一种微等离子体激发装置及原子发射光谱仪系统

本实用新型属于光谱分析检测技术领域，所涉及的应用领域包括分析化学、环境化学、原位检测和现场检测等，具体涉及一种微等离子体激发装置及原子发射光谱仪系统。

背景技术：

原子发射光谱仪是一种将元素原子激发发射特征光谱线并进行分析的科学仪器。它密封在一个温度稳定的恒温机箱里，结构设计稳定，功能强大，操作易学。这一类仪器一般包括有激发源、单色器、检测器和配套器件。基于微等离子体激发原子特征光谱线的原子发射光谱仪通常用于原子光谱法分析，其装备了超高灵敏度的光电倍增管，在全量程范围内使检测器的动态范围能鉴别出成分的最微小的差别。原子发射光谱仪包括有火花原子发射光谱仪、光电原子发射光谱仪、能量色散光谱仪、直流等离子体发射光谱仪(directcurrutplasmajet，dcp)、微波等离子体光谱仪(microwaveinductiveplasmaemissionspectrometer，mip)和电感耦合等离子体发射光谱仪(inductivecoupledplasmaemissionspectrometer，icp)等类别。原子发射光谱仪广泛应用于铸造、钢铁、金属回收和冶炼，以及军工、航天航空、电力、化工、高等院校和商检质检等部门。

但是目前市场上的原子发射光谱仪，普遍存在体积庞大和需要传统大功率电源驱动等离子体原子光谱激发的问题，仅能在实验室运行，不便于环境现场分析。

技术实现要素：

为了解决现有原子发射光谱仪所存在体积庞大和需要传统大功率电源驱动等离子体原子光谱激发的问题，本实用新型目的在于提供一种新型的微等离子体激发装置及原子发射光谱仪系统。

第一方面，本实用新型所采用的技术方案为：

一种微等离子体激发装置，包括有电池、升压电路模块和尖端放电模块，其中，所述电池电连接所述升压电路模块的直流电输入端，所述升压电路模块为将低压直流电逆变为高压交流电的电路模块；

所述尖端放电模块包括有放电腔体、第一尖端电极和第二尖端电极，其中，所述放电腔体上分别设有进样通道和光谱信号采集通道，所述第一尖端电极的尖端和所述第二尖端电极的尖端分别位于所述放电腔体的内部空腔中，所述升压电路模块的交流电输出端分别电连接所述第一尖端电极和所述第二尖端电极。

基于上述实用新型内容，提供了一种可改变传统大功率电源驱动的等离子体原子光谱激发方案，即通过配置电池、升压电路模块和尖端放电模块及它们的电连接关系，可以利用电池及实现将低压直流电逆变为高压交流电的升压电路，来驱动在尖端放电模块内部产生一个稳定的微等离子体区域，使得待测样品在进入该微等离子体区域后可被原子化并激发，从而发射出目标元素的特征原子发射谱线，实现原子光谱激发目的，同时由于尖端放电模块具有尺寸小和易驱动等特点，可以利于原子发射光谱仪的小型化设计、手持式设计、便携式设计以及拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析。

优化的，所述电池采用锂离子电池、镍镉电池或镍氢电池。

优化的，所述升压电路模块包括有型号为r5402的电池保护芯片、型号为ceg8205的双功率场效应管、三极管、变压器、电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻和所述直流电输入端，其中，所述变压器的主线圈匝数小于副线圈匝数，所述变压器的副线圈两端作为所述交流电输出端，所述直流电输入端包括有用于电连接所述电池正极的直流电正极端和用于电连接所述电池负极的直流电负极端；

所述电池保护芯片的vdd引脚分别电连接所述电容的一端和所述第一电阻的一端，所述电池保护芯片的vss引脚分别电连接所述电容的另一端和所述直流电负极端，所述电池保护芯片的cout引脚和dout引脚分别电连接所述双功率场效应管的d引脚，所述电池保护芯片的v-引脚电连接所述第二电阻的一端；

所述双功率场效应管的d引脚还电连接所述第三电阻的一端，所述双功率场效应管的s1引脚电连接所述直流电负极端，所述双功率场效应管的s2引脚分别电连接所述第二电阻的另一端和所述三极管的发射极，所述双功率场效应管的g1引脚和g2引脚相互电连接；

