一種原子與分子光譜的同步獲取裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜學、分析化學技術領域，尤其涉及一種原子與分子光譜的同步獲取裝置及方法。
【背景技術】
[0002]光譜學是對物質結構進行表征和測量的一種有效手段。光譜表征和測量方法包括原子光譜法和分子光譜法。原子光譜法(如X射線熒光光譜、激光誘導擊穿光譜等)通過原子的能及躍迀來表征待測樣本的元素類型和濃度。分子光譜(如傅里葉變換紅外光譜、拉曼光譜、激光衰蕩光譜等)通過官能團的振動和轉動來表征待測樣本的分子形態(tài)和數(shù)量。
[0003]原子光譜測量方法和分子光譜測量方法均在環(huán)境監(jiān)測、材料的物性表征、安全監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)測等領域獲得了廣泛的應用。但由于其各自的技術特點，原子光譜和分子光譜只能分離測量。因而，這些技術手段也只能獲得原子和分子光譜中的一種，只能解析樣本中的原子或者分子形態(tài)，而不能做到同時解析。
[0004]在實際的應用中，可以組合應用原子光譜和分子光譜，比如先對樣本的紅外光譜進行測定，再測定其原子光譜。但具有如下問題和缺陷不能解決:
[0005](I)很多分子和原子光譜測量需要一定的時間，比如紅外光譜測量時需要一定的附件準備或者預處理(如測紅外發(fā)射，需要預加熱)、以及實時標定，所以很難同時獲得分子和原子光譜，而部分樣本有很強的時間變化特性；
[0006](2) 二者的測量尺度不一致，由于需要誘導原子能級躍迀，原子光譜的作用區(qū)域往往遠小于分子光譜；
[0007](3)尚無原子光譜與分子光譜的對應化處理方法，現(xiàn)有方法無法實現(xiàn)二者的關聯(lián)性分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術問題
[0009]本發(fā)明要解決的技術問題是:提供一種原子和分子光譜的同步獲取裝置及方法，該方法在短時間內(nèi)同時獲得樣本同一尺度的分子和原子光譜，并實現(xiàn)原子光譜和分子光譜的特征關系關聯(lián)。
[0010](二)技術方案
[0011]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種原子與分子光譜的同步獲取方法，包括:
[0012]通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，使待測樣本被激發(fā)至等離子態(tài)，并通過可見光譜儀收集等離子態(tài)的待測樣本的發(fā)射的原子光譜；
[0013]通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，通過紅外光譜儀收集待測樣本表面對外發(fā)射的紅外光譜，得到分子光譜；
[0014]所述可見光譜儀將原子光譜和所述紅外光譜儀將分子光譜發(fā)送至信號采集控制系統(tǒng)；所述信號采集控制系統(tǒng)對所述原子光譜和分子光譜進行匹配處理，得到原子譜線和官能團的對應關系。
[0015]可選的，所述通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，使待測樣本被激發(fā)至等離子態(tài)，并通過可見光譜儀收集等離子態(tài)的待測樣本的發(fā)射的原子光譜，具體包括:
[0016]通過調節(jié)激光器位置，使激光器的聚焦能量聚焦在待測樣本表面，以150mJ能量擊打待測樣本；
[0017]經(jīng)2微秒延時后，可見光譜儀通過光纖收集器獲得等離子體光譜；
[0018]重復擊打10次，對光譜進行面積歸一化并取平均值，獲得待測樣本的原子光譜。
[0019]可選的，所述通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，通過紅外光譜儀收集待測樣本表面對外發(fā)射的紅外光譜，得到分子光譜，具體包括:
