用于微波等離子體炬光譜儀的固體樣品直接進(jìn)樣裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于固體材料表征分析技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種用于微波等離子體炬光譜儀的固體樣品直接進(jìn)樣裝置，主要涉及用于固體材料表面及內(nèi)部元素組分分析的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]常用的固體材料分析常采用樣品研磨溶解，溶液霧化進(jìn)樣方式進(jìn)行分析，包括生物樣本、礦石、金屬等等樣品的檢測(cè)必須通過前處理才能進(jìn)行性能分析。但是前處理的方法多種多樣而且大多比較復(fù)雜，本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合微波等離子體炬技術(shù)提出一種固體樣品直接進(jìn)樣的裝置設(shè)計(jì)，其中以生物樣品為例進(jìn)行闡述，同樣適用于其他固體樣本處理。
[0003]生物體系是典型的復(fù)雜體系，典型生物體系中重要指標(biāo)元素的同時(shí)檢出對(duì)生物樣品的診斷和處理具有重要作用，茶葉和名貴中藥等生物樣品中C、H、0、N、S等非金屬元素以及La、Ce、Pr、Nd等包括稀土在內(nèi)的金屬元素是其重要的組成部分，對(duì)這些元素的檢測(cè)是品質(zhì)檢測(cè)的重要內(nèi)容。現(xiàn)有技術(shù)中，能對(duì)生物樣品元素檢測(cè)的有電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)、微波等離子體炬(MPT)等。由于生物樣品的特殊性，在現(xiàn)有的生物樣品分析前必須要對(duì)生物樣品做前處理，以方便進(jìn)樣等后續(xù)分析。
[0004]現(xiàn)有的生物樣品前處理主要有濕法處理，采用微波消解法避免元素的揮發(fā)損失。雖然能對(duì)絕大多數(shù)生物樣品進(jìn)行消解，但是存在如下不足:1.費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要消耗大量精力和時(shí)間；2.樣品含水量多，對(duì)于大多數(shù)儀器無法直接進(jìn)樣；3.處理過程復(fù)雜，由于生物樣品自身的特殊性，消解過程較為復(fù)雜等問題。
[0005]微波等離子體炬(Microwave Plasma Torch, MPT)是由我國著名學(xué)者金欽漢教授在1985年率先提出的一種新型激發(fā)光源。MPT可以氬氣、氦氣或者空氣作為工作氣體在微波功率大于50瓦的條件下形成穩(wěn)定的、“電離著的”非熱力學(xué)平衡狀態(tài)的等離子體，在此基礎(chǔ)上研制成功了微波等離子體炬光譜儀，可以廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、食品檢測(cè)、環(huán)境保護(hù)等方面，也可以應(yīng)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在物理學(xué)上，等離子體具有與固體、液體以及氣體性質(zhì)不同的獨(dú)特性質(zhì)被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，它是由大量的自由電子和離子組成表現(xiàn)為宏觀上呈電中性的部分電離了的氣體。在MPT工作時(shí)，等離子體維持氣從中管進(jìn)入，樣品氣體溶膠經(jīng)載氣從內(nèi)管進(jìn)入炬管，屏蔽氣從外管切向入口進(jìn)入。微波通過環(huán)繞在中管外側(cè)的導(dǎo)體環(huán)耦合到等離子體放電氣體中，在微波作用下，在炬管頂端的中管和內(nèi)管之間會(huì)形成等離子體。等離子體的形狀像“倒漏斗形”，主要分為等離子體尾焰，等離子體核和等離子根部等三個(gè)部分。因此生物樣品在形成氣溶膠后經(jīng)由載氣進(jìn)入MPT炬管內(nèi)管進(jìn)行分析。
[0006]MPT光譜儀，由于采用微波作為能量介質(zhì)，對(duì)水特別敏感，而且水會(huì)吸收大量的微波，對(duì)于MPT分析而言，當(dāng)樣品氣溶膠進(jìn)入炬管時(shí)，大量微波能量會(huì)被水吸收，這將大幅降低MPT對(duì)元素分析的能力與檢測(cè)準(zhǔn)確性，因此減少進(jìn)入炬管的水分對(duì)檢測(cè)而言至關(guān)重要。采用對(duì)生物樣品直接進(jìn)樣的方式將大大簡化樣品前處理流程，同時(shí)減少水分的含量可提高M(jìn)PT裝置檢測(cè)的靈敏度。常用的固體進(jìn)樣方法主要有激光燒蝕進(jìn)樣、電熱蒸發(fā)、懸浮液進(jìn)樣以及電弧火花燒蝕進(jìn)樣等等。