一種液體放電微等離子體激發源裝置及等離子體激發方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種液體放電微等離子體激發源裝置及等離子體激發方法，屬于原子發射光譜激發源領域。
【背景技術】
[0002]原子光譜分析法是地質、環境等科學領域中十分常用的分析技術，對相關科學領域的發展起著重要作用。目前的常規原子發射光譜分析絕大多數仍是在實驗室內進行的，難以滿足現場及時分析的需要。其中限制原子發射光譜小型化的關鍵點在于激發源的小型化。目前原子發射光譜常用的激發源主要有電感耦合等離子體(ICP)、直流電弧、低壓交流電弧、高壓電容火花等。這些激發源都有惰性氣體消耗大、功率高、體積龐大、使用及維護成本高等缺點，難以實現小型化和便攜式設計，不能滿足野外現場分析的要求。隨著芯片實驗室(lab on a chip)及微全分析系統(micro total analysis system，μ-TAS)的概念的提出，越來越多的科學家都在致力于發展各種技術來實現儀器的微型化。其中，液體放電微等離子體由于其小體積、低功率、低氣體消耗、便于小型化/微型化的特點在分析系統的小型化方面引起了廣泛關注。
[0003]目前已報道的液體放電微等離子體激發源主要有電解液陰極大氣壓輝光放電(ELCAD)、液體陰極輝光放電(SCGD)，雙液體電極微等離子體發射光譜(LEP-AES)等。但是上述幾種微等離子體激發源在測定溶液中某些元素時往往不能檢出或者是靈敏度差，如鋅、鎘等。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種液體放電微等離子體激發源裝置及等離子體激發方法，裝置運行時使用等離子體作為陰極，在等離子體-溶液液面發生電化學反應生成待測元素的氣態化合物，進入等離子體區被激發。與現有報道的液體放電等離子體源相比，提高了樣品引入效率，改善了等離子體的激發效率，增加了靈敏度。
[0005]本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是:提供了一種液體放電微等離子體激發源裝置，包括電路部分和放電池部分，所述電路部分包括串聯的直流電源和限流電阻，整個電路部分一端為陽極，另一端為陰極；放電池部分包括陽極池和陰極池，陰極池與陽極池下部連通；陰極池底部設有廢液出口及廢液出口閥門，陰極池側面從上至下設置有陰極排氣口、保護氣入口以及樣品入口 ；所述陰極池上方封口，封口處設有陰極棒，陰極棒的下部位于陰極池內，陰極棒的底端高度位于保護氣入口和樣品入口之間；陰極棒的頂部與電路部分的陰極連接；所述陽極池上方設有陽極棒，陽極棒的下部位于陽極池內，陽極棒的頂部與電路部分的陽極連接。
[0006]所述陽極棒采用直徑為0.5?2mm的石墨棒或鈾電極棒，陰極棒采用直徑為
0.5?2mm的媽棒或鈦棒。
[0007]所述陽極池為內徑5?10mm、高20?50mm的圓柱體，所述陰極池為長10?30mm、寬10?30mm、高20?50mm的長方體。
[0008]陰極池與陽極池的下部由向陰極池傾斜的導管連通，所述導管長10?30mm、直徑3 ?10mnin
[0009]所述陰極排氣口與保護氣入口的高度差為3?10mm，保護氣入口與樣品入口的高度差為3?10_。
[0010]陰極池側面從上至下設有體積刻度。
[0011]所述陰極池和陽極池的材料均為石英。
[0012]所述陰極池上方由陰極池塞封口，陰極池塞上穿插有陰極棒，所述陰極池塞的材料為聚四氟乙烯。
[0013]本發明還提供了一種基于液體放電微等離子體激發源裝置的等離子體激發方法，包括以下步驟:
[0014](I)關閉陰極池底部的廢液出口閥門，將保護氣從保護氣入口通入陰極池；
[0015](2)將待測含金屬元素溶液從進樣口不斷引入陰極池；
[0016](3)打開直流電源以施加電壓，施加電壓過程中陰極棒底端與待測含金屬元素溶液液面之間產生等離子體，陰極棒底端與待測含金屬元素溶液液面之間產生等離子體的區域為等離子區；維持電流，打開廢液出口閥門使待測含金屬元素溶液的液面與陰極棒底端保持一定距離；
