一种检测水质的方法及多功能光谱仪的制作方法
【专利摘要】一种检测水质的方法及多功能光谱仪。本发明采用原子吸收与原子荧光一体设计技术，通过共用外光路结构及检测单元及软件系统，灵活切换原子发生器组件，实现原子吸收与原子荧光一体功能。原子吸收功能使由锐线光源发出被测元素的特征谱线，经过原子化器为被测元素吸收，透射光束经过单色仪后到达检测器光电倍增管，测量样品蒸气对锐线光源特征谱线的吸收，确定被测元素原子的浓度。原子荧光功能是由锐线光源发出被测元素的特征谱线，透射经过原子化器，激发被测元素，检测器光电倍增管接收到经过氢化物发生燃烧头火焰激发原子所产生原子荧光信号，通过对检测器采集信号放大及模数转换处理，完成对测量样品蒸气对锐线光源特征谱线的吸收信号的采集，计算确定被测元素原子的浓度。
【专利说明】
一种检测水质的方法及多功能光谱仪
技术领域
[0001 ]本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种检测水质的方法，该方法采用火焰法原子吸收与原子荧光一体技术，应用于饮用水安全检测;本发明还涉及多功能光谱仪，该光谱仪采用火焰法原子吸收与原子荧光一体技术，兼具原子吸收光谱法分析功能与原子荧光法光谱法分析功能，用于农村饮用水安全检测。
【背景技术】
[0002]原子吸收光谱仪(Atomic Absorpt1n Spectrometer，AAS)，亦称原子吸收分光光度计(Atomic Absorpt1n Spectrophotometer，AAS)，是基于蒸气相中被测元素的基态原子对其共振辐射的吸收强度来测定试样中该元素含量的一种光谱分析仪器。原子吸收光谱仪以其应用广泛，定量准确，结构简单，操作简便，价格低廉等特点得到了广泛的应用。原子吸收光谱仪经过科学工作者多年的努力，取得了长足的进步。特别是90年代以后，随着计算机技术及半导体技术的迅速发展，一系列新技术、新器件的应用，将AAS等分析仪器推向了一个新的阶段。
[0003]进入21世纪，AAS以其方便灵活、定量准确、检出限低、价格相对便宜等特点，在环境污染检测、食品安全检测、生命科学中微量元素及重金属污染检测方面得到了广泛的应用，当前饮水安全是保障公众健康的重要基础，关乎国计民生和社会稳定，历来受到党和政府高度重视。良好的水质是保障健康和生活质量的基本前提。然而，随着经济迅猛发展，地表水和地下水污染日趋严峻，致使我国城乡供水形势不容乐观。近些年，虽然政府投入巨资加快城乡集中式供水设施的建设，但是，新型污染物的出现和新的污染模式的产生，相应的污染物检测、监测、人群健康风险评估、健康风险的预警预测能力等亟需提高，以更好地保证饮水安全卫生，保护人群健康。在我国原子吸收光谱仪的年市场量超过4000台。但是，有些原子吸收光谱仪的仪器价格比较昂贵，维护成本也比较高。并且目前能够满足针对农村饮用水安全检测市场需求的同类仪器还是少之又少。
【发明内容】
[0004]针对农村饮水安全检测市场需求，在满足检测需求的前提条件下，为了降低仪器的价格，降低检测成本，本发明提出一种检测水质的方法，该方法采用原子吸收与原子荧光一体技术。具体为火焰法原子吸收光谱分析法，带氢化物发生装置的原子荧光光谱分析法，本发明还提出一种多功能光谱仪，该光谱仪集成火焰法原子吸收与原子荧光一体设计，用于水质检测。
[0005]本发明技术方案:
[0006]1.—种检测水质的方法，其特征在于，该方法通过原子化器组件与原子荧光原子化组件灵活转换，即原子化器与氢化物发生装置模块互换，共用外光路和检测系统，实现原子吸收功能和原子荧光功能一体集成;所述检测系统包含检测器光电倍增管PMTl和检测器光电倍增管PMT2 ；该方法包含如下步骤:
