钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置的制作方法

本发明属于原子光谱分析领域，涉及原子发射光谱激发源技术领域，更具体地，涉及一种可应用于原子发射光谱领域的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置。

背景技术：

大气压辉光放电（atmosphericpressureglowdischarge，apgd）是一种尺度被限制在毫米级甚至更低的等离子体，由于其具有大气压下操作、结构简单、功耗低等优点及具备仪器小型化、便携式的潜力，因此受到了光谱质谱分析领域学者们的广泛关注，越来越多的应用于原子光谱质谱分析研究中。但是，apgd微等离子体区域激发温度较低，对一些激发能较高的重金属元素激发能力不够，导致其对这些元素的灵敏度较低、检出限较高。此外，研究表明水分对apgd的激发能力和稳定性皆有较大影响。因此，希望使用一种能提高微等离子体激发能力又不带入过多水分的进样方法来提高apgd的分析灵敏度、稳定性以及分析应用范围。

电热蒸发（etv）是将微量液体（或固体）试样以脉动方式引入等离子体的一种进样技术。具体来说，是将微升或毫克级试样沉积在金属或石墨材料蒸发器中，通过电阻加热产生的干气溶胶经载气引入等离子体中进行分析。由于样品通过电热蒸发转化成气态形式导入激发单元，因此具有更高的进样效率；其次，试样的去溶、去基质、蒸发和原子化是在独立的电热部件内完成的，因此有效减小了试样中水分和基质对激发单元能量的消耗和稳定性的影响，提高了激发能力，改善了检测灵敏度。钨丝（tungsten，w-coil），作为一种可耐2000℃以上高温的耐高温装置，具有体积小、价格低、功耗低、升温速率快等优点，作为电热蒸发装置广泛应用于原子光谱电热蒸发进样方法中。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的在于提供一种钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置，能够有效去除试样中水分和基质，提高apgd激发能力和稳定性，提高对重金属元素的检测能力。

本发明的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置，包括：

大气压辉光放电装置；

向所述大气压辉光放电装置输入载气以及待分析的样品的钨丝电热蒸发/原子化器；

接收所述大气压辉光放电装置产生的原子发射光谱信号的检测系统；

提供电能的电源系统；

所述大气压辉光放电装置包括：外侧石英管、同轴石英管、束流石英管、阴极不锈钢管和阳极钨管，所述阴极不锈钢管内嵌于所述束流石英管中，所述同轴石英管将内嵌有所述阴极不锈钢管的所述束流石英管与所述阳极钨管固定成为一体，并保持所述阴极不锈钢管与所述阳极钨管同轴，所述同轴石英管与所述束流石英管置于所述外侧石英管内；

所述钨丝电热蒸发/原子化器包括：传输管、钨丝线圈、电源底座、导线和石英罩，所述石英罩具备载气入口、载气出口和进样口，所述载气入口与气体流量控制计和载气瓶相连，所述载气出口通过所述传输管与所述大气压辉光放电装置的所述阴极不锈钢管同轴相连，所述钨丝线圈安装在所述电源底座上并一起置于所述石英罩内，所述电源底座经由所述导线连接至所述电源系统。

根据本发明，能够实现钨丝电热蒸发/原子化器与apgd串联的原子发射光谱分析装置，充分发挥二者的优点。具体地，阴极不锈钢管内嵌于束流石英管中，限制辉光放电的有效体积，提高了放电能量密度。大气压辉光放电装置的同轴嵌套设计保证了大气压辉光装置具有较高的集成度，提高了apgd的放电能量密度，并且通过保证阴极和阳极同轴，允许沿大气压辉光放电装置轴向进行光谱信号的采集。钨丝电热蒸发/原子化器完成对试验的干燥、热解、蒸发/原子化后含分析物的干气溶胶能快速进入apgd中进一步激发，减少了在管路中的冷凝损失。

也可以是，本发明中，所述检测系统包括电脑和与所述电脑相连的光谱仪，所述光谱仪的光纤探头沿所述大气压辉光放电装置的轴向对准所述阳极钨管的一端。

根据本发明，只需对准阳极钨管，无需仔细调节光路，节省了装置调试时间和实验稳定性。

也可以是，本发明中，在所述大气压辉光放电装置与所述光纤探头之间放置有紫外熔融石英平面窗口。

根据本发明，紫外熔融石英平面窗口能隔绝从阳极钨管吹出的高温余辉，起到保护光纤探头的作用。

也可以是，本发明中，所述石英罩为具备载气入口、载气出口和进样口的三通结构，主体为高42-45mm，外径21-22mm，内径18mm的石英管；所述进样口、载气入口、载气出口分别为内径2-6mm、2-3mm、2-3mm的细石英管分别烧制在所述主体的正面距离底部23-25mm处，侧面距离底部8-12mm处和顶部。