[0020]將紅外光譜儀的視場對準黑體輻射源，測量黑體輻射源的紅外光譜；
[0021]在黑體輻射源校正基礎上，計算獲得待測樣本的分子光譜。
[0022]可選的，在通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面之前，所述方法還包括:
[0023]對激光器、可見光譜儀、紅外光譜儀和黑體輻射源的位置初始化。
[0024]可選的，所述可見光譜儀將原子光譜和所述紅外光譜儀將分子光譜發(fā)送至信號采集控制系統(tǒng)；所述信號采集控制系統(tǒng)對所述原子光譜和分子光譜進行匹配處理，得到原子譜線和官能團的對應關系，具體包括:
[0025]采用主成分分析確定每條原子譜線在特定官能團中的得分，根據(jù)得分貢獻比例對應一者關系。
[0026]第二方面，本發(fā)明還提供了一種原子與分子光譜的同步獲取裝置，包括:
[0027]激光器、可見光譜儀、紅外光譜儀和信號采集控制系統(tǒng)，所述可見光譜儀和所述紅外光譜儀與所述信號采集控制模塊相連；
[0028]所述激光器，用于通過聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，使待測樣本被激發(fā)至等離子態(tài)；
[0029]所述可見光譜儀，用于收集等離子態(tài)的待測樣本的發(fā)射的原子光譜；
[0030]所述紅外光譜儀，用于收集待測樣本表面對外發(fā)射的紅外光譜，得到分子光譜；
[0031]所述信號采集控制模塊，用于接收所述可見光譜儀將原子光譜和所述紅外光譜儀將分子光譜，對所述原子光譜和分子光譜進行匹配處理，得到原子譜線和官能團的對應關系O
[0032]可選的，所述裝置還包括黑體輻射源；
[0033]所述黑體輻射源用于校正所述紅外光譜儀收集的分子光譜。
[0034]可選的，所述裝置還包括:第一匯聚裝置和第二匯聚裝置；
[0035]所述第一匯聚裝置，與所述激光器和所述可見光譜儀相連；
[0036]所述第二匯聚裝置，與所述紅外光譜儀和所述黑體輻射源相連。
[0037]可選的，所述裝置還包括:延時模塊，所述延時模塊一端與所述激光器和所述可見光譜儀相連，另一端與所述信號采集控制模塊相連。
[0038]可選的，所述裝置還包括:設置在所述黑體輻射源內(nèi)的溫度控制模塊，用于控制所述黑體輻射源的溫度。
[0039](三)有益效果
[0040]本發(fā)明提供一種原子和分子光譜的同步獲取裝置及方法，該方法可以獲得液態(tài)或者固態(tài)樣本的同步分子光譜和原子光譜，且二者的測量和作用區(qū)域一致，二者的延時極小，可以視為同步測量。該方法可用于樣本的光譜表征和成分分析，如土壤的光譜測量和重金屬、營養(yǎng)成分組分分析，煙草的組成成分分析，植物組織的元素含量和分子組成分析、藥物的組分分析等。該方法可以同時獲得了統(tǒng)一尺度中樣本的分子光譜和原子光譜，更實現(xiàn)了二者的關聯(lián)性分析。
【附圖說明】
[0041]圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種原子和分子光譜的同步獲取方法的流程示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明一實施例提供的一種原子和分子光譜的同步獲取裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0043]本發(fā)明提出的樣本原子和分子光譜同步測量方法，結合附圖及實施例詳細說明如下。
[0044]本發(fā)明的方法適用于固態(tài)、液態(tài)樣本的可見光原子光譜和紅外分子光譜的同步獲取。
[0045]在幾種原子光譜中，激光誘導擊穿光譜由于不需要復雜的樣本制備、預處理等過程，更適于實現(xiàn)快速測量，所以本專利方法考慮用激光誘導擊穿光譜來獲得樣本的原子光