[0007]步骤一，调整外光路组合透镜使锐线光源发出被测元素的特征谱线反射聚焦为条形光斑；
[0008]步骤二，调整光路，一路经过原子化器组件，使得所述条形光斑照射透过原子化器样品燃烧火焰，再经原子化器燃烧火焰为被测元素吸收;或者另一路经过原子荧光原子化组件，即经过氢化物发生燃烧头火焰激发原子使其产生原子荧光；
[0009]步骤三，透射光束经过单色仪后到达检测器光电倍增管PMTl，原子荧光激发光束经过透镜聚光到达检测器光电倍增管PMT2;
[0010]步骤四，所述光电倍增管PMTl和检测器光电倍增管PMT2经放大器连接模数转换器，所述模数转换器连接用于采集信号的检测器;所述检测器连接放大器，将采集到的信号放大，再通过模-数转换器，转化成数字信号，传输至计算机；
[0011]步骤五，计算机解析数字光谱信号，测量样品蒸气对锐线光源特征谱线的吸收，计算确定被测元素原子的浓度。
[0012]2.所述锐线光源包含空心阴极灯。
[0013]3.所述原子化器是火焰原子化器。
[0014]4.所述原子荧光空心阴极灯在入射外光路之前，先经过透镜聚焦，确保荧光空心阴极灯光信号全部经外光路反射聚焦后透射到原子荧光氢化物发生器炉头火焰;在与原子吸收共用光路的情况下，确保原子荧光空心阴极灯信号的能量强度，保障原子荧光功能的测试灵敏度。
[0015]5.所述空心阴极灯组采用可旋转灯座，灯座数量是8个;所述空心阴极灯组包含2个原子荧光灯位，其余6个灯位为原子吸收空心阴极灯位。
[0016]6.步骤二中，调整光路后的透射光束在同一时间通过且只通过一条路径:经过所述原子化器组件，或者经过所述原子荧光原子化组件。
[0017]7.采用氘灯校正方式进行消除各种复杂样品中的背景干扰，即利用氘灯发出连续的光谱带吸收背景信号;所述氘灯的谱带宽带在0.2?3nm之间。
[0018]8.—种多功能光谱仪，其特征在于，包含电源单元，灯电源控制板，元素灯，外光路，原子化器，单色仪，检测器光电倍增管(PMT)，原子荧光原子化组件，放大器，模数转换器，检测控制单元，计算机;所述电源单元用于为所述灯电源控制板、所述模数转换器、所述检测控制单元提供电力供应;所述外光路包含色散聚焦系统、反射镜、入射狭缝、聚焦物镜、准直镜、光栅，所述元素灯即空心阴极灯;所述空心阴极灯光源发出的光存在两条路径:
[0019]路径一，经过所述原子化器;所述空心阴极灯光源发出的光经外光路反射聚焦为条形光斑，透射经原子化器火焰，透射光经反射镜反射经所述入射狭缝到所述准直镜，所述准直镜将入射光反射聚焦形成平行复合光带照射至所述光栅，所述光栅将复合光分成平行单色光，再经所述聚焦物镜，反射聚焦经狭缝到所述检测器光电倍增管(PMT)，所述光电倍增光管将接收到的光信号转换为模拟电信号，再经采集板信号采集，模数转换，上传至计算机进行运算显示；
[0020]路径二，经过所述原子荧光原子化组件;所述空心阴极灯光源发出的光经外光路反射聚焦为条形光斑，透射经原子化器火焰，经空心阴极灯光照射激发氢化物发生器生成样品火焰，从而产生被测样品的特征荧光信号，光电倍增光将接收到的荧光光信号转换为模拟电信号，再经采集板信号采集，模数转换，上传至计算机进行运算显示。
[0021]9.所述光源系统包含两个光源:一是用于吸收样品信号的空心阴极灯，即元素灯；二是用于吸收背景信号的氘灯。
[0022]10.所述空心阴极灯组采用可旋转灯座，灯座数量是8个。
