專利名稱：雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及應(yīng)用原子光譜學(xué)、應(yīng)用激光光譜學(xué)和原子光譜分析技 術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析 儀。
背景技術(shù)：
激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)技術(shù)是一種新型的原子光譜分析技術(shù)，它利用聚焦的強(qiáng)脈沖激光將待測(cè)樣品 直接激發(fā)成等離子體而發(fā)光，通過分析等離子體中原子或離子光譜來實(shí)現(xiàn) 對(duì)樣品的元素分析。由于無需復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備過程，LIBS具有快速和多 元素同時(shí)分析的特點(diǎn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)野外、實(shí)時(shí)在線以及惡劣環(huán)境下的遠(yuǎn)距 離測(cè)量，因而受到極大的關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于各種不同場(chǎng)合的元素分析。LIBS的檢測(cè)限，也就是它能夠分析出的元素的最低濃度，是一個(gè)很 重要的技術(shù)指標(biāo)，在用于痕量元素分析時(shí)，其檢測(cè)限越低越好，為此需要 采取不同的手段來降低LIBS的檢測(cè)限，也就是提高LIBS系統(tǒng)的分析靈敏 度。在現(xiàn)實(shí)生活中的很多領(lǐng)域，都需要對(duì)某些有害物質(zhì)作痕量元素的分析， 比如對(duì)環(huán)境樣品(包括土壤，水以及大氣)、中草藥、食品、各種日用品 中的有害重金屬元素(As、 Hg、 Cd、 Cr、 Pb等)作出現(xiàn)場(chǎng)的快速分析， 以避免因這些重金屬元素而造成的對(duì)人體健康和生命安全的威脅，因此具 有非常重要的意義。目前國(guó)際上已有的降低LIBS檢測(cè)限的技術(shù)包括有 一、采用雙脈沖 激發(fā)模式采用雙脈沖激發(fā)模式需要特殊研制的雙脈沖激光器，這種激光 器價(jià)格較單脈沖激光器昂貴，或者是用兩套激光器，系統(tǒng)也比較昂貴；二、
采用共振增強(qiáng)激發(fā)模式和LIBS與激光誘導(dǎo)熒光(Laser-induced fluorescence, LIF)聯(lián)用技術(shù)采用共振增強(qiáng)激發(fā)模式和LIBS-LIF聯(lián)用技 術(shù)則需要兩套激光系統(tǒng)，不僅昂貴，而且體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜；三、采用 先進(jìn)的光電檢測(cè)設(shè)備閃耀光柵光譜儀、ICCD (Intensified Charge-Coupled Device),然而帶有ICCD的LIBS系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且ICCD數(shù)據(jù)讀出速 度慢，在紫外區(qū)靈敏度低等。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、成本低、具有較高分析靈敏度的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕 量元素分析儀。本實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本雙通道共振增強(qiáng)激光 誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀，包括激光器、單色儀、光電探測(cè)器、示波 器和計(jì)算機(jī)，其特征在于所述激光器通過分束片BS與樣品通道、光源 通道光信號(hào)連接；在光源通道上依次設(shè)置有透鏡L1、共振光源、耦合透鏡 組L3和L4;在樣品通道上依次設(shè)置有反射鏡RM1、透鏡L2;樣品通道、 光源通道與樣品光信號(hào)連接，樣品通過光收集系統(tǒng)與單色儀光信號(hào)連接， 單色儀和光電探測(cè)器連接，光電探測(cè)器和示波器連接，示波器和計(jì)算機(jī)連 接。所述光收集系統(tǒng)包括透鏡L5、反射鏡RM2和透鏡L6;光收集系統(tǒng)與 單色儀的入射狹縫光信號(hào)連接。所述示波器通過GPIB接口和計(jì)算機(jī)連接。所述激光器為電光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器(納秒(10"秒)脈沖激 光器)，也可以是皮秒(10'12秒)或者飛秒(10_15秒)脈沖激光器。 所述共振光源為激光誘導(dǎo)的等離子體光源。 所述單色儀為光柵單色儀。 所述示波器為數(shù)字存儲(chǔ)示波器。
所述光電探測(cè)器為光電倍增管。上述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀的分析方 法，其特征在于包括以下步驟(1 )所述激光器發(fā)出的激光，經(jīng)分束片BS分成兩路光線分別進(jìn)入樣 品通道和光源通道；(2) 在所述光源通道上光線被透鏡Ll聚焦于共振光源，產(chǎn)生強(qiáng)激光 誘導(dǎo)等離子體共振光輻射，經(jīng)耦合透鏡組L3和L4，聚焦于樣品；(3) 在所述樣品通道上光線由反射鏡RM1反射并經(jīng)透鏡L2聚焦于樣品；(4) 在樣品通道的光線的作用下，所述樣品中的待分析的痕量元素 被解離出來，然后所述痕量元素被所述共振光輻射共振激發(fā)，所述痕量元 素發(fā)出共振增強(qiáng)光輻射；(5) 所述共振增強(qiáng)光輻射通過光收集系統(tǒng)成像在單色儀上；(6) 所述單色儀的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器探測(cè)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；(7) 所述電信號(hào)被送至示波器顯示；(8) 所述示波器將數(shù)據(jù)信息傳送給計(jì)算機(jī)作記錄和數(shù)據(jù)處理。 