[发明专利]一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪

说明书

技术领域

本发明属于成分分析与检测技术领域，具体为一种基于气雾化的激光探针成分分析仪，主要用于溶液中物质成分的精确定性与定量分析。

背景技术

激光探针技术，即激光诱导击穿光谱(Laser-Induced breakdown Spectroscopy，简称LIBS)技术，是一种新型的原子发射光谱技术，其利用高能量密度的激光束轰击被分析物质产生等离子体，通过采集等离子体发射的特征光谱并对其进行分析，进而得到被分析物质所含元素种类和含量的一种新型的物质成分分析技术。LIBS技术具有无需样品预处理、多元素同时检测以及可在线、实时、远程检测等优点，自从诞生至今一直受到广泛的关注。其在生物医学研究、军事安全、宇宙空间探索、工业加工流程控制、环境污染实时检测等领域都取得了重要的研究成果。

LIBS技术在检测固体样品时已经取得了许多重大成果，这重要在于固体样品形态稳定，在与激光相互作用时能保持长时间的稳定。但是在利用LIBS技术对溶液中的元素进行检测分析时，还存在以下四点问题：1、当激光作用到液体表面时，易产生液体溅射，污染光学测量系统；2、液体自身的流体特性使得激光与液体相互作用的过程中所产生的冲击波会使液面产生波纹，影响激光对焦焦距的准确性，降低了试验的重复性；3、激光激发后产生的溅射液体会吸收或遮挡等离子体发射出的光，影响探测的准确性；4、激光脉冲会在液体内部产生气泡，这些气泡在液体表面会改变激光激发所产生的等离子体的特性。

中国专利文献《气、液联用激光诱导击穿光谱检测装置及检测方法》(公开号为CN102914522A，公开日为2013年2月6日)公开了一种克服因液体本身特性而导致的诸多问题的气、液联用激光诱导击穿光谱检测装置。其结构为：气液联用腔室、气液两用泵和高压雾化泵，气液联用腔室包括底板内镶嵌有锥形气液回流管的壳体，气液回流管上设有与壳体内部相通的小孔，另一端与壳体外部相通，壳体顶部有进气口和雾化喷头，壳体相邻两个侧壁上分别安装有进光管和测光管；进光管轴线与测光管轴线相垂直并位于同一水平面，两轴线交点与雾化喷头轴线相交；连接高压雾化泵与雾化喷头。该装置用于分析液体和气体及粉尘颗粒物中元素的含量，也可实时在线监控环境水体污染和大气污染但是该装置仍然存在以下几点不足：1、该装置结构复杂，容易对样品产生不可预知的污染；2、对产生的气溶胶没进行有效的约束控制，这会引起击穿点的波动，从而导致实验的重复性和准确性不高；3、无法克服单脉冲LIBS技术检测灵敏度不高的问题，难于在现实中得到应用。

总之，现有LIBS技术在对溶液中成分进行分析时，溶液的波动性和飞溅性等不利因素使得光谱信号极不稳定、等离子体的寿命大为缩短。实验的重复性、准确性以及检测灵敏度均不高。

发明内容

本发明提供一种基于气雾化与共振激发的激光探针分析仪，目的在于克服现有技术的弊端，大幅度改善LIBS技术在检测溶液中微量元素的检测灵敏度，以达到环境监控等领域的实际应用的要求，同时还能够对液体中的物质进行在线的精确定性和定量分析。

本发明提供的一种激光探针成分分析仪，用于溶液中物质成分的分析，其特征在于，它包括Nd.YAG激光器系统、波长可调谐激光器系统、气雾化系统、光谱采集系统和计算机；气雾化系统用于使待分析的溶液产生气溶胶；Nd.YAG激光器系统用于产生高能激光束，并聚焦到所述气溶胶上使其激发出等离子体火焰；波长可调谐激光器系统用于产生特定波长的激光脉冲，用于对所需要分析元素的特征谱线进行共振激发增强；该激光脉冲的光斑的几何尺寸需大于等离子体的几何尺寸，使其能对整个等离子体进行覆盖；光谱采集系统用于采集共振激发之后产生的特征光谱信号，并转化为电信号后传输到计算机，计算机用于根据接收到的光谱信号分析溶液的物质成分。

具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)本发明的第一个特点采用气雾化系统，能把溶液转变成气溶胶。传统的LIBS技术对溶液中的元素进行检测分析时，产生的冲击波不仅容易使液体飞溅污染光学镜头，同时容易使液面出现波动，使得对焦焦点出现跳动，严重影响光谱采集的准确性和重复性。激光与溶液作用时，激光能量大部分被用于溶液的汽化，只有少部分的能量被用于产生等离子体，同时在激光与溶液相互作用的过程中会出现猝灭现象使得产生的等离子体的寿命大为缩短，特征光谱衰减过快，对特征光谱的采集极其不利。