[0023]11.所述空心阴极灯光源发出的光在同一时间通过且只通过所述两条路径的其中一条，即经过所述原子化器或经过所述原子荧光原子化组件。
[0024]12.所述多功能光谱仪检测一种元素对应使用一个灯位;检测测多种元素时对应同时安装使用多个灯位。
[0025]13.所述空心阴极灯组包含2个原子荧光灯位，其6个灯位为原子吸收空心阴极灯位。
[0026]本发明技术效果:
[0027]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0028]1、本发明采用原子吸收与原子荧光一体技术，通过原子化器与氢化物发生装置模块互换，共用外光路和检测系统，实现原子吸收功能和原子荧光功能一体集成。该方法应用于饮用水水质检测兼备火焰原子吸收法和原子荧光功能的优点，既可以快速检测，又能够实现多元素同时检测。
[0029]2、检测准确信噪比高，准确度高。
[0030]3、本发明设计的多功能光谱仪，配置有原子吸收火焰原子化组件和原子荧光原子化组件可以灵活转换，实现火焰原子吸收和原子荧光在同一台仪器上一体测试，从而达到降低检测成本的目的。
【附图说明】
[0031 ]图1是本发明仪器运行原理示意图。
[0032]图2原子吸收光谱分析功能示意图。
[0033]图3原子荧光光谱分析功能示意图。
[0034]图4仪器光学结构示意图。
[0035]图5仪器电气结构示意图。
[0036]图6是不带背景扣除光路图。
[0037]图7是带背景扣除光路图。
[0038]图8是原子吸收与原子荧光原子化器切换示意图。
[0039]图9是原子吸收功能部件示意图
[0040]图10是原子荧光功能部件示意图
[0041]图11是空心阴极灯组件示意图。
[0042]附图标记列示如下:1-空心阴极灯;2-半透半反镜;3-氘灯;4-标准透镜;5-平面反射镜I ； 6-球面反射镜I; 7-球面反射镜2; 8-平面反射镜2; 9-入口狭缝；10_凹面反射镜；11-光栅；12-出口狭缝；13-光电倍增管PMTI ； 14-光电倍增管PMT2; 15-单色仪；16-原子化器；17-外光路组合透镜。
【具体实施方式】
[0043]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，皆属于本发明保护的范围。下面参考附图详细描述本发明实施例。
[0044]图1是本发明仪器运行原理示意图。图1示出了本发明的设计原理，采用原子吸收与原子荧光一体技术检测水质。本发明采用原子吸收与原子荧光一体技术，通过原子化器与氢化物发生装置模块互换，共用外光路和检测系统，实现原子吸收功能和原子荧光功能一体集成。具体为:①火焰法原子吸收光谱分析法，②带氢化物发生装置的原子荧光光谱分析法。
[0045]光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。
[0046]原子吸收光谱(Atomic Absorpt1n Spectroscopy，AAS)，即原子吸收光谱法，是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。
[0047]原子荧光光谱分析法(AFS)是利用原子荧光谱线的波长和强度进行物质的定性及定量分析方法，是介于原子发射光谱(AES)和原子吸收光谱(AAS)之间的光谱分析技术。
