微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置製造方法

2023-07-12 03:33:41

微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，該裝置包括進樣系統、電弧光源系統、凹面光柵(11)、攝譜儀(10)、高壓電源(5)和集液瓶(13)，主要利用一體化的進樣-光源系統結構設計，結合電弧法樣品消耗量小和電感耦合等離子體法穩定性好且可以檢測溶液樣品的優勢，實現對微量(微升級)溶液樣品的原子發射光譜檢測。本裝置如果與自動進樣裝置配合，還可以實現高通量連續快速檢測微量樣品組的功能。與現有技術相比，本發明具有樣品溶液用量少，檢測速度快，光源穩定性好，適用於液體和溶液形態的樣品等特點。
【專利說明】微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種原子發射光譜法裝置，尤其是涉及一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置。
【背景技術】
[0002]原子發射光譜法(Atomic Emission Spectroscopy, AES)是一種依據不同元素在受到熱或者電激發而由基態躍遷到激發態，再返回基態時所發射出的特徵光譜進行定性、定量的一種分析方法。它可以實現多元素的同時快速檢測，並具有選擇性高、檢出限低、準確度較高等優點。
[0003]自從1859年Kirchoff G.R.和Bunsen R.W.研製出第一臺用於光譜分析的分光鏡以來，原子發射光譜儀器已經過幾十年的持續改進。目前比較成熟的儀器種類包括:火焰發射光譜儀、微波等離子體光譜儀、電感耦合等離子體光譜儀、光電光譜儀、分光攝譜儀等等。無論是屬於哪一種類型，原子發射光譜儀基本都由光源、進樣、分光、檢測四個組件組成的。原子發射光譜儀根據光源不同分可為直流電弧、交流電弧、火花和電感耦合等離子體(ICP)四大類，其中直流和交流電弧的蒸發溫度較高，樣品消耗量小，但放電穩定性稍差，適用於礦物質、金屬、難揮發物質、低含量組分等固體材料分析；而電感耦合等離子體方法因為普遍採用了三層同心石英玻璃炬管外加高頻感應線圈的設計，同時具有較高的蒸發溫度和很好的放電穩定性，適用於各類溶液的定量分析，但是測定時樣品溶液的消耗量受所配霧化器的霧化效率控制，針對溶液中多元素在線分析時所需樣品溶液較多。
[0004]在原子發射光譜儀器不斷改進的歷史中，針對光源、檢測器件的改進層出不窮；然而，針對如何充分結合電弧法和電感耦合等離子體法對進樣系統進行改進設計一直是人們鮮有涉足的領域。

【發明內容】

[0005]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，實現對微量(微升級)溶液樣品的原子發射光譜檢測。
[0006]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0007]—種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，該裝置包括以下組成部分:
[0008]進樣系統:包括高壓氣瓶、高壓氣體開關閥、進樣-清洗針、樣品管/上電極、真空抽氣泵a、氣壓表、氬氣套管和三向閥；所述的高壓氣瓶通過高壓氣體管路依次連接氣壓表、高壓氣體開關閥、三向閥和樣品管/上電極的側面開口，三向閥的另一開口連接氬氣套管，氬氣套管套接在樣品管/上電極外部，所述的進樣-清洗針穿過樣品管頂部的密封隔墊，位於樣品管空腔的中軸線部，所述的真空抽氣泵a連接氬氣套管；
[0009]電離光源系統:包括一對中空電極:上電極和下電極和放電室,其中上電極與樣品管融為一體，構成樣品管/上電極，下電極位於與樣品管/上電極同軸垂直下方的位置，下電極的下端穿過放電室底部的密封隔墊懸於集液瓶上方；所述的放電室上端安裝有樣品管/上電極，底端安裝有下電極並與集液瓶相連，放電室側面設有光學窗口，底部連接真空抽氣泵b ；
