[发明专利]一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法

说明书

本发明属于环境污染监测技术领域，涉及一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法。所述装置包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；所述气溶胶进样模块用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，并输送至检测腔室；所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，并分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；所述三通道光纤光谱仪用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机用于将电信号解析为光谱，并进行存储和分析。利用本发明的激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，能够更快速、灵敏地实时监测气溶胶的元素成分。

技术领域

本发明属于环境污染监测技术领域，更具体地，涉及一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法。

背景技术

气溶胶是由微小的液滴或固体颗粒分散在气态介质中所组成的胶体。按照颗粒物的来源可以分为自然气溶胶和人工气溶胶，前者可来源于自然风扬起的灰尘、海水蒸发后的盐结晶和火山爆发等，后者可来源于交通运输、火力发电与工业生产尾气排放的烟尘等。气溶胶的化学成分非常复杂并随时空变化而剧烈变化，对生态环境与人类健康影响甚大。因而对气溶胶的成分的实时监测是治理气溶胶污染的迫切需要。

传统的气溶胶成分分析方法主要有电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)、原子吸收光谱法(AAS)等，这些方法均存在气溶胶采样时间长、需要样品前处理、耗时长的缺点，不适合用于气溶胶成分的实时监测。激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)技术，是一种能够进行实现元素快速检测的新技术，其通过高能激光在样品表面激发等离子体，采集和分析等离子体发射光谱，从而获取物质中各元素的种类和含量信息。LIBS技术具有快速、实时、原位、全元素同时检测的优点，因此该检测技术被广泛用于多个技术领域。

然而在利用LIBS技术对气溶胶进行原位在线分析时，由于气溶胶颗粒尺寸微小，激光烧蚀后来源于待测物质的发光粒子数量较少，导致待测物质LIBS光谱较微弱，因此LIBS光谱的高效收集对于气溶胶成分的高灵敏度、精确分析至关重要。典型的LIBS光谱波长范围通常为200到900nm，覆盖紫外-可见光-近红外波段，常规的双平凸透镜采集方式对如此宽波段的光谱存在较大色差，导致光纤耦合效率低，大量有效光谱信号损失，难以进行后续的元素成分分析。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置及方法，利用本发明所述高效光谱收集模块，对LIBS紫外、可见光、近红外三个波段的光谱进行分离并采用消色差透镜分别耦合进三通道光纤光谱仪，三个通道采集波段分别覆盖紫外、可见光、近红外波段，从而极大地降低光谱采集光路中色差对光谱采集效率的影响，实现气溶胶的LIBS高灵敏度在线监测。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱气溶胶元素成分实时监测装置，包括气溶胶进样模块、激光激发模块、高效光谱收集模块、三通道光纤光谱仪和计算机；

所述气溶胶进样模块包括气溶胶收集器、检测腔室和抽气泵，用于对大气环境中的气溶胶进行实时采集，在检测腔室内形成气溶胶柱；所述激光激发模块用于发射高能量脉冲激光束，对检测腔室内的气溶胶进行聚焦烧蚀并产生等离子体；所述高效光谱收集模块用于将等离子体的紫外、可见光和近红外辐射进行分离，再分别通过光纤耦合进三通道光纤光谱仪；所述三通道光纤光谱仪为包含覆盖紫外、可见光和近红外波段三个通道的光纤光谱仪，用于分别对等离子体不同波段的光辐射进行分光，并将不同波长的光信号转化为电信号；计算机用于将电信号解析为光谱，并进行存储和分析。