[0048]原子化器是原子吸收光谱分析进行试样原子化的装置。它将试样转化为自由原子蒸气(基态原子)，以便吸收特征辐射，求计待测元素含量。原子化器的种类很多，大致可分为火馅原子化器及电热原子化器两大类，本发明采用的是火焰原子化器。原子化器的功能是提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。入射光束在这里被基态原子吸收，因此也可把它视为“吸收池”。对原子化器的基本要求:必须具有足够高的原子化效率;必须具有良好的稳定性和重现形;操作简单及低的干扰水平等。
[0049]图2是原子吸收光谱分析功能示意图。在火焰原子吸收模式状态下，检测器光电倍增管(PMT)接收到经过单色仪的透射光束信号，通过对检测器采集信号放大及模数转换处理，完成对测量样品蒸气对锐线光源特征谱线的吸收信号的采集，计算确定被测元素原子的浓度。
[0050]图3原子荧光光谱分析功能示意图。在原子荧光模式状态下，检测器光电倍增管(PMT)接收到经过氢化物发生燃烧头火焰激发原子使其产生原子荧光信号，通过对检测器采集信号放大及模数转换处理，完成对测量样品蒸气对锐线光源特征谱线的吸收信号的采集，计算确定被测元素原子的浓度。结合图1，图2和图3，本发明具体包含如下步骤:
[0051 ] 具体包含如下步骤:
[0052]步骤一，锐线光源发出被测元素的特征谱线；
[0053]步骤二，锐线光源(空心阴极灯)发出固定的激发波长的锐线光谱。经过外光路组合透镜反射聚焦为条形光斑，再经原子化器燃烧火焰为被测元素吸收，或被测样品的原子经过氢化物发生燃烧头火焰激发原子使其被测样品原子产生原子荧光；
[0054]步骤三，透射光束经过单色仪后到达检测器光电倍增管(PMT)I，原子荧光激发光束经过透镜聚光到达检测器光电倍增管(PMT)2;这两条路径可走一条，或者走另一条，但同一时间只有一条。
[0055]步骤四，所述光电倍增管PMT经放大器连接模数转换器，所述模数转换器连接用于采集信号的检测器;所述检测器连接放大器，将采集到的信号放大，再通过模-数转换器，转化成数字信号，传输至计算。
[0056]步骤五，计算机解析数字光谱信号，测量样品蒸气对锐线光源(空心阴极灯)特征谱线的吸收，计算确定被测元素原子的浓度。
[0057]本发明还提出一种光谱仪，该光谱仪集成火焰法原子吸收与原子荧光一体设计，用于水质检测。图4和图5分别是仪器光学结构示意图和仪器电气结构示意图。如图所示，空心阴极灯光源发出的光经外光路反射聚焦为条形光斑，透射经原子化器火焰，透射光经反射镜反射经入射狭缝到准直镜，准直镜将入射光反射聚焦形成平行复合光带照射至光栅，光栅将复合光分成平行单色光，再经聚焦物镜，反射聚焦经狭缝到检测器光电倍增，光电倍增光将接收到的光信号转换为模拟电信号，再经采集板信号采集，模数转换，上传至计算机进行运算显示。
[0058]原子荧光功能:空心阴极灯光源发出的光经外光路反射聚焦为条形光斑，透射经原子化器火焰，经空心阴极灯光照射激发氢化物发生器生成样品火焰，从而产生被测样品的特征荧光信号，光电倍增光将接收到的荧光光信号转换为模拟电信号，再经采集板信号采集，模数转换，上传至计算机进行运算显示。原子荧光能检测在常温下能够生成气态氢化物的、能够发射荧光的元素，能检测As，Se，Hg等十一种过度元素和特殊的金属元素，虽然测定元素有限，但是那些元素很重要，用原子吸收来检测很费劲。原子荧光和原子吸收在实验室里作为互补，可以测量大部分金属元素和过渡元素。