[0010]凹面光柵，安裝在放電室側面的光學窗口上，同時收集不同元素分光後的元素譜線，再利用攝譜儀進行分析；
[0011]攝譜儀，安裝在放電室的側壁上，位於光柵的後方，用於收集和記錄樣品溶液中不同元素所發射的特徵譜線；
[0012]高壓電源，通過電路連接品管/上電極和下電極，用以提供和維持作為光源的電弧；
[0013]集液瓶，安裝在下電極的正下方，用於收集試驗檢測中少量殘餘的樣品溶液。
[0014]所述的樣品管/上電極中空，側面開口連接有用於進氬氣的高壓氣管路，氣體輸送系統輸送的高壓氬氣可以起到形成射流霧化樣品溶液、電離放電的功效，從而可以省去電感耦合等離子體裝置中的霧化器部件，大大節省了待測溶液用量，並提高了檢測效率。
[0015]所述的樣品管/上電極的底部末端收縮成細孔狀的噴射微孔，作為導電部分的上電極底部放電尖端，與高壓電源由導線連接。視樣品溶液組成和測量靈敏度要求，上電極放電尖端可以由聞純石墨或純銅製成。
[0016]所述的下電極為中空管狀結構，其材質與樣品管/上電極一致，除了可以與上電極之間產生尖端放電，維持穩定電弧之外，其中空的管狀結構還有助於殘餘的樣品溶液的快速排出。
[0017]所述的放電室採用耐高壓高強度合金鋼製成，放電室上端和底端都安裝有絕緣圈，上端通過絕緣圈安裝樣品管/上電極，底端通過絕緣圈安裝下電極，放電室側面有透過率高的石英玻璃開口的光學窗口，其上還安裝有光柵，並與作為檢測器件的攝譜儀串接。
[0018]所述的進樣-清洗針與樣品管/上電極同軸垂直，其容量設計為精確吸取/注射微升級的樣品溶液，從而可以最大限度的減小樣品溶液的用量，進樣-清洗針也可由自動進樣系統控制，進而實現微量連續快速進樣-清洗-進樣功能。
[0019]與現有技術相比,本發明相比於目前較成熟的電感稱合等離子體(InductivelyCoupled Plasma, ICP)原子發射光譜儀，具有樣品溶液用量少、檢測速度快的優勢；與傳統的直流/交流電弧原子發射光譜儀相比，具有光源更加穩定，適用液體和溶液形態的樣品的優勢。可以說是結合了二者的優點。本裝置如果與自動進樣裝置配合，還有望實現高通量連續快速檢測微量樣品組的功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品中元素裝置的結構示意圖；
[0021]圖2為樣品管/上電極裝置結構示意圖；
[0022]圖3為本發明裝置攝譜儀獲得的原子發射光譜圖；
[0023]圖中標記說明:
[0024]1-高壓氣瓶、2-高壓氣體開關閥、3-絕緣圈、4-進樣-清洗針、5-高壓電源、6_樣品管/上電極、7-噴射微孔、8-放電室、9-1-真空抽氣泵b、9-2-真空抽氣泵a、10-攝譜儀、11-凹面光柵、12-下電極、13-集液瓶、14-氣壓表、15-1S氣套管、16-三向閥、17-原子發射光譜圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0026]實施例
[0027]如圖1?2所示，一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，該裝置包括以下組成部分:
[0028]進樣系統:包括高壓氣瓶1、高壓氣體開關閥2、進樣-清洗針4、樣品管/上電極
6、真空抽氣泵a9-2、氣壓表14、氬氣套管15和三向閥16 ;所述的高壓氣瓶I通過高壓氣體管路依次連接氣壓表14、高壓氣體開關閥2、三向閥16和樣品管/上電極6的側面開口 ；所述的樣品管/上電極6中空，側面開口連接有用於進氬氣的高壓氣管路，高壓氣瓶I輸送的高壓氬氣在樣品管/上電極6中形成射流霧化樣品溶液，並電離放電；樣品管/上電極的底部末端收縮成細孔狀的噴射微孔7，作為導電部分的上電極底部放電尖端，與高壓電源5由導線連接，放電尖端由高純石墨或純銅製成；三向閥16進氣口用於引入高壓氬氣，兩個出氣接口分別通過氣體管路連接樣品管和氬氣套管15 ;氬氣套管15套接在樣品管/上電極6外部，其進氣口用於引入作為冷卻氣體的氬氣，出氣口與真空抽氣泵a9-2連接；所述的進樣-清洗針4穿過樣品管頂部的密封隔墊，位於樣品管空腔的中軸線部，進樣-清洗針4與樣品管/上電極6同軸垂直，其容量設計為精確吸取/注射微升級的樣品溶液，用以減少樣品溶液的檢測用量，進樣-清洗針4還可以採用自動進樣系統控制，進而實現微量連續快速進樣-清洗-進樣功能；