所述第一电阻的另一端分别电连接所述直流电正极端和所述变压器的主线圈一端，所述第三电阻的另一端电连接所述三极管的基极，所述三极管的集电极电连接所述变压器的主线圈另一端。

进一步优化的，所述升压电路模块还包括有手动开关，其中，所述手动开关的一端电连接所述双功率场效应管的s2引脚，所述手动开关的另一端电连接所述三极管的发射极；

所述双功率场效应管的s2引脚通过处于闭合状态下的所述手动开关电连接所述三极管的发射极。

优化的，所述第一尖端电极和所述第二尖端电极分别采用钨棒尖端电极。

第二方面，本实用新型所采用的技术方案为：

一种原子发射光谱仪系统，包括有固相微萃取装置、电荷耦合器件图像采集设备和如第一方面所述的微等离子体激发装置，其中，所述固相微萃取装置包括有用于通过顶空固相微萃取方式提取出样品的固相萃取纤维头；

所述微等离子体激发装置的进样通道与所述固相萃取纤维头配合，使所述固相萃取纤维头能够插入所述放电腔体的内部空腔中；

所述微等离子体激发装置的光谱信号采集通道光路连通所述电荷耦合器件图像采集设备的光线输入端。

基于上述实用新型内容，提供了一种具有小型化特点的原子发射光谱仪，利于实现手持式操作原子发射光谱仪进行检测操作的目的，从而可大大拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析。

优化的，还包括计算机设备，其中，所述计算机设备通信连接所述电荷耦合器件图像采集设备。

优化的，所述固相微萃取装置采用supelco公司的且型号为100μm的pdms萃取纤维头。

优化的，所述光谱信号采集通道通过光纤光路连通所述电荷耦合器件图像采集设备的光线输入端。

优化的，所述电荷耦合器件图像采集设备采用型号为maya2000pro的微型光纤光谱仪。

本实用新型的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种可改变传统大功率电源驱动的等离子体原子光谱激发方案，即通过配置电池、升压电路模块和尖端放电模块及它们的电连接关系，可以利用电池及实现将低压直流电逆变为高压交流电的升压电路，来驱动在尖端放电模块内部产生一个稳定的微等离子体区域，使得待测样品在进入该微等离子体区域后可被原子化并激发，从而发射出目标元素的特征原子发射谱线，实现原子光谱激发目的，同时由于尖端放电模块具有尺寸小和易驱动等特点，可以利于原子发射光谱仪的小型化设计、手持式设计、便携式设计以及拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析；

(2)所述微等离子体激发装置还具有升压电路结构简单、所需电路板尺寸小、方便启停操作和易于实现等优点，便于实际应用和推广；

(3)本发明创造还提供了一种具有小型化特点的原子发射光谱仪，利于实现手持式操作原子发射光谱仪进行检测操作的目的，从而可大大拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的原子发射光谱仪系统的结构示意图。

上述附图中:1-电池；2-升压电路模块；3-尖端放电模块；31-放电腔体；321-第一尖端电极；322-第二尖端电极；4-固相微萃取装置；41-固相萃取纤维头；5-电荷耦合器件图像采集设备；51-光纤；6-计算机设备；10-微等离子体激发装置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本实用新型作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本实用新型的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本实用新型的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例一

如图1所示的微等离子体激发装置10，本实施例提供的所述微等离子体激发装置，包括有电池1、升压电路模块2和尖端放电模块3，其中，所述电池1电连接所述升压电路模块2的直流电输入端，所述升压电路模块2为将低压直流电逆变为高压交流电的电路模块；所述尖端放电模块3包括有放电腔体31、第一尖端电极321和第二尖端电极322，其中，所述放电腔体31上分别设有进样通道和光谱信号采集通道，所述第一尖端电极321的尖端和所述第二尖端电极322的尖端分别位于所述放电腔体31的内部空腔中，所述升压电路模块2的交流电输出端分别电连接所述第一尖端电极321和所述第二尖端电极322。

如图1所示，在所述微等离子体激发装置的具体结构中，所述电池1用于为所述升压电路模块2及所述尖端放电模块3提供电能，并提升所述微等离子体激发装置的便携性或可移动性，其可以但不限于采用锂离子电池、镍镉电池或镍氢电池等高能量密度的蓄电池，特别优选采用锂离子电池，可利用其高能量密度的特点，利于装置的小型化设计。所述升压电路模块2用于将低压直流电逆变为高压交流电，以便为所述尖端放电模块3提供所需的交流电压，例如将所述电池1中的3.7v直流电升压到及逆变为3kv的交流电，确保在所述尖端放电模块3中能够进行高压放电，产生微等离子体。