[0059]图6是不带背景扣除光路图。图7是带背景扣除光路图。带背景扣除功能是通过增加氘灯和半透半反镜，如图7所示，实现氘灯校正进行背景扣除校正，背景吸收干扰是原子化过程中，因样品基体物质产生的分子吸收和光散射而产生的。背景吸收干扰一般采用扣背景的方式加以校正，本发明中就是采用氘灯校正方式进行消除各种复杂样品中的背景干扰。在仪器中，使用两个光源，一个是做为吸收样品信号的空心阴极灯(元素灯)，它发出待测元素的锐线光谱；另一就是做为吸收背景信号的氘灯，它发出一个连续光谱，范围约在190nm?400nm之间。空心阴极灯(元素灯)根据不同的分析元素需要，发出特定的半峰宽为
0.0005nm的谱线与样品及背景的新手谱线产生共振而被吸收，得到一个吸收信号的总和。氘灯发出的是一个连续的光谱带，在仪器上氘灯的谱带宽带受到仪器狭缝设定的影响，一般在0.2?3nm之间，在这个宽度中，氘灯主要是大量吸收了背景信号，而样品信号是由于受到积分计算的影响，与背景信号相比，仅能算做是沧海一粟而已(0.0005nm:2nm)。因此氘灯吸收的基本成分可以算作是背景信号的总和。
[0060]上述两种光源所测的信号经过数据处理的减法运算，最终得到了一个扣除了背景的信号影响的真正的样品的信号。
[0061 ]图8(a)是图9得正视图，图8(b)是图10的正视图。图11是灯位值展示图。参见图11，灯座固定是8个，一种元素检测只用一个灯位，测多种元素时，灯可以同时装上，切换时计算机控制软件控制自动旋转切换。空心阴极灯组包含2个原子荧光灯位，其他灯位为原子吸收空心阴极灯位。
[0062]本发明涉及的原子吸收与原子荧光一体技术是兼备传统火焰法原子吸收法与原子荧光法光谱技术，具有原子吸收光谱技术的优点，如(I)选择性强，(2)灵敏度高，(3)分析范围广，(4)抗干扰能力强，(4)精密度高等。同时具有原子荧光技术优点，如(I)有较低的检出限，灵敏度高(2)干扰较少，谱线比较简单(2)干扰较少，谱线比较简单(3)分析校准曲线线性范围宽，(4)能实现多元素同时测定。综上可知，本发明提供的这种方法能够应用于农村饮用水金属元素含量检测，兼顾火焰原子吸收法和原子荧光的优点，既可以快速检测，又能够多元素同时检测。且本方法具有检测准确信噪比高，准确度高的良好效果。
[0063]应当指出，以上所述【具体实施方式】可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
【主权项】
1.一种检测水质的方法，其特征在于，该方法通过原子化器组件与原子荧光原子化组件灵活转换，即原子化器与氢化物发生装置模块互换，共用外光路和检测系统，实现原子吸收功能和原子荧光功能一体集成;所述检测系统包含检测器光电倍增管PMTl和检测器光电倍增管PMT2 ；该方法包含如下步骤: 步骤一，调整外光路组合透镜使锐线光源发出被测元素的特征谱线反射聚焦为条形光斑； 步骤二，调整光路，一路经过原子化器组件，使得所述条形光斑照射透过原子化器样品燃烧火焰，再经原子化器燃烧火焰为被测元素吸收;或者另一路经过原子荧光原子化组件，即经过氢化物发生燃烧头火焰激发原子使其产生原子荧光； 步骤三，透射光束经过单色仪后到达检测器光电倍增管PMTl，原子荧光激发光束经过透镜聚光到达检测器光电倍增管PMT2 ； 步骤四，所述光电倍增管PMTl和检测器光电倍增管PMT2经放大器连接模数转换器，所述模数转换器连接用于采集信号的检测器;所述检测器连接放大器，将采集到的信号放大，再通过模-数转换器，转化成数字信号，传输至计算机； 步骤五，计算机解析数字光谱信号，测量样品蒸气对锐线光源特征谱线的吸收，计算确定被测元素原子的浓度。2.根据权利要求1所述的一种检测水质的方法，其特征在于，所述锐线光源包含空心阴极灯。