[0029]電離光源系統:包括一對中空電極:上電極和下電極12和放電室8，其中上電極與樣品管融為一體，構成樣品管/上電極6,下電極12位於與樣品管/上電極6同軸垂直下方的位置，下電極12的下端穿過放電室8底部的密封隔墊懸於集液瓶13上方；所述的放電室8上端和底端都安裝有絕緣圈，上端通過絕緣圈3安裝樣品管/上電極6，底端通過絕緣圈安裝下電極12並與集液瓶13相連,放電室8側面設有光學窗口，其米用石英玻璃材質,放電室8底部連接真空抽氣泵b9-l ;所述的下電極12為中空管狀結構，其材質與樣品管/上電極6—致，工作時，管狀下電極12除了可以與上電極之間產生尖端放電並維持穩定電弧之外，其中空的管狀結構還有助於殘餘的樣品溶液的快速排出；
[0030]凹面光柵11，安裝在放電室8側面的光學窗口上，同時收集不同元素分光後的元素譜線，再利用攝譜儀進行分析；
[0031]攝譜儀10，安裝在放電室8的側壁上，位於凹面光柵11的後方，用於收集和記錄樣品溶液中不同元素所發射的特徵譜線；
[0032]高壓電源5，通過電路連接品管/上電極6和下電極12，用以提供和維持作為光源的電弧；
[0033]集液瓶13，安裝在下電極12的正下方，用於收集試驗檢測中少量殘餘的樣品溶液。
[0034]採用上述裝置進行實驗的具體工作實例如下:[0035]由高壓氣瓶I中引出的惰性氣體Ar經氣壓表14和氣體管路由三向閥16分成兩個流路:一路維持恆流流經環繞在樣品管/上電極6外部的氬氣套管15後排空，起到冷卻樣品管/上電極6的作用；另一路直接流入樣品管/上電極6充當載氣。
[0036]當高壓電源5接通時，利用高壓電火花觸發本來不導電的Ar氣電離，在樣品管/上電極6和管狀下電極12之間的高強度電場作用下，帶電粒子高速運動、碰撞，形成「雪崩」式放電，產生電弧，而樣品管/上電極6與管狀下電極12的特殊形狀設計又可以很好的約束兩電極之間的電弧形狀。
[0037]待管口之間的電弧焰溫度為6000?8000K形成並穩定後，可由進樣-清洗針4向樣品管/上電極6內定量注入微量的樣品溶液，樣品溶液在重力和電場的雙重作用下，經由樣品管/上電極6下方的噴射微孔7射向管狀下電極12，射流在電弧的作用下迅速完成蒸發、氣化和電離過程，其中部分達到激發條件的元素原子在這一過程中完成基態受激躍遷再回到基態的過程，發射特徵譜線。不同元素原子發射的特徵譜線通過凹面光柵11色散後在其後方的攝譜儀10中成像，再通過一系列光-電轉化設備得到可以幫助定性、定量進行元素分析的原子發射光譜圖17，如圖3所示。分析結束後，殘餘的樣品溶液在重力和Ar氣的吹掃作用下，經管狀下電極12內部空腔流到放電室8腔體下方的集液瓶中13，進樣-清洗針4再注射空白溶液對整個電極系統進行清洗，以備下一次的進樣檢測。
[0038]本【技術領域】中的普通技術人員應當認識到，以上的【具體實施方式】僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍內，對以上所述【具體實施方式】的變化、變型都將落在本發明的權利要求書範圍內。
【權利要求】