本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)本雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，主要用于對(duì)各種不同 的樣品作定性和定量的元素分析，尤其是痕量元素分析。本分析儀利用共振光源產(chǎn)生強(qiáng)激光誘導(dǎo)等離子體共振光輻射。在樣品 通道的光線的作用下，樣品中的待分析的痕量元素被解離出來，然后痕量 元素被共振光輻射共振激發(fā)，痕量元素發(fā)出共振增強(qiáng)光輻射，因此使激光 誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀的分析靈敏度提高1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使 得只用常規(guī)的激光器和分析儀就能夠?qū)崿F(xiàn)各種樣品的痕量元素分析，無需 采用昂貴的激光器和光譜儀器以及光電檢測(cè)設(shè)備。本分析儀的分析方法大 大提高了分析儀的分析靈敏度，降低檢測(cè)限，尤其適用于對(duì)痕量元素的分析。本分析儀還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的痕量元素同時(shí)共振激發(fā) 以降低其檢測(cè)限，這是用可調(diào)諧激光光源難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榭烧{(diào)諧激光光 源難以同時(shí)工作在多個(gè)波長(zhǎng)。


圖1是本實(shí)用新型的一種雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素 分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是采用圖1的分析儀進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。 圖3是采用圖1的分析儀進(jìn)行另一試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例l如圖1所示的一種雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析 儀，圖中Nd:YAG為電光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器(北京時(shí)代卓易， TurboLite)，其輸出波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為10ns，重復(fù)率為5Hz，脈沖能量 約200mJ; BS (beam splitter)為分束片；RM1和RM2 (reflection mirror) 為反射鏡；L1 L6為透鏡，各透鏡焦距為L(zhǎng)l， L2禾BL3， f=10cm、 L4 禾口L5， f=15cm、 L6， f=25cm; PMT (photomultipliertube)為光電倍增管 (濱松，CR114型)。共振光源為單質(zhì)、化合物或者混合物的激光誘導(dǎo)的 等離子體光源，視不同待分析的元素將有所不同；樣品為待分析樣品；單 色儀為光柵單色儀(天津拓譜，WDS-5型)，焦距為50cm;示波器為250MHz 數(shù)字存儲(chǔ)示波器(固諱，GDS-840C);計(jì)算機(jī)為常用臺(tái)式機(jī)。圖1中的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀的分析方 法，包括以下步驟(1)激光器發(fā)出的激光，經(jīng)分束片BS分成兩路光線分別進(jìn)入樣品通 道和光源通道； (2) 在所述光源通道上光線被透鏡L1聚焦于共振光源，產(chǎn)生強(qiáng)激光誘導(dǎo)等離子體共振光輻射，經(jīng)耦合透鏡組L3和L4，聚焦于樣品；(3) 在所述樣品通道上光線由反射鏡RM1反射并經(jīng)透鏡L2聚焦于樣品；(4) 在樣品通道的光線的作用下，所述樣品中的待分析的痕量元素 被解離出來，然后所述痕量元素被所述共振光輻射共振激發(fā)，所述痕量元 素發(fā)出共振增強(qiáng)光輻射；(5) 所述共振增強(qiáng)光輻射通過透鏡L5、反射鏡RM2、透鏡L6成像 在單色儀的入射狹縫上；(6) 所述單色儀的光信號(hào)經(jīng)光電倍增管探測(cè)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；(7) 所述電信號(hào)被送至示波器顯示；(8) 所述示波器通過GPIB接口將數(shù)據(jù)信息傳送給計(jì)算機(jī)作記錄和數(shù) 據(jù)處理。實(shí)施例2圖2是采用圖1的分析儀進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。為觀察Na原子雙線雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的實(shí)驗(yàn)效果，樣品選擇的為含有微量Na原子的鋁合金，光源通道中的共振光源為浸泡過飽和NaCl溶液的木片。圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)(單位為納米)，縱坐標(biāo)為發(fā)光強(qiáng)度。圖中(a)曲線把樣品通道遮擋住，只剩下光源通道，此時(shí)為一條直線，說明了共振光源的強(qiáng)激光誘導(dǎo)等離子體共振光輻射不會(huì)被收集進(jìn)單色儀而造成背景信號(hào)。圖中(b)曲線把光源通道遮擋住，只剩下樣品通道，此曲線也就是現(xiàn)有技術(shù)的曲線。圖中(C)曲線光源通道和樣品通道都不遮擋，此時(shí)觀測(cè)到鋁合金中的Na原子雙線(588.995， 589.592nm )的發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)于曲線(b)