3.根据权利要求1所述的一种检测水质的方法，其特征在于，所述原子化器是火焰原子化器。4.根据权利要求1所述的一种检测水质的方法，其特征在于，步骤二中，原子荧光空心阴极灯在入射外光路之前，先经过透镜聚焦，确保荧光空心阴极灯光信号全部经外光路反射聚焦后透射到原子荧光氢化物发生器炉头火焰;在与原子吸收共用光路的情况下，确保原子荧光空心阴极灯信号的能量强度，保障原子荧光功能的测试灵敏度。5.根据权利要求2所述的一种检测水质的方法，其特征在于，所述空心阴极灯组采用可旋转灯座，灯座数量是8个;所述空心阴极灯组包含2个原子荧光灯位，其余6个灯位为原子吸收空心阴极灯位。6.根据权利要求1所述的一种检测水质的方法，其特征在于，步骤二中，调整光路后的透射光束在同一时间通过且只通过一条路径:经过所述原子化器组件，或者经过所述原子荧光原子化组件。7.根据权利要求1所述的一种检测水质的方法，其特征在于，采用氘灯校正方式进行消除各种复杂样品中的背景干扰，即利用氘灯发出连续的光谱带吸收背景信号;所述氘灯的谱带宽带在0.2?3nm之间。8.—种多功能光谱仪，其特征在于，包含电源单元，灯电源控制板，元素灯，外光路，原子化器，单色仪，检测器光电倍增管(PMT)，原子荧光原子化组件，放大器，模数转换器，检测控制单元，计算机;所述电源单元用于为所述灯电源控制板、所述模数转换器、所述检测控制单元提供电力供应;所述外光路包含色散聚焦系统、反射镜、入射狭缝、聚焦物镜、准直镜、光栅，所述元素灯即空心阴极灯;所述空心阴极灯光源发出的光存在两条路径: 路径一，经过所述原子化器;所述空心阴极灯光源发出的光经外光路反射聚焦为条形光斑，透射经原子化器火焰，透射光经反射镜反射经所述入射狭缝到所述准直镜，所述准直镜将入射光反射聚焦形成平行复合光带照射至所述光栅，所述光栅将复合光分成平行单色光，再经所述聚焦物镜，反射聚焦经狭缝到所述检测器光电倍增管(PMT)，所述光电倍增光管将接收到的光信号转换为模拟电信号，再经采集板信号采集，模数转换，上传至计算机进行运算显示； 路径二，经过所述原子荧光原子化组件；所述空心阴极灯光源发出的光经外光路反射聚焦为条形光斑，透射经原子化器火焰，经空心阴极灯光照射激发氢化物发生器生成样品火焰，从而产生被测样品的特征荧光信号，光电倍增光将接收到的荧光光信号转换为模拟电信号，再经采集板信号采集，模数转换，上传至计算机进行运算显示。9.根据权利要求8所述的一种多功能光谱仪，其特征在于，所述光源系统包含两个光源:一是用于吸收样品信号的空心阴极灯，即元素灯;二是用于吸收背景信号的氘灯。10.根据权利要求8所述的一种多功能光谱仪，其特征在于，所述空心阴极灯组采用可旋转灯座，灯座数量是8个。11.根据权利要求8所述的一种多功能光谱仪，其特征在于，所述空心阴极灯光源发出的光在同一时间通过且只通过所述两条路径的其中一条，即经过所述原子化器或经过所述原子荧光原子化组件。12.根据权利要求8所述的一种多功能光谱仪，其特征在于，所述多功能光谱仪检测一种元素对应使用一个灯位;检测测多种元素时对应同时安装使用多个灯位。13.根据权利要求8所述的一种多功能光谱仪，其特征在于，所述空心阴极灯组包含2个原子荧光灯位，其6个灯位为原子吸收空心阴极灯位。
【文档编号】G01N21/31GK106018301SQ201610491064
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】张新民, 杨嘉新, 阳杰
【申请人】北京华夏科创仪器股份有限公司