所述尖端放电模块3用于通过在所述第一尖端电极321和所述第二尖端电极322之间施加高压交流电(即来自所述升压电路模块2的交流电输出端)，使得在两者之间的区域产生一个稳定的微等离子体区域，以便由所述进样通道导入的待测样品在进入该微等离子体区域后被裂解并激发(一般需要在所述放电腔体31充满诸如氩气等惰性气体，以便提供化学惰性环境)，从而发射出目标元素(例如在环己烯检测中的碳原子)的特征原子发射谱线。在所述尖端放电模块3的具体结构中，所述放电腔体31的外壁体由绝缘材质制成；所述第一尖端电极321和所述第二尖端电极322可分别但不限于采用钨棒尖端电极；所述光谱信号采集通道用于采集目标元素的特征原子发射谱线并导出，以便光谱信息能够被诸如电荷耦合器件图像采集设备(charge-coupleddevice，ccd)等检测设备记录观察到，实现原子光谱检测目的。

由此通过前述微等离子体激发装置的详细结构描述，提供了一种可改变传统大功率电源驱动的等离子体原子光谱激发方案，即通过配置电池、升压电路模块和尖端放电模块及它们的电连接关系，可以利用电池及实现将低压直流电逆变为高压交流电的升压电路，来驱动在尖端放电模块内部产生一个稳定的微等离子体区域，使得待测样品在进入该微等离子体区域后可被原子化并激发，从而发射出目标元素的特征原子发射谱线，实现原子光谱激发目的，同时由于尖端放电模块具有尺寸小和易驱动等特点，可以利于原子发射光谱仪的小型化设计、手持式设计、便携式设计以及拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析。

优化的，所述升压电路模块2包括但不限于有型号为r5402的电池保护芯片u1、型号为ceg8205的双功率场效应管u2、三极管d1、变压器t1、电容c1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和所述直流电输入端，其中，所述变压器t1的主线圈匝数小于副线圈匝数，所述变压器t1的副线圈两端作为所述交流电输出端，所述直流电输入端包括有用于电连接所述电池1正极的直流电正极端b+和用于电连接所述电池1负极的直流电负极端b-；所述电池保护芯片u1的vdd引脚分别电连接所述电容c1的一端和所述第一电阻r1的一端，所述电池保护芯片u1的vss引脚分别电连接所述电容c1的另一端和所述直流电负极端b-，所述电池保护芯片u1的cout引脚和dout引脚分别电连接所述双功率场效应管u2的d引脚，所述电池保护芯片u1的v-引脚电连接所述第二电阻r2的一端；所述双功率场效应管u2的d引脚还电连接所述第三电阻r3的一端，所述双功率场效应管u2的s1引脚电连接所述直流电负极端b-，所述双功率场效应管u2的s2引脚分别电连接所述第二电阻r2的另一端和所述三极管d1的发射极，所述双功率场效应管u2的g1引脚和g2引脚相互电连接；所述第一电阻r1的另一端分别电连接所述直流电正极端b+和所述变压器t1的主线圈一端，所述第三电阻r3的另一端电连接所述三极管d1的基极，所述三极管d1的集电极电连接所述变压器t1的主线圈另一端。

如图1所示，在所述升压电路模块2的具体电路结构中，所述电池保护芯片u1用于保护所述电池1。所述双功率场效应管u2用于产生开关控制信号，以便对所述三极管d1的集电极与发射极进行通断控制。所述三极管d1用于在所述开关控制信号的控制下，使所述变压器t1的主线圈两端间的电压为方波形式(其由直流电压成分和n次谐波交流电压成分组成，n为正整数)；所述变压器t1用于通过主线圈与副线圈的电磁耦合作用，将前述方波电压中的交流电压成分升压为所述尖端放电模块3所需的交流电(所述变压器t1的主线圈匝数与副线圈匝数之比一般需小于1：100)。所述电容c1用于消除谐波交流电成分。所述第一电阻r1、所述第二电阻r2和所述第三电阻r3分别用于限流。由此通过前述升压电路模块2的具体电路结构及电路原理，不但可以实现将低压直流电逆变为高压交流电，并为所述尖端放电模块3提供所需的交流电压的目的，还可以确保布置这些电路结构的电路板尺寸较小，进一步利于原子发射光谱仪的小型化设计、手持式设计、便携式设计以及拓展原子发射光谱仪的适用场景。

