CN1995979A - 水体金属污染物激光击穿光谱探测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水体金属污染物激光击穿光谱探测方法与系统，利用短脉冲激光聚焦后作用在水样表面产生高温等离子体，在等离子体冷却前，被激发的原子、离子及分子将产生元素成分特征的等离子体发射谱线，通过接收水样的等离子体光谱并对特定元素谱线强度进行分析以进行元素含量的定量测量。激光器发出的激光经激光耦合透镜耦合至发射光纤，由激光耦合透镜组进行激光发射与激光等离子体信号的接收，接收到的等离子体信号经接收光纤传输至光谱仪进行分光，由CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集与处理系统进行数据采集处理。本发明实现了水体中金属元素的多元素实时、原位探测，适用于恶劣环境条件下工业废水中有毒重金属元素的多元素定量分析，可用于我国环境水体中重金属及有毒金属污染物多元素实时、在线测量，定点监测，及现场应急监测。
Description
技术领域
本发明属于环境水体污染监测技术，具体是水体金属污染物激光光谱探测方法与系统。
背景技术
水体中的重金属及有毒金属污染物是一类易于在沉积物中累积的典型污染物，可以在生物体内富集，影响生态环境并通过食物链影响着人类健康。目前我国环境水体中的金属污染物仍以现场采样、实验室分析为主，且一次分析元素项目有限，不能实时、原位的分析出污染水体中金属元素及金属污染物的含量，更不能实现污染水体的自动连续监测；在条件恶劣的环境中，由于无法进行现场采样，对金属元素含量的实时监测就更加困难，甚至无法实现。
对水体金属污染物(包括镉、铬、铅、汞、银、金、铜、锌、铁等)的监测中，多以原子吸收法、原子吸收光度法等进行水体中重金属元素含量的测定，其分析程序复杂、耗时；样品的采集、储存、运输及测定都有严格的要求，在任何一个环节上出现差错都能造成测量结果的偏离，且易形成样品的二次污染，为必要的环境水体质量监测管理带来虚假的信息。在有机金属化合物(如有机汞、有机镉等)的监测方面，目前仍无有效的监测手段，因此，发展快速、实时的监测技术与系统势在必行。
发明内容
针对我国水体污染现状、国际上水体污染监测技术的发展方向以及国家对水体污染监测的急迫需求，本发明提出了用于环境水体中重金属及有毒金属污染物多参数综合指标实时、在线、原位的自动监测及便携式现场应急监测的方法与系统。该方法不需采样，直接进行污染现场的实时原位测量，能够实现自然水体中微量金属元素的实时、原位及在线监测，以及恶劣环境条件下工业废水中有毒重金属元素的多元素定量测量。
本发明的技术方案如下：
水体金属污染物激光击穿光谱探测方法，其特征在于由激光器发出的短脉冲激光聚焦并作用在水样表面，产生高温等离子体，在等离子体冷却前，被激发的原子、离子及分子将产生元素成分特征的等离子体发射谱线，经过导光器件传输到光谱仪分光后，由CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集、处理系统进行数据采集处理，对特定元素谱线强度进行分析以进行元素含量的定量测量。
上述方法，其特征在于所述的由激光器发出的短脉冲激光经激光耦合透镜耦合至发射光纤，再由发射光纤至激光耦合透镜组，最后聚焦并作用在水样表面；所述的导光器件由前述的激光耦合透镜组/另一激光耦合透镜组及接收光纤组成，被激发的原子、离子及分子将产生元素成分特征的等离子体发射谱线，通过前述的激光耦合透镜组/另一激光耦合透镜组、接收光纤，传输到光谱仪；所述的激光耦合透镜由排在一体的凸镜与凹镜、一个凹镜组成，激光耦合透镜组由一个激光耦合透镜和一个凸镜组成。
水体金属污染物激光击穿光谱探测系统，包括有激光器，其特征在于激光器输出端安装有激光耦合透镜，激光耦合透镜输出端和激光耦合透镜组的入光端之间通过发射光纤连接；光谱仪的入光端连接有接收光纤，光谱仪分光输出端安装有CCD探测器，接收光纤的另一端接入前述激光耦合透镜/另一激光耦合透镜的入光端；CCD探测器的信号输出端接入数据采集、处理系统，电源及计算机控制系统提供激光器及探测器的电源并且和探测器和数据采集、处理系统建立数据通讯；所述的激光耦合透镜由排在一体的凸镜与凹镜、一个凹镜组成，激光耦合透镜组由一个激光耦合透镜和一个凸镜组成。
本发明采用光纤进行激光发射与等离子体信号接收的传输，有效地避免了外界环境对信号的影响以及大大减小了系统体积，使系统结构紧凑、便于携带，适于对自然水体中微量金属元素的实时、原位及在线监测，以及恶劣环境条件下工业废水中有毒重金属元素的多元素定量测量。可用于污染源排放在线监测及污染事故的现场应急监测。
与传统的水体中重金属及有毒金属污染物检测的原子发射光谱、分光光度法、滴定法等相比，本发明的特点简述如下：
(1)分析简便、快速，无需烦琐的样品预处理，避免了样品的二次污染；
