專利名稱：水體金屬污染物激光擊穿光譜探測方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境水體污染監(jiān)測技術(shù)，具體是水體金屬污染物激光光譜探測方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水體中的重金屬及有毒金屬污染物是一類易于在沉積物中累積的典型污染物，可以在生物體內(nèi)富集，影響生態(tài)環(huán)境并通過食物鏈影響著人類健康。目前我國環(huán)境水體中的金屬污染物仍以現(xiàn)場采樣、實驗室分析為主，且一次分析元素項目有限，不能實時、原位的分析出污染水體中金屬元素及金屬污染物的含量，更不能實現(xiàn)污染水體的自動連續(xù)監(jiān)測；在條件惡劣的環(huán)境中，由于無法進(jìn)行現(xiàn)場采樣，對金屬元素含量的實時監(jiān)測就更加困難，甚至無法實現(xiàn)。
對水體金屬污染物(包括鎘、鉻、鉛、汞、銀、金、銅、鋅、鐵等)的監(jiān)測中，多以原子吸收法、原子吸收光度法等進(jìn)行水體中重金屬元素含量的測定，其分析程序復(fù)雜、耗時；樣品的采集、儲存、運輸及測定都有嚴(yán)格的要求，在任何一個環(huán)節(jié)上出現(xiàn)差錯都能造成測量結(jié)果的偏離，且易形成樣品的二次污染，為必要的環(huán)境水體質(zhì)量監(jiān)測管理帶來虛假的信息。在有機金屬化合物(如有機汞、有機鎘等)的監(jiān)測方面，目前仍無有效的監(jiān)測手段，因此，發(fā)展快速、實時的監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
針對我國水體污染現(xiàn)狀、國際上水體污染監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向以及國家對水體污染監(jiān)測的急迫需求，本發(fā)明提出了用于環(huán)境水體中重金屬及有毒金屬污染物多參數(shù)綜合指標(biāo)實時、在線、原位的自動監(jiān)測及便攜式現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測的方法與系統(tǒng)。該方法不需采樣，直接進(jìn)行污染現(xiàn)場的實時原位測量，能夠?qū)崿F(xiàn)自然水體中微量金屬元素的實時、原位及在線監(jiān)測，以及惡劣環(huán)境條件下工業(yè)廢水中有毒重金屬元素的多元素定量測量。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下水體金屬污染物激光擊穿光譜探測方法，其特征在于由激光器發(fā)出的短脈沖激光聚焦并作用在水樣表面，產(chǎn)生高溫等離子體，在等離子體冷卻前，被激發(fā)的原子、離子及分子將產(chǎn)生元素成分特征的等離子體發(fā)射譜線，經(jīng)過導(dǎo)光器件傳輸?shù)焦庾V儀分光后，由CCD探測器進(jìn)行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，對特定元素譜線強度進(jìn)行分析以進(jìn)行元素含量的定量測量。
上述方法，其特征在于所述的由激光器發(fā)出的短脈沖激光經(jīng)激光耦合透鏡耦合至發(fā)射光纖，再由發(fā)射光纖至激光耦合透鏡組，最后聚焦并作用在水樣表面；所述的導(dǎo)光器件由前述的激光耦合透鏡組/另一激光耦合透鏡組及接收光纖組成，被激發(fā)的原子、離子及分子將產(chǎn)生元素成分特征的等離子體發(fā)射譜線，通過前述的激光耦合透鏡組/另一激光耦合透鏡組、接收光纖，傳輸?shù)焦庾V儀；所述的激光耦合透鏡由排在一體的凸鏡與凹鏡、一個凹鏡組成，激光耦合透鏡組由一個激光耦合透鏡和一個凸鏡組成。