根据本发明，装置十分小巧，方便与apgd装置实现联用。

也可以是，本发明中，所述传输管是长度为40mm-60mm的硅胶软管。

根据本发明，传输管是用于连接etv和apgd传输样品，传输管距离越短样品在传输路径上损失的就越少。

也可以是，本发明中，所述载气瓶输送h2-he混合气作为大气压辉光放电的放电介质以及样品传输载气。

根据本发明，采用h2-he混合气在大气压辉光放电装置中的阴极不锈钢管与阳极钨管之间充当放电介质，产生均匀、稳定的微等离子体，并将钨丝电热蒸发/原子化器中的含分析物的干气溶胶送至大气压辉光放电装置中激发。混合气中的h2可以消除钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子光谱装置发射出的原子发射光谱中的部分杂散光，使光谱可用于检测分析。此外h2可形成还原性气氛，减少钨丝线圈在高温蒸发时造成的氧化损耗，提高了使用寿命。

也可以是，本发明中，所述h2-he混合气为3%-10%h2，90-97%he。

根据本发明，在氦气中加入氢气之后能够消除部分由于空气杂质形成的光谱信号，使光谱能够用于实际样品分析。另外氢气能够提供还原性气氛，减少钨丝在高温状态下的氧化，增加了钨丝的使用寿命。

也可以是，本发明中，所述大气压辉光放电装置设置于t型三通阀；还包括将所述大气压辉光放电装置固定于所述t型三通阀中的固定管。

根据本发明，可采用t型三通阀固定大气压辉光放电装置，且使用固定管将大气压辉光放电装置固定在t型三通阀中的目的是使整个装置易于固定在三维平台上保持水平。具体地，apgd的同轴嵌套结构中外侧石英管的外径与三通阀的内径相符可以直接插入其中，但内侧的束流石英管外径小于三通阀的内径，需先插入固定管中才可固定在三通阀内。

也可以是，本发明中，还包括用于密封所述进样口的橡胶管和夹具。

根据本发明，使用这种密封方式比使用密封塞更加方便。

也可以是，本发明中，所述电源系统包括分别对所述大气压辉光放电装置和所述钨丝电热蒸发/原子化器提供电能的两个直流电源。

根据本发明，可以通过两台功率不同的直流电源分别对大气压辉光放电装置和钨丝电热蒸发/原子化器提供电能。

附图说明

图1为本发明一实施形态的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置的整体结构示意图；

图2为作为示例将本发明钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置应用于cd元素的原子发射光谱图；

附图标记：

1-载气瓶2-气体流量控制计3-钨丝线圈4-电源底座5-石英罩6-载气入口7-载气出口8-进样口9-橡胶管10-夹具11-传输管12-t型三通阀13-固定管14-外侧石英管15-同轴石英管16-束流石英管17-阴极不锈钢管18-阳极钨管19-紫外熔融石英平面窗口20-光纤探头21-光谱仪22-电脑23-电源24-电阻25-加热电源26-电阻27-导线。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

图1为本发明一实施形态的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置的整体结构示意图。如图1所示，本实施形态的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置包括：t型三通阀12；设置在t型三通阀12上的大气压辉光放电装置；向大气压辉光放电装置输入载气以及待分析样品并与t型三通阀12连通的钨丝电热蒸发/原子化器；接收大气压辉光放电装置产生的原子发射光谱信号的检测系统；为钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置提供电能的电源系统。

如图1所示，本实施形态的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置中，大气压辉光放电装置包括外侧石英管14、束流石英管16、同轴石英管15、以及阴极不锈钢管17和阳极钨管18。该阳极钨管18为阳极空心钨管。

具体地，上述大气压辉光放电装置中，将阴极不锈钢管17内嵌于尺寸相匹配的束流石英管16中，阴极不锈钢管17外壁同束流石英管16内壁贴合。借助于此，阴极不锈钢管内嵌于尺寸相匹配的束流石英管中，限制辉光放电的有效体积，提高了放电能量密度。

并且，上述大气压辉光放电装置采用同轴石英管15将内嵌有阴极不锈钢管17的束流石英管16与阳极钨管18固定成为一体，并保持阴极不锈钢管17和阳极钨管18同轴。并将内嵌有阴极不锈钢管17和阳极钨管18的已固定好的同轴石英管-束流石英管置于外侧石英管14内。

本发明中，大气压辉光放电装置的同轴嵌套设计保证了大气压辉光装置具有较高的集成度，提高了apgd的放电能量密度，并且通过保证阴极和阳极同轴，允许沿大气压辉光放电装置轴向进行光谱信号的采集。

另外，本实施形态的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置中，还包括将大气压辉光放电装置固定于t型三通阀12中的固定管13。具体固定方法例如可以为束流石英管一端插入固定管中，固定管再放在t型三通阀内的右边一通内。外侧石英管是插在t型三通阀的左边一通内。采用t型三通阀的原因是还可以从t型三通阀的顶部一通通入一路冷却气，但在本实施形态中无需使用，只起到固定大气压辉光放电装置的目的。优选地，该t型三通阀12为不锈钢t型三通阀。该固定管13例如可以采用聚四氟乙烯制成。