相比較而言，電熱蒸發(fā)和懸浮液進(jìn)樣步驟較為繁瑣而且速度緩慢，電弧火花進(jìn)樣則主要針對(duì)導(dǎo)體物質(zhì)分析，無法對(duì)生物樣品提供有效的處理進(jìn)樣方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種用于微波等離子體炬光譜儀的固體樣品直接進(jìn)樣裝置，基于固體樣品的特性做固體樣品直接燒蝕氣溶膠氣路傳輸，可以通過接口實(shí)現(xiàn)與MPT聯(lián)用進(jìn)行固體樣品全元素分析檢測(cè)。具備以下功能:固體樣品的直接燒蝕取樣氣化；樣品氣溶膠的輸出與MPT接口相適配；三維調(diào)節(jié)平臺(tái)XYZ軸實(shí)現(xiàn)空間位置精確定位成像，一維/ 二維/三維調(diào)整功能；激光燒蝕能量可調(diào)節(jié)聚焦。
[0008]基于上述目的，本發(fā)明利用三維調(diào)節(jié)臺(tái)進(jìn)行樣品的移動(dòng)和定位成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)樣品的取點(diǎn)和掃描成像；利用脈沖激光器系統(tǒng)燒蝕固體樣品產(chǎn)生樣品氣溶膠；通過設(shè)計(jì)的接口與MPT離子源系統(tǒng)連接進(jìn)行激發(fā)和離子化，進(jìn)行檢測(cè)。
[0009]本發(fā)明一種用于微波等離子體炬光譜儀的固體樣品直接進(jìn)樣裝置主要由脈沖激光器系統(tǒng)、成像定位系統(tǒng)、樣品處理系統(tǒng)、位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣路轉(zhuǎn)接系統(tǒng)構(gòu)成，脈沖激光器系統(tǒng)主要包括激光器、前置光路組、二向色鏡、激光聚焦透鏡，激光器、前置光路組、二向色鏡、激光聚焦透鏡通過機(jī)械件固定，激光器的出光口與前置光路組、二向色鏡水平擺放，激光聚焦透鏡位于樣品的正上方；成像定位系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、成像相機(jī)、棱鏡、二向色鏡，成像相機(jī)在棱鏡的正上方，二向色鏡在棱鏡的正下方；樣品處理系統(tǒng)包括樣品天窗、樣品架、樣品池，惰性氣體的進(jìn)氣口和出氣口分別位于樣品池的兩側(cè)；樣品天窗位于樣品的正上方，樣品池的中心位置密封連接，位于激光聚焦鏡的正下方；位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括XYZ軸調(diào)節(jié)臺(tái)、X軸移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、Y軸移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、Z軸移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪絲桿調(diào)節(jié)樣品池的上升與下降；氣路轉(zhuǎn)接系統(tǒng)包括惰性氣體轉(zhuǎn)接管路和氣溶膠轉(zhuǎn)接管路，惰性氣體經(jīng)由惰性氣體轉(zhuǎn)接管路進(jìn)入樣品池，樣品池通過氣溶膠轉(zhuǎn)接口與MPT離子源系統(tǒng)的MPT炬管相連。
[0010]脈沖激光器系統(tǒng)，對(duì)固體樣品進(jìn)行直接激光燒蝕，形成樣品氣溶膠。前置光路組改變激光光束質(zhì)量，激光聚焦透鏡位于樣品的正上方保證激光束聚焦在樣品表面，位于二向色鏡的正下方。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過前置光路組進(jìn)行相應(yīng)的光束調(diào)節(jié)，然后通過樣品天窗，在樣品池內(nèi)將激光能量聚焦在樣品表面，樣品天窗和樣品池之間通過密封隔圈進(jìn)行密封連接，成像相機(jī)用于樣品表面形狀的檢測(cè)和定位掃描。
[0011]激光器發(fā)射激光束經(jīng)過光路調(diào)整聚焦在樣品表面，形成氣溶膠，經(jīng)惰性氣體吹入氣溶膠轉(zhuǎn)接管路與MPT相連；樣品池通過氣溶膠轉(zhuǎn)接口與MPT離子源系統(tǒng)的MPT炬管相連。
[0012]成像定位系統(tǒng)，精確選擇激光聚焦樣品位置，同時(shí)將激光燒蝕后的樣品表面成像。成像相機(jī)通過固定的金屬架工裝于樣品天窗的正上方，不能隨意晃動(dòng)調(diào)節(jié)；二向色鏡通過光學(xué)支架固定在成像相機(jī)的正下方，并且可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)激光的反射調(diào)節(jié)與樣品表面的成像光路。