水體金屬污染物激光擊穿光譜探測系統(tǒng)，包括有激光器，其特征在于激光器輸出端安裝有激光耦合透鏡，激光耦合透鏡輸出端和激光耦合透鏡組的入光端之間通過發(fā)射光纖連接；光譜儀的入光端連接有接收光纖，光譜儀分光輸出端安裝有CCD探測器，接收光纖的另一端接入前述激光耦合透鏡/另一激光耦合透鏡的入光端；CCD探測器的信號輸出端接入數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，電源及計算機控制系統(tǒng)提供激光器及探測器的電源并且和探測器和數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通訊；所述的激光耦合透鏡由排在一體的凸鏡與凹鏡、一個凹鏡組成，激光耦合透鏡組由一個激光耦合透鏡和一個凸鏡組成。
本發(fā)明采用光纖進(jìn)行激光發(fā)射與等離子體信號接收的傳輸，有效地避免了外界環(huán)境對信號的影響以及大大減小了系統(tǒng)體積，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶，適于對自然水體中微量金屬元素的實時、原位及在線監(jiān)測，以及惡劣環(huán)境條件下工業(yè)廢水中有毒重金屬元素的多元素定量測量。可用于污染源排放在線監(jiān)測及污染事故的現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測。
與傳統(tǒng)的水體中重金屬及有毒金屬污染物檢測的原子發(fā)射光譜、分光光度法、滴定法等相比，本發(fā)明的特點簡述如下(1)分析簡便、快速，無需煩瑣的樣品預(yù)處理，避免了樣品的二次污染；(2)對樣品尺寸無嚴(yán)格要求，且樣品消耗量極低，且同時進(jìn)行多元素測定；(3)通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，以及惡劣條件下自動監(jiān)測。
(4)可用于企業(yè)排污口的定點、在線監(jiān)測，人們生活用水中重金屬及有毒金屬污染物含量的實時監(jiān)測，以及污染事故現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之一示意圖。
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之二示意圖。
圖3為本發(fā)明激光耦合透鏡組結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，水體金屬污染物激光擊穿光譜探測系統(tǒng)，激光器輸出端安裝有激光耦合透鏡，激光耦合透鏡輸出端和激光耦合透鏡組的入光端之間通過發(fā)射光纖連接；光譜儀的入光端連接有接收光纖，光譜儀分光輸出端安裝有CCD探測器，接收光纖的另一端接入另一激光耦合透鏡的入光端；CCD探測器的信號輸出端接入數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，電源及計算機控制系統(tǒng)提供激光器及探測器的電源并且和探測器和數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通訊。
如圖2所示，水體金屬污染物激光擊穿光譜探測系統(tǒng)，激光器輸出端安裝有激光耦合透鏡，激光耦合透鏡輸出端和激光耦合透鏡組的入光端之間通過發(fā)射光纖連接；光譜儀的入光端連接有接收光纖，光譜儀分光輸出端安裝有CCD探測器，接收光纖的另一端接入前述激光耦合透鏡入光端，接收光纖與入射光纖采用“Y”形光纖制作；CCD探測器的信號輸出端接入數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，電源及計算機控制系統(tǒng)提供激光器及探測器的電源并且和探測器和數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通訊。
如圖3所示，激光耦合透鏡由排在一體的凸鏡與凹鏡、一個凹鏡組成。
激光耦合透鏡組由一個激光耦合透鏡和一個凸鏡組成。
表1水體金屬污染物激光擊穿光譜探測系統(tǒng)性能指標(biāo)


本發(fā)明利用短脈沖激光聚焦后作用在水樣表面產(chǎn)生高溫等離子體，在等離子體冷卻前，被激發(fā)的原子、離子及分子將產(chǎn)生元素成分特征的等離子體發(fā)射譜線，通過接收水樣的等離子體光譜并對特定元素譜線強度進(jìn)行分析以進(jìn)行元素含量的定量測量。激光器發(fā)出的激光經(jīng)激光耦合透鏡耦合至發(fā)射光纖，由激光耦合透鏡組進(jìn)行激光發(fā)射與激光等離子體信號的接收，接收到的等離子體信號經(jīng)接收光纖傳輸至光譜儀進(jìn)行分光，由CCD探測器進(jìn)行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，電源及計算機控制系統(tǒng)提供激光器及探測器的電源以及探測控制的邏輯時序及觸發(fā)信號。