[0017](4)產生的等離子體與待測含金屬元素溶液液面之間發生電化學反應，形成含金屬元素的氣態化合物，氣態化合物在等離子體區被激發，并發射出特征譜線。
[0018]本發明基于其技術方案所具有的有益效果在于:
[0019](I)本發明的裝置運行時使用等離子體作為陰極，在等離子體-液體界面發生電化學反應生成待測元素的氣態化合物，進入等離子體區被激發。與現有報道的液體放電等離子體源相比，提高了樣品引入效率，改善了等離子體的激發效率，增加了靈敏度；
[0020](2)本發明的裝置采用U型管式設計，及陰、陽極池的設計避免了陽極產生的氣體產物對陰極池等離子體區還原反應和等離子體激發的干擾，同時采用斜導管連接也方便了放電池清洗，避免裝置不必要的拆卸；
[0021](3)本發明的裝置在電路中使用限流電阻，用以保護電源，并可提高光譜信號的穩定性;
[0022](4)本發明的液體放電微等離子體激發源裝置結構科學，使用方法簡單易行。使用本發明的裝置可縮短分析時間、減少分析成本，提高分析效率，且能確保每種元素檢測的準確性和可靠性；
[0023](5)本發明利用石英材料制成放電池，材料穩定透明；尤其當陰極池采用長方體形時，等離子體產生于陰極池，能夠避免因圓柱形石英壁對光的散射導致收集到的信號降低。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明的基于液體放電微等離子體激發源裝置的結構示意圖。
[0025]圖2是本發明的基于液體放電微等離子體激發源裝置的工作示意圖。
[0026]圖3是本發明以Ar作為保護氣進行檢測獲得空白、鋅和鎘樣品的熒光信號圖。
[0027]圖中:1-陽極棒，2-陽極池塞，3-陽極池，4-陽極排氣口，5-導管，6-保護氣入口，7-樣品入口，8-廢液出口，9-陰極池，10-體積刻度，11-陰極排氣口，12-陰極池塞，13-陰極棒，14-限流電阻，15-直流電源，16-保護氣，17-待測含金屬元素溶液，18-廢液瓶，19-光纖探頭，20-光纖，21-光譜儀。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0029]實施例1:
[0030]結合圖1，本發明提供了一種液體放電微等離子體激發源裝置，包括電路部分和放電池部分，所述電路部分包括串聯的直流電源15和限流電阻14，整個電路部分一端為陽極，另一端為陰極；直流電源的電壓為900V，限流電阻為1kQ ;放電池部分包括陽極池3和陰極池9，陰極池與陽極池下部連通。陽極池為內徑7mm、高20mm的圓柱體，陰極池為長12_、寬12_、高20mm的長方體。
[0031]陰極池與陽極池下部由向陰極池傾斜的長20_、直徑5mm的導管5連通，陰極池底部設有廢液出口 8及廢液出口閥門，陰極池側面從上至下設置有陰極排氣口 11、保護氣入口 6以及樣品入口 7，所述陰極排氣口與保護氣入口的高度差為5mm，保護氣入口與樣品入口的高度差為5mm。陰極池側面從上至下可以設有用于觀察的體積刻度10。
[0032]所述陽極池上方由圓形的聚四氟乙烯陽極池塞2封口，陽極池塞上穿插有陽極棒1，所述陽極棒為直徑為0.5mm的鉑電極棒，陽極棒的下部位于陽極池內，陽極棒的頂部與電路部分的陽極連接，陽極池側面上部設有陽極排氣口 4。
[0033]所述陰極池上方由方形的聚四氟乙烯陰極池塞12封口，陰極池塞上穿插有陰極棒13，所述陰極棒為直徑為0.5mm的媽棒，陰極棒的底端高度位于保護氣入口和樣品入口之間，陰極棒的下部位于陰極池內，陰極棒的頂部與電路部分的陰極連接。
[0034]結合圖2，本發明還提供了基于液體放電微等離子體激發源裝置的等離子體激發方法，可以用于水體中Zn和Cd等元素檢測，包括以下步驟:
[0035](I)關閉陰極池底部的廢液出口閥門，以300mL/min的流速將保護氣16Ar從保護氣入口通入陰極池；
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