[发明专利]一种利用激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的装置

说明书

技术领域

本发明属于激光诱导等离子体光谱分析技术领域，具体涉及一种利用激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的装置。

背景技术

土壤是生态环境的重要组成部分，但随着社会经济的高速发展、城市化进程的快速推进，土壤重金属污染程度正在加剧、污染面积逐年扩大，在国土部与环保部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》中给出我国表层土壤与“七五”时期相比镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍等重金属含量增加比较显著。重金属在土壤中形态多变且很难降解，通过植物根系的吸收富集，经食物链进入人体将对人体健康产生严重危害。

当前检测土壤重金属的方法主要有石墨炉原子吸收分光光度法、火焰原子吸收分光光度法以及电化学法等，其技术方法与检测设备决定了检测周期长、费用高、不能现场检测，并且土壤样品在采集、运输及处理中存在被二次污染的风险，不能满足土壤重金属污染现场普查以及重金属污染事故应急监测。

激光诱导击穿光谱（(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)）检测技术是近年二十年发展起来的一种快速元素分析技术，是基于短脉冲高功率密度的激光作用于样品表面消融产生高温等离子体，通过探测分析等离子体冷却过程中辐射的原子或离子谱线来确定样品的物质构成及成分含量等信息。LIBS技术具有无需样品预处理、多元素同时检测等特点，能有效弥补传统方法不能现场和实时快速监测的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的方法与装置，解决现有土壤重金属检测技术设备存在的费时费财费力且不能现场检测的问题，实现土壤重金属污染的快速、现场、定量检测。

    本发明采用的技术方案是：

一种利用激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的装置，其特征在于：包括有控制系统、手持工作头，所述的控制系统包括有工控机以及与工控机控制连接的供气模块、光谱仪、激光电源模块，工控机上安装有KVM虚拟机；所述的手持工作头包括有工作头主体基座、手柄，工作头主体基座上安装有激光头，激光电源模块为激光头供电，工作头主体基座的前、后端分别设有等离子体激发与收集单元、传输线缆管；所述的等离子体激发与收集单元包括有固定在工作头主体基座前端的旋转机构，旋转机构的前端通过调节螺栓和碟簧安装有中空腔体，旋转机构内设有透镜座，透镜座上固定有聚焦透镜，中空腔体的侧壁上开有导气孔，中空腔体的前端中心位置固定有等离子体激发约束腔，等离子体激发约束腔的两侧均设有等立体信号耦合光学组件，等离子体激发约束腔上固定有声信号传感器，等离子体激发约束腔前端面接触被检测样品；所述的调节螺栓和碟簧采用了120°均分的三角支撑点调节机构，即调节螺栓和碟簧于圆周上120°角均匀分布，通过调节调节螺栓和碟簧的松紧度达到等离子体激发约束腔的二维角度调整目的，从而实现激光头发出的激光激发点位置与聚焦透镜的焦点共轴；而激光聚焦点对于被检测样品表面的相对位置通过调节旋转机构带动透镜座和聚焦透镜沿光轴前后移动实现精细调整；所述的等立体信号耦合光学组件连接有信号传输光纤，信号传输光纤通过传输线缆管与控制系统的光谱仪连接，声信号传感器与工控机电连接，供气模块通过供气管与导气孔连接。

所述的利用激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的装置，其特征在于：所述的控制系统安装于轮式机柜中。

所述的利用激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的装置，其特征在于：所述的等离子体激发约束腔采用半球中空结构，半球半径为5mm到8mm之间。

本发明的优点是：

本发明在等离子体激发与收集部分采用了空间约束技术和多通道信号采集方式，并辅以同轴吹气驱散悬浮微尘方法，同时利用声信号传感器监测等离子体激发时的声音信号，对光谱信号进行归一化运算处理；利用此系统进行对比光谱测试，光谱数据的检测稳定性与谱线信号强度得到显著提高，能够满足土壤重金属污染的现场检测需要。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的手持工作头的结构示意图。

图3为本发明的等离子体激发与收集单元的结构示意图。

图4为激光诱导土壤等离子体光谱数据对比图。

图5为激光诱导土壤等离子体光谱数据对比图。

具体实施方式

如图1所示，一种利用激光诱导击穿光谱检测土壤重金属的装置，包括有控制系统、手持工作头F，控制系统包括有工控机A以及与工控机A控制连接的供气模块B、光谱仪C、激光电源模块D，工控机A上安装有KVM虚拟机E。