(2)对样品尺寸无严格要求，且样品消耗量极低，且同时进行多元素测定；
(3)通过光导纤维进行远程监测，以及恶劣条件下自动监测。
(4)可用于企业排污口的定点、在线监测，人们生活用水中重金属及有毒金属污染物含量的实时监测，以及污染事故现场应急监测。
附图说明
图1为本发明系统结构之一示意图。
图2为本发明系统结构之二示意图。
图3为本发明激光耦合透镜组结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，水体金属污染物激光击穿光谱探测系统，激光器输出端安装有激光耦合透镜，激光耦合透镜输出端和激光耦合透镜组的入光端之间通过发射光纤连接；光谱仪的入光端连接有接收光纤，光谱仪分光输出端安装有CCD探测器，接收光纤的另一端接入另一激光耦合透镜的入光端；CCD探测器的信号输出端接入数据采集、处理系统，电源及计算机控制系统提供激光器及探测器的电源并且和探测器和数据采集、处理系统建立数据通讯。
如图2所示，水体金属污染物激光击穿光谱探测系统，激光器输出端安装有激光耦合透镜，激光耦合透镜输出端和激光耦合透镜组的入光端之间通过发射光纤连接；光谱仪的入光端连接有接收光纤，光谱仪分光输出端安装有CCD探测器，接收光纤的另一端接入前述激光耦合透镜入光端，接收光纤与入射光纤采用“Y”形光纤制作；CCD探测器的信号输出端接入数据采集、处理系统，电源及计算机控制系统提供激光器及探测器的电源并且和探测器和数据采集、处理系统建立数据通讯。
如图3所示，激光耦合透镜由排在一体的凸镜与凹镜、一个凹镜组成。
激光耦合透镜组由一个激光耦合透镜和一个凸镜组成。
表1水体金属污染物激光击穿光谱探测系统性能指标
| 发射单元 | 探测单元 | ||
| 脉冲光源 | 计算机 | 探测器 | CCD |
| 波长 | 1064nm | 计算机 | IBM PC |
| 重复频率 | 20Hz | 测量指标 | |
| 脉冲能量 | 200mJ | 测量元素 | 探测限(ppm) |
| 脉冲宽度 | 4.5ns | Cd | 2.0 |
| 发散角 | ＜0.6mrad | Cu | 0.1 |
| 接收单元 | Hg | 15.0 | |
| 光纤 | 一束分为四束 | Xn | 2.0 |
| 输入直径 | 25mm | Pb | 15.0 |
| 输出直径 | 10mm | Cr | 0.5 |
| 光谱仪 | OMA系统 |
本发明利用短脉冲激光聚焦后作用在水样表面产生高温等离子体，在等离子体冷却前，被激发的原子、离子及分子将产生元素成分特征的等离子体发射谱线，通过接收水样的等离子体光谱并对特定元素谱线强度进行分析以进行元素含量的定量测量。激光器发出的激光经激光耦合透镜耦合至发射光纤，由激光耦合透镜组进行激光发射与激光等离子体信号的接收，接收到的等离子体信号经接收光纤传输至光谱仪进行分光，由CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集与处理系统进行数据采集处理，电源及计算机控制系统提供激光器及探测器的电源以及探测控制的逻辑时序及触发信号。
Claims (3)
1、水体金属污染物激光击穿光谱探测方法，其特征在于由激光器发出的短脉冲激光聚焦并作用在水样表面，产生高温等离子体，在等离子体冷却前，被激发的原子、离子及分子将产生元素成分特征的等离子体发射谱线，经过导光器件传输到光谱仪分光后，由CCD探测器进行光电信号的转换，然后进入数据采集、处理系统进行数据采集处理，对特定元素谱线强度进行分析以进行元素含量的定量测量。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的由激光器发出的短脉冲激光经激光耦合透镜耦合至发射光纤，再由发射光纤至激光耦合透镜组，最后聚焦并作用在水样表面；所述的导光器件由前述的激光耦合透镜组/另一激光耦合透镜组及接收光纤组成，被激发的原子、离子及分子将产生元素成分特征的等离子体发射谱线，通过前述的激光耦合透镜组/另一激光耦合透镜组、接收光纤，传输到光谱仪；所述的激光耦合透镜由排在一体的凸镜与凹镜、一个凹镜组成，激光耦合透镜组由一个激光耦合透镜和一个凸镜组成。
3、水体金属污染物激光击穿光谱探测系统，包括有激光器，其特征在于激光器输出端安装有激光耦合透镜，激光耦合透镜输出端和激光耦合透镜组的入光端之间通过发射光纤连接；光谱仪的入光端连接有接收光纤，光谱仪分光输出端安装有CCD探测器，接收光纤的另一端接入前述激光耦合透镜/另一激光耦合透镜的入光端；CCD探测器的信号输出端接入数据采集、处理系统，电源及计算机控制系统提供激光器及探测器的电源并且和探测器和数据采集、处理系统建立数据通讯；所述的激光耦合透镜由排在一体的凸镜与凹镜、一个凹镜组成，激光耦合透镜组由一个激光耦合透镜和一个凸镜组成。
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