權(quán)利要求
1.水體金屬污染物激光擊穿光譜探測方法，其特征在于由激光器發(fā)出的短脈沖激光聚焦并作用在水樣表面，產(chǎn)生高溫等離子體，在等離子體冷卻前，被激發(fā)的原子、離子及分子將產(chǎn)生元素成分特征的等離子體發(fā)射譜線，經(jīng)過導(dǎo)光器件傳輸?shù)焦庾V儀分光后，由CCD探測器進(jìn)行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，對特定元素譜線強度進(jìn)行分析以進(jìn)行元素含量的定量測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的由激光器發(fā)出的短脈沖激光經(jīng)激光耦合透鏡耦合至發(fā)射光纖，再由發(fā)射光纖至激光耦合透鏡組，最后聚焦并作用在水樣表面；所述的導(dǎo)光器件由前述的激光耦合透鏡組/另一激光耦合透鏡組及接收光纖組成，被激發(fā)的原子、離子及分子將產(chǎn)生元素成分特征的等離子體發(fā)射譜線，通過前述的激光耦合透鏡組/另一激光耦合透鏡組、接收光纖，傳輸?shù)焦庾V儀；所述的激光耦合透鏡由排在一體的凸鏡與凹鏡、一個凹鏡組成，激光耦合透鏡組由一個激光耦合透鏡和一個凸鏡組成。
3.水體金屬污染物激光擊穿光譜探測系統(tǒng)，包括有激光器，其特征在于激光器輸出端安裝有激光耦合透鏡，激光耦合透鏡輸出端和激光耦合透鏡組的入光端之間通過發(fā)射光纖連接；光譜儀的入光端連接有接收光纖，光譜儀分光輸出端安裝有CCD探測器，接收光纖的另一端接入前述激光耦合透鏡/另一激光耦合透鏡的入光端；CCD探測器的信號輸出端接入數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，電源及計算機控制系統(tǒng)提供激光器及探測器的電源并且和探測器和數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通訊；所述的激光耦合透鏡由排在一體的凸鏡與凹鏡、一個凹鏡組成，激光耦合透鏡組由一個激光耦合透鏡和一個凸鏡組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了水體金屬污染物激光擊穿光譜探測方法與系統(tǒng)，利用短脈沖激光聚焦后作用在水樣表面產(chǎn)生高溫等離子體，在等離子體冷卻前，被激發(fā)的原子、離子及分子將產(chǎn)生元素成分特征的等離子體發(fā)射譜線，通過接收水樣的等離子體光譜并對特定元素譜線強度進(jìn)行分析以進(jìn)行元素含量的定量測量。激光器發(fā)出的激光經(jīng)激光耦合透鏡耦合至發(fā)射光纖，由激光耦合透鏡組進(jìn)行激光發(fā)射與激光等離子體信號的接收，接收到的等離子體信號經(jīng)接收光纖傳輸至光譜儀進(jìn)行分光，由CCD探測器進(jìn)行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。本發(fā)明實現(xiàn)了水體中金屬元素的多元素實時、原位探測，適用于惡劣環(huán)境條件下工業(yè)廢水中有毒重金屬元素的多元素定量分析，可用于我國環(huán)境水體中重金屬及有毒金屬污染物多元素實時、在線測量，定點監(jiān)測，及現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測。
文檔編號G01N21/01GK1995979SQ20061009815
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月5日
發(fā)明者劉文清, 崔志成, 趙南京, 張玉鈞, 劉誠, 劉建國, 張?zhí)焓? 司福祺, 陸亦懷, 魏慶農(nóng), 謝品華 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所