增強(qiáng)了約4倍。如果鋁合金中Na原子濃度進(jìn)一步降低的話，其增強(qiáng)的相對(duì)比例還會(huì)更大。實(shí)施例3圖3是采用圖1的分析儀進(jìn)行另一試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。為觀察Cu原子和Zn原子雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的實(shí)驗(yàn)效果，樣品選擇的為含有微量Cu原子和Zn原子的鋁合金，光源通道中的共振光源為Cu-Zn 二元合金(黃銅)。圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)(單位為納米)，縱坐標(biāo)為發(fā)光強(qiáng)度。圖中(a)曲線把樣品通道遮擋住，只剩下光源通道，此時(shí)為一條直線，說明了共振光源的強(qiáng)激光誘導(dǎo)等離子體共振光輻射不會(huì)被收集進(jìn)單色儀而造成背景信號(hào)。圖中(b)曲線把光源通道遮擋住，只剩下樣品通道，此曲線也就是現(xiàn)有技術(shù)的曲線。圖中(C)曲線光源通道和樣品通道都不遮擋，此時(shí)觀測(cè)到鋁合金中的Cu原子光譜線(324.75, 327.40, 330.80, 333.80nm )和Zn原子光譜 線(468.01, 472.22， 481.05nm)的發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)于曲線(b)同時(shí)增強(qiáng)了約5 倍。如果鋁合金中Cu原子和Zn原子的濃度進(jìn)一步降低的話，其增強(qiáng)的相 對(duì)比例還會(huì)更大。上述具體實(shí)施方式
為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，并不能對(duì)本實(shí)用新型 的權(quán)利要求進(jìn)行限定，其他的任何未背離本實(shí)用新型的技術(shù)方案而所做的 改變或其它等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀，包括激光器、單色儀、光電探測(cè)器、示波器和計(jì)算機(jī)，其特征在于所述激光器通過分束片(BS)與樣品通道、光源通道光信號(hào)連接；在光源通道上依次設(shè)置有透鏡(L1)、共振光源、耦合透鏡組(L3)和(L4)；在樣品通道上依次設(shè)置有反射鏡(RM1)、透鏡(L2)；樣品通道、光源通道與樣品光信號(hào)連接，樣品通過光收集系統(tǒng)與單色儀光信號(hào)連接，單色儀和光電探測(cè)器連接，光電探測(cè)器和示波器連接，示波器和計(jì)算機(jī)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元 素分析儀，其特征在于所述光收集系統(tǒng)包括透鏡(L5)、反射鏡(RM2)和透鏡(L6);光收集系統(tǒng)與單色儀的入射狹縫光信號(hào)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀，其特征在于所述示波器通過GPIB接口和計(jì)算機(jī)連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元 素分析儀，其特征在于所述激光器為電光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元 素分析儀，其特征在于所述共振光源為激光誘導(dǎo)的等離子體光源。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元 素分析儀，其特征在于所述單色儀為光柵單色儀。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀，其特征在于所述示波器為數(shù)字存儲(chǔ)示波器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元 素分析儀，其特征在于所述光電探測(cè)器為光電倍增管。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種雙通道共振增強(qiáng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜痕量元素分析儀，包括激光器、單色儀、光電探測(cè)器、示波器和計(jì)算機(jī)，所述激光器通過分束片BS與樣品通道、光源通道光信號(hào)連接；在光源通道上依次設(shè)置有透鏡L1、共振光源、耦合透鏡組L3和L4；在樣品通道上依次設(shè)置有反射鏡RM1、透鏡L2；樣品通道、光源通道與樣品光信號(hào)連接，樣品通過光收集系統(tǒng)與單色儀光信號(hào)連接，單色儀和光電探測(cè)器連接，光電探測(cè)器和示波器連接，示波器和計(jì)算機(jī)連接。本分析儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，大大提高了分析靈敏度，降低了檢測(cè)限。
文檔編號(hào)G01N21/63GK201053952SQ20072005237
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者何道航, 明 劉, 李潤(rùn)華, 陳志江, 黎洪坤 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)