1.一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，其特徵在於，該裝置包括以下組成部分: 進樣系統:包括高壓氣瓶(I)、高壓氣體開關閥(2)、進樣-清洗針(4)、樣品管/上電極(6)、真空抽氣泵a(9-2)、氣壓表(14)、氬氣套管(15)和三向閥(16);所述的高壓氣瓶(I)通過高壓氣體管路依次連接氣壓表(14)、高壓氣體開關閥(2)、三向閥(16)和樣品管/上電極(6)的側面開口，三向閥(16)的另一開口連接氬氣套管(15)，氬氣套管(15)套接在樣品管/上電極(6)外部，所述的進樣-清洗針(4)穿過樣品管頂部的密封隔墊，位於樣品管空腔的中軸線部，所述的真空抽氣泵a(9-2)連接氬氣套管(15)； 電離光源系統:包括一對中空電極:上電極和下電極(12)和放電室(8)，其中上電極與樣品管融為一體，構成樣品管/上電極(6),下電極(12)位於與樣品管/上電極(6)同軸垂直下方的位置，下電極(12)的下端穿過放電室(8)底部的密封隔墊懸於集液瓶(13)上方；所述的放電室(8)上端安裝有樣品管/上電極(6)，底端安裝有下電極(12)並與集液瓶(13)相連，放電室(8)側面設有光學窗口，底部連接真空抽氣泵b (9-1)； 凹面光柵(11)，安裝在放電室(8)側面的光學窗口上，同時收集不同元素分光後的元素譜線，再利用攝譜儀進行分析； 攝譜儀(10)，安裝在放電室(8)的側壁上，位於凹面光柵(11)的後方，用於收集和記錄樣品溶液中不同元素所發射的特徵譜線； 高壓電源(5)，通過電路連接品管/上電極(6)和下電極(12)，用以提供和維持作為光源的電弧； 集液瓶(13)，安裝在下電極(12)的正下方，用於收集試驗檢測中少量殘餘的樣品溶液。
2.根據權利要求1所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，其特徵在於，所述的樣品管/上電極(6)中空，側面開口連接有用於進氬氣的高壓氣管路，高壓氣瓶(I)輸送的高壓氬氣在樣品管/上電極(6)中形成射流霧化樣品溶液，並電離放電。
3.根據權利要求1所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，其特徵在於，所述的樣品管/上電極(6)的底部末端收縮成細孔狀的噴射微孔(7)，作為導電部分的上電極底部放電尖端，與高壓電源(5)由導線連接。
4.根據權利要求3所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，其特徵在於，所述的放電尖端由高純石墨或純銅製成。
5.根據權利要求1所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，其特徵在於，所述的下電極(12)為中空管狀結構，其材質與樣品管/上電極(6) —致，工作時，管狀下電極(12)與樣品管/上電極(6)之間產生尖端放電，管狀下電極(12)的底端穿過放電室(8)底部密封隔墊連通集液瓶(13)。
6.根據權利要求1所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極微量樣品元素的裝置，其特徵在於，所述的放電室(8)採用耐高壓高強度合金鋼製成，放電室(8)上端和底端都安裝有絕緣圈，上端通過絕緣圈(3)安裝樣品管/上電極(6)，底端通過絕緣圈安裝下電極(12),所述的光學窗口米用石英玻璃材質。
7.根據權利要求1所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極少量樣品元素裝置，其特徵在於，所述的進樣-清洗針⑷與樣品管/上電極(6)同軸垂直，其容量設計為精確吸取/注射微升級的樣品溶液，用以減少樣品溶液的檢測用量。
8.根據權利要求1所述的一種微孔高速噴流原子發射光譜法檢測極少量樣品元素裝置，其特徵在於，所述的進樣-清洗針(4)由自動進樣系統控制，實現微量連續快速進樣-清洗-進樣 功能。
【文檔編號】G01N21/67GK103969243SQ201410152956
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】儲德韌, 張小沁 申請人:上海化工研究院, 上海天科化工檢測有限公司