[0013]樣品處理系統(tǒng)，用于樣品的擺放，以及惰性氣體的流通作為載體將樣品氣溶膠帶入MPT炬管。樣品天窗為激光束提供通路聚焦在樣品表面，同時(shí)與樣品池的密封連接保證樣品池在惰性氣體的環(huán)繞下保護(hù)固體樣品；樣品可以多種形式擺放在樣品架上方，以利于樣品的處理；惰性氣體的進(jìn)氣口和出氣口分別在樣品池的左側(cè)下方和右側(cè)上方，形成穩(wěn)定的氣流帶走形成的樣品氣溶膠，使樣品氣溶膠能快速導(dǎo)入MPT離子源系統(tǒng)。樣品池中充惰性氣體保護(hù)樣品，避免雜質(zhì)的進(jìn)入影響取樣效果。
[0014]位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于樣品的一維/ 二維/三維方向調(diào)節(jié)移動(dòng)，調(diào)節(jié)樣品與激光聚焦之間的距離。通過通訊協(xié)議與上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)樣品調(diào)焦；步進(jìn)電機(jī)、分別控制樣品在X軸和Y軸方向移動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪絲桿調(diào)節(jié)樣品池的上升與下降。XYZ軸三個(gè)方向的移動(dòng)范圍分別為-5 mm ~ 5 mm以內(nèi)；電機(jī)的控制采用485通訊控制，實(shí)時(shí)反饋位置信息。Z軸的移動(dòng)與成像系統(tǒng)相通訊，配合蝸輪絲桿結(jié)構(gòu)便于成像調(diào)焦，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光聚焦燒蝕對(duì)樣品的聚焦。
[0015]氣路轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，固體樣品直接進(jìn)樣裝置與MPT離子源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接接口，使樣品能進(jìn)入MPT炬管。惰性氣體經(jīng)由惰性氣體轉(zhuǎn)接管路進(jìn)入樣品池，將燒蝕后的固體樣品吹入氣溶膠轉(zhuǎn)接管路；氣溶膠轉(zhuǎn)接管路通過特定接口與MPT進(jìn)氣口連接進(jìn)入MPT炬管，進(jìn)而進(jìn)行成分分析檢測(cè)。惰性氣體轉(zhuǎn)接管路控制外接惰性氣體的氣流速度和氣壓，以期匹配氣溶膠形成的量，不影響激光的聚焦和成像系統(tǒng)的功能。氣溶膠轉(zhuǎn)接管路為實(shí)現(xiàn)PU傳輸管路與MPT金屬管的接口轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)非金屬管路與金屬管路的轉(zhuǎn)接。
[0016]整個(gè)成像系統(tǒng)和樣品處理系統(tǒng)均處于惰性氣體的保護(hù)之下，并且實(shí)現(xiàn)保溫層控制，實(shí)現(xiàn)固體樣品的保護(hù)。所述惰性氣體為氦氣或其他惰性氣體。
[0017]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于微波等離子體炬光譜儀的固體樣品直接進(jìn)樣裝置在微波等離子體炬光譜儀的固體樣品的全元素分析中應(yīng)用，尤其在固體樣品的直接取樣進(jìn)行表征分析中的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有的固體樣品處理法相比，有以下優(yōu)點(diǎn):
1.激光聚焦燒蝕是指將峰值功率很高的脈沖激光聚焦在樣品表面，在極短的時(shí)間內(nèi)使樣品表面局部達(dá)到很高的溫度，從而促使樣品表面迅速融化蒸發(fā)，進(jìn)而獲得樣品氣溶膠，通過載氣帶入MPT炬管中進(jìn)行成分元素檢測(cè)分析。這種方法能夠適應(yīng)的樣品種類廣泛，可以對(duì)小樣品微區(qū)微量進(jìn)行分析，相比較濕法處理，激光燒蝕進(jìn)樣更加高效簡便，且不會(huì)帶入多余雜質(zhì)，降低了外界因素干擾。
[0019]2.本發(fā)明裝置設(shè)計(jì)合理，可用于固體樣品的直接處理進(jìn)樣，減少了樣品前處理的步驟，對(duì)樣品的材質(zhì)狀態(tài)要求較低，方便了用戶需求。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明一種用于微波等離子體炬光譜儀的固體樣品直接進(jìn)樣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，15為三維調(diào)節(jié)臺(tái)，16為X軸控制電機(jī)，17為Y軸控制電機(jī)，17為Z軸控制電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。