还如图1所示，本实施形态的钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置中，上述钨丝电热蒸发/原子化器包括传输管11、钨丝线圈3、电源底座4、导线27和石英罩5，石英罩5具备载气入口6、载气出口7和进样口8，载气入口6与气体流量控制计2和载气瓶1相连。该载气瓶1例如可以是载气钢瓶。电源底座4经由导线27连接至电源系统。

具体地，上述钨丝线圈3安装在电源底座4上并一起插入石英罩5内。

优选地，本实施形态的钨丝电热蒸发/原子化器中，石英罩5为三通结构，主体为高45mm，外径21mm，内径18mm的石英管。所述进样口、载气入口、载气出口分别为内径6mm、3mm、2mm的细石英管分别烧制在主体石英管的正面距离底部25mm处，侧面距离底部10mm处和顶部。图1所示实施形态中，石英罩5的靠电源底座4的一端为底部，与电源底座4相反的一端为顶部。

优选地，还包括用于密封进样口8的橡胶管9和夹具10。该夹具10例如可以是长尾夹。

此外，本实施形态的钨丝电热蒸发/原子化器的载气出口7通过传输管11与大气压辉光放电装置的阴极不锈钢管17相连，传输管11可以是长度为40mm-60mm的硅胶软管。

借助于此，钨丝电热蒸发/原子化器完成对试验的干燥、热解、蒸发/原子化后含分析物的干气溶胶能快速进入apgd中进一步激发，减少了在管路中的冷凝损失。

优选地，本实施形态中钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置使用h2-he（例如3%h2，97%he）混合气作为大气压辉光放电的放电介质以及样品传输载气。

借助于此，h2-he混合气在大气压辉光放电装置中的阴极不锈钢管与阳极钨管之间充当放电介质，产生均匀、稳定的微等离子体，并将钨丝电热蒸发/原子化器中的含分析物的干气溶胶送至大气压辉光放电装置中激发。混合气中的h2可以消除钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子光谱装置发射出的原子发射光谱中的部分杂散光，使光谱可用于检测分析。此外h2可形成还原性气氛，减少钨丝线圈在高温蒸发时造成的氧化损耗，提高了使用寿命。

还如图1所示，为钨丝电热蒸发-大气压辉光放电原子发射光谱装置提供电能的电源系统，可由两台功率不同的直流电源分别对大气压辉光放电装置和钨丝电热蒸发/原子化器提供电能。例如图1所示的对大气压辉光放电装置供电的高压电源23和对钨丝电热蒸发/原子化器供电的加热电源25。并在大气压辉光放电装置中串接例如10kω，225w的电阻24、在钨丝电热蒸发/原子化器中串接例如2.5ω，1000w的电阻26。

借助于此，串接电阻一方面避免apgd产生微等离子体的过程中转变为电弧，另一方面提高了apgd微等离子体的稳定性。此外，由于钨丝线圈的电阻极小，大功率电阻能防止短路，起到保护直流电源的作用。

另外，大气压辉光放电装置产生的原子发射光谱信号的检测系统，通过将与电脑22相连的光谱仪21的光纤探头20沿大气压辉光放电装置轴向放置，并在大气压辉光放电装置与光纤探头20之间放置紫外熔融石英平面窗口19。

借助于此，紫外熔融石英平面窗口19能隔绝从阳极钨管18吹出的高温余辉，起到保护光纤探头20的作用。

本发明的操作流程示例如下：

1）通过进样口8向钨丝线圈3上滴加10μl样品，将套在进样口上的橡胶管9对折后用长尾夹10夹好密封。

2）打开载气钢瓶1和气体流量控制计2，通入载气，控制外接在钨丝电热蒸发/原子化器的加热电源25进行程序升温，开始进行对试样的干燥、基质去除、冷却、预热、蒸发/原子化。具体地，这些步骤可通过操作在电脑上的配套程序而实现，例如设置好加热电源的电流大小和该电流下的保持时间，加热钨丝后完成。

3）在步骤（2）中的冷却阶段打开外接在大气压辉光放电装置的高压电源23，通过导电金属丝完成点火产生均匀稳定的微等离子体。导电金属丝是单独使用的一个部件，仅在点火时候才用得上，例如可以是一次性医用注射器。点火的原理和过程是在阴极不锈钢管和阳极钨管内通入载气和导电之后，需要电极接触之后才能形成回路。但每次进样时移动电极会导致误差增大，因此固定电极，使用注射器针头从阳极口伸入，此时针头也就带正电，在接近到阴极时就会产生放电，此时再将针头从阳极口退出，将放电延伸至阳极管上即完成点火过程。因此，注射器针头也可用其他能导电的金属丝状材料代替。

4）通过步骤（2）中的预热，蒸发/原子化过程之后，钨丝线圈3上的试样变成干气溶胶形式通过载气传输至大气压辉光放电装置中进行激发，产生特征原子发射光谱，透过紫外熔融石英平面窗口19被光纤探头20接收，由光谱仪21进行检测。

5）信号收集结束后再次加热钨丝线圈3进行清洁，冷却后可进行下一次进样。

图2为使用上述装置检测到的镉元素的多个波长下的净信号强度。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。