门关/开的信号提前一定时间，避免检测器检测到快门开关瞬间的光谱信号波动，提高信号采集的稳定性。

具体如下：

①时序控制模块输出光源调制的时序信号，周期100ms，占空比50%，一个周期内高电平持续时间50ms，低电平持续时间50ms；在时序信号的高电平期间，快门打开；在时序信号的低电平期间，快门关闭；

②时序控制模块输出触发检测器进行光谱信号采集的时序信号，周期50ms，占空比60%，一个周期内高电平持续时间30ms，低电平持续时间20ms；与①中时序信号保持相位固定；同时，第一个上升沿比①中时序信号第一个上升沿延迟10ms，第二个上升沿比①中时序信号第一个下降沿延迟10ms。在时序信号的高电平期间检测器进行光谱信号采集，在时序信号的低电平期间检测器停止光谱信号采集；

③在①中时序信号的高电平期间，对应②中时序信号的高电平期间，检测器采集的光谱信号为原子吸收光谱信号；在①中时序信号的低电平期间，对应②中时序信号的高电平期间，检测器采集的光谱信号为原子发射光谱信号。

本发明的具体操作流程如下：

1）将进样管插入样品溶液中，样品溶液通过助燃气的负压吸入雾化器，产生的细微雾粒与燃气混合均匀后进入燃烧头；

2）样品分析物在原子化器/激发源的空气-乙炔火焰（或其它类型火焰）中被蒸发、解离、原子化/激发成为待测元素的气态基态或激发态原子；

3）时序控制模块协调快门进行光源调制和检测器进行光谱信号采集之间的同步工作，对步骤2）中原子化器/激发源中的基态原子和激发态原子进行原子吸收和原子发射光谱信号检测，从而实现一次进样对原子吸收和原子发射光谱的同时检测；

4）对步骤3）中同时采集得到的光谱信号进行数据提取，获得独立的原子吸收和原子发射光谱信号，进行后续需要的进一步数据处理。

实施例1：本实施例火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置中，含有na元素的样品溶液进入原子化器/激发源4形成的火焰中，通过本发明的原子吸收/发射光谱同时检测技术，最终得到na元素的原子吸收和原子发射同时检测的光谱图，如图3所示，横坐标代表波长，纵坐标代表信号值。点线代表光源的出射光谱信号，实线代表na元素的原子吸收光谱信号；点划线代表na元素的原子发射光谱信号；其中，589.00nm和589.59nm均为na元素的特征波长。

实施例2：本实施例火焰中的原子吸收/发射光谱同时检测装置中，含有cu和na元素的样品溶液进入原子化器/激发源4形成的火焰中，通过本发明的原子吸收/发射光谱同时检测技术，最终得到cu元素的原子吸收和na元素的原子发射同时检测的光谱图，如图4所示，横坐标代表波长，纵坐标代表信号值。点线代表光源的出射光谱信号，实线代表样品中cu元素的原子吸收光谱信号；点划线代表na元素的原子发射光谱信号；其中，324.75nm和327.40nm均为cu元素的特征波长。