进一步优化的，所述升压电路模块2还包括有手动开关k1，其中，所述手动开关k1的一端电连接所述双功率场效应管u2的s2引脚，所述手动开关k1的另一端电连接所述三极管d1的发射极；所述双功率场效应管u2的s2引脚通过处于闭合状态下的所述手动开关k1电连接所述三极管d1的发射极。如图1所示，所述手动开关k1位于所述变压器t1的主线圈支路中，仅在闭合时，所述主线圈支路中才会有电流(其电流信号以方波形式存在)，而在断开时，所述主线圈支路中不会有电流，由此通过设置所述手动开关k1，可以手动启停所述微等离子体激发装置，方便操作使用。

综上，采用本实施例所提供的微等离子体激发装置，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种可改变传统大功率电源驱动的等离子体原子光谱激发方案，即通过配置电池、升压电路模块和尖端放电模块及它们的电连接关系，可以利用电池及实现将低压直流电逆变为高压交流电的升压电路，来驱动在尖端放电模块内部产生一个稳定的微等离子体区域，使得待测样品在进入该微等离子体区域后可被原子化并激发，从而发射出目标元素的特征原子发射谱线，实现原子光谱激发目的，同时由于尖端放电模块具有尺寸小和易驱动等特点，可以利于原子发射光谱仪的小型化设计、手持式设计、便携式设计以及拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析；

(2)所述微等离子体激发装置还具有升压电路结构简单、所需电路板尺寸小、方便启停操作和易于实现等优点，便于实际应用和推广。

实施例二

如图1所示，本实施例在前述实施例一的技术方案基础上，提供了一种原子发射光谱仪系统，包括有固相微萃取装置4、电荷耦合器件图像采集设备5和如实施例一所述的微等离子体激发装置，其中，所述固相微萃取装置4包括有用于通过顶空固相微萃取方式提取出样品的固相萃取纤维头41；所述微等离子体激发装置的进样通道与所述固相萃取纤维头41配合，使所述固相萃取纤维头41能够插入所述放电腔体31的内部空腔中；所述微等离子体激发装置的光谱信号采集通道光路连通所述电荷耦合器件图像采集设备5的光线输入端。

如图1所示，在所述原子发射光谱仪系统的具体结构中，所述固相微萃取装置4及所述固相萃取纤维头41为实现顶空固相微萃取方式的常用工具，用于提取待测样品，并通过所述微等离子体激发装置10的进样通道，将待测样品送入所述放电腔体31的内部空腔中，其中，所述固相微萃取装置2可以但不限于采用由美国supelco公司生产的且型号为100μm的pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)萃取纤维头。所述电荷耦合器件图像采集设备5用于记录观察到的原子以及分子发射光谱信息，以便通过常规的光谱分析法得到目标元素的含量数据，以及通过常规的换算方式且根据目标元素的含量数据换算得到目标物质的含量数据，实现检测目的；所述电荷耦合器件图像采集设备5可以但不限于采用型号为maya2000pro的微型光纤光谱仪。所述微等离子体激发装置的细节描述可参见前述实施例一，于此不再赘述。

由此通过前述原子发射光谱仪系统的详细结构描述，提供了一种具有小型化特点的原子发射光谱仪，利于实现手持式操作原子发射光谱仪进行检测操作的目的，从而可大大拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析。

优化的，还包括计算机设备6，其中，所述计算机设备6通信连接所述电荷耦合器件图像采集设备5。如图1所示，通过配置所述计算机设备6，可以在得到目标元素含量数据后，通过常规的换算方式且根据目标元素的含量数据换算得到目标物质的含量数据，实现检测目的，利于后续进行数据分析。

优化的，所述光谱信号采集通道通过光纤51光路连通所述电荷耦合器件图像采集设备5的光线输入端。

本实施例提供的原子发射光谱仪系统，在前述实施例一的技术效果基础上，还具有如下技术效果：(1)可提供一种具有小型化特点的原子发射光谱仪，利于实现手持式操作原子发射光谱仪进行检测操作的目的，从而可大大拓展原子发射光谱仪的适用场景，既可在实验室运行，也可以在环境现场分析。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。