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[0046]同時，由于激光誘導擊穿光譜在激光擊打后，樣本表面會產(chǎn)生高溫，而伴隨高溫將會有大量的紅外輻射，其中帶有分子結構信息。因此，本發(fā)明利用激光誘導擊穿光譜的對樣本表面產(chǎn)生的溫度來測量其紅外光譜，獲得分子光譜信息。
[0047]基于上述原理，本發(fā)明提出了一種原子和分子光譜同步獲取方法。其核心方法在于利用強激光擊打樣本表面，使其激發(fā)至等離子態(tài)，利用聚焦光學系統(tǒng)對等離子態(tài)光譜進行數(shù)據(jù)，并預處理，獲得樣本的原子光譜。同時，利用激光擊打后造成高溫而導致的大量紅外輻射，利用紅外光譜系統(tǒng)采集紅外輻射信號，經(jīng)標準黑體輻射源的校準，獲得分子光譜信息。在獲得分子光譜和原子光譜后，通過官能團和原子躍迀能級的對應關系實現(xiàn)二者的關聯(lián)性。
[0048]圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的一種原子和分子光譜的同步獲取方法的流程示意圖。如圖1所示，該方法包括如下步驟:
[0049]101、通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，使待測樣本被激發(fā)至等離子態(tài)，可見光譜儀通過光纖收集器收集等離子態(tài)的待測樣本的發(fā)射的原子光譜。
[0050]對多次擊打獲得的光譜進行歸一化等處理。
[0051]102、通過激光器的聚焦能量重復擊打待測樣本的表面，紅外光譜儀通過紅外光學信號收集器收集待測樣本表面對外發(fā)射的紅外光譜，得到分子光譜；
[0052]將紅外光譜儀的視場對準黑體輻射源，測量黑體輻射源的紅外光譜；
[0053]在黑體輻射源校正基礎上，計算獲得待測樣本的分子光譜。
[0054]具體的可理解為，在激光擊打的高溫熱量下，用紅外光譜儀經(jīng)紅外光學信號收集器測量樣本在高溫狀態(tài)對外的發(fā)射的紅外輻射，獲得對應的初始紅外光譜；
[0055]轉動反射鏡，使標準黑體輻射源的輻射入射到紅外光譜儀中，得到黑體的光譜后對初始紅外光譜進行標定處理，得到樣本的真實紅外光譜；
[0056]具體的，反射鏡轉動角度，使紅外光譜儀的視場對準標準黑體輻射源，測量黑體的紅外光譜；
[0057]在黑體校正基礎上，計算獲得樣本的紅外分子光譜。
[0058]103、所述可見光譜儀將原子光譜和所述紅外光譜儀將分子光譜發(fā)送至信號采集控制系統(tǒng)；所述信號采集控制系統(tǒng)對所述原子光譜和分子光譜進行匹配處理，得到原子譜線和官能團的對應關系。
[0059]在上述步驟之前，對激光器、可見光譜儀、紅外光譜儀和黑體輻射源的位置初始化。
[0060]上述步驟101具體包括:
[0061]1011、通過調節(jié)激光器位置，使激光器的聚焦能量聚焦在待測樣本表面，以150mJ能量擊打待測樣本；
[0062]1012、經(jīng)2微秒延時后，可見光譜儀通過光纖收集器獲得等離子體光譜；
[0063]光纖收集器和紅外光學信號收集器的視場一致。
[0064]采用FPGA實現(xiàn)皮秒級精確技術，從而實現(xiàn)2微秒的精確延時。
[0065]1013、重復擊打10次，對光譜進行面積歸一化并取平均值，獲得待測樣本的原子光譜。
[0066]上述的標準黑體輻射源帶有溫度控制裝置，可以控制黑體輻射源穩(wěn)定工作于兩個溫度，二者溫差為30攝氏度。
[0067]上述步驟103中所述的實現(xiàn)原子譜線和官能團的對應關系，采用主成分分析確定每條原子譜線在特定官能團中的得分，根據(jù)得分貢獻比例對應二者關系。
[0068]該方法主要包括以下幾個核心方法:采用強激光將樣本激發(fā)至等離子態(tài)，通過可見光光譜儀采集等離子態(tài)的原子發(fā)射光譜信息；在多次激光擊打后，