专利名称：一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法及装置。
技术背景
近年来，在考古、临床、生物化学、有色金属、材料化学、冶金、环境检测及食品安全等等多个领域，对固体样品中针对元素进行微区、成像以及深度的分析已经成为国内外研究的热点问题。对于等离子体发射光谱、等离子体质谱、原子吸收或者原子荧光光谱仪，最早分析固体样品时均有复杂的前处理过程，比如酸溶法、熔融法、微波消解法等，存在前处理时间长，挥发性元素损失、样品二次污染、污染环境、消解不完全的可能，且所有固体样品必须破坏，无法实现元素微区、成像以及深度的分析。目前发展的固体样品直接分析方法主要有激光烧蚀和辉光放电等。激光烧蚀进样装置通常光路复杂，维护复杂，成本高，不易实现小型化。而辉光放电需要一定的真空度，因此必须同时配备真空设备和除水装置，导致了仪器设计复杂化，而且辉光放电电极与样品直接接触，必须定时清洗才能得到良好的重现性。
介质阻挡放电的结构特点是至少存在一层绝缘性的阻挡介质和小的放电通道。当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在大气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。该放电现象为蓝紫色，均勻、散漫而稳定，实际上是由大量细微的快速脉冲放电通道构成的。目前，还未有将介质阻挡放电用于固体物质的溅射/剥蚀直接进行元素分析的装置的报道，其在电感耦合等离子体光谱、电感耦合等离子质谱、原子吸收及原子荧光等分析方法方面具有广阔的应用前景。发明内容
本发明的目的是提供一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法及装置。
本发明提供的一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法，包括如下步骤
工作气体在交流电场的作用下进行介质阻挡放电产生等离子体射流；所述等离子体射流聚于待测固体样品上即可对所述待测固体样品中的元素进行剥蚀。
上述的方法中，所述工作气体具体可为氦气、氩气、氖气、氮气、氢气和氧气中至少一种。
上述的方法中，所述工作气体的流速可为100 600mL/min，具体可为100mL/min 或 400mL/mino
上述的方法中，所述交流电场的放电功率可为Iw 100w，具体可为5w或16w。
本发明提供的方法中，待测固体样品中的元素可为元素周期表中除了 H、C、N、0、F 等难电离的元素以外的金属元素和部分非金属元素，如钠、镁、铝、硅、钾、钙、铬、铁、钛、钴、 镍、铜、锰、锌、砷、硒、碘、钨、锡、银、碲、金、汞、铅、铋等。
本发明还提供了一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀装置，包括样品室和毛细管，所述样品室包括样品室腔体和与该样品室腔体相配合的样品室盖体；所述毛细管固设于所述样品室盖体上且一端延伸至所述样品室腔体内；所述毛细管设于所述样品室腔体外的部分上贴附有两个电极，所述两个电极之间设有间距，所述两个电极均与交流电源相连接；所述样品室腔体的侧壁上的相对位置处分别设有辅助气体进口和出气口 ；所述样品室和毛细管的材质均为绝缘介质。
上述的装置中，所述毛细管的内径可为IOOnm 5mm，所述两个电极之间的距离可为2cm 8cm，形成放电通道，通入至该毛细管内的载气后，接通所述交流电源，可形成蓝紫色等离子体射流。
上述的装置中，所述样品室盖体的材质可为石英玻璃、硅氧玻璃、有机玻璃等透明材质，可随时在实验过程中观察所述样品室腔体内的样品剥蚀情况。
上述的装置中，所述毛细管与样品室盖体之间可通过真空硅脂、橡皮泥、玻璃胶或密封圈进行密封配合。
上述的装置中，所述样品室的底部与其侧壁之间可为旋转配合，该底部与电动转动平台相连接，通过所述电动转动平台可控制样品剥蚀的起始位置，两者结合起来可进行点、线或面的点阵或连续工作模式。
上述的装置中，所述绝缘介质具体可为石英玻璃、有机玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯塑料等。
使用上述装置时，可将出气口通过惰性气体导管与原子荧光光谱仪、电感耦合等离子体光谱或质谱仪相连，辅助气体进口用于输入辅助载气，提升剥蚀颗粒的传输效率；可应用计算机软件控制所述交流电源开关和输出电压大�。佣刂蒲钒吹目粲虢崾ü缍教ǹ刂蒲钒吹钠鹗嘉恢茫秸呓岷掀鹄纯山械恪⑾呋蛎娴牡阏蠡蛄ぷ髂Ｊ剑豢刂瓢词奔洳⑻峁┩酱シ⑿藕趴墒迪衷佑夤馄滓�、电感耦合等离子体发射光谱或质谱仪数据采集与样品剥蚀的同步。
本发明提供的一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法及装置，可以在不破坏样品表面形貌的前提下，通过放电产生的微等离子体进而剥蚀出样品元素气溶胶同时引入分析仪器的原子化器进行元素分析，放电通道可以达到纳米级，并可以对样品进行类似层状的原子层或分子层的剥蚀，为元素微区、成像以及深度的分析提供了新的可行方法；另一方面，此方法减小了由样品前处理过程引入的基体干扰，提高分析仪器的信噪比，降低了仪器检出限；同激光烧蚀和辉光放电相比，介质阻挡放电无需搭建复杂的光学系统和无需真空设备和除水过程，可在大气压下实现，体积�。爸眉虻ヒ撞僮鳎秃哪埽推逦露龋壤胱犹宸⑸涔馄�、等离子体质谱、原子吸收或者原子荧光光谱仪的小型化、便携式提供了有力的研究基础。
图1为本发明提供的基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀装置的结构示意图。
图2为实施例2中测定合金样品的半定量分析图谱。
图3为实施例3中测定大气颗粒物膜样品中！^元素图谱。
图1中各标记如下1毛细管、2样品室腔体、3样品室盖体、4电极、5交流电源、6 辅助气体进口、7出气口、8底部、9电动转动平台。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀装置
本实施例提供的基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀装置包括圆柱体形的样品室和毛细管1，样品室的材质为有机玻璃，毛细管1的材质为石英玻璃，其内径为20μπι ；样品室包括样品室腔体2和与之配合的样品室盖体3，样品室盖体3的材质为有机玻璃，可随时在实验过程中观察样品室腔体2中的样品剥蚀情况；毛细管1固设于样品室盖体3上，两者之间通过真空硅脂密封配合；毛细管1的一端延伸至样品室腔体2内，毛细管1位于样品室腔体2外的部分上设有两个电极4，两个电极4之间的距离为5cm，即形成5cm长的放电通道；两个电极4均与交流电源5相连接，当开启所述交流电源5后，通入至放电通道内的载气可在高压下产生等离子体射流；样品室的侧壁的两个相对位置处分别设有辅助气体进口 6和出气口 7，出气口 7可通过惰性气体导管与原子荧光光谱仪、电感耦合等离子体光谱或质谱仪相连接，辅助气体进口 6用于输入辅助载气，可提升剥蚀颗粒的传输效率；样品室的底部8与其侧壁之间为旋转配合，该底部8与电动转动平台9相连接，通过电动转动平台9 可控制样品剥蚀的起始位置，两者结合起来可进行点、线或面的点阵或连续工作模式。
上述的装置中，毛细管1和样品室的材质还可选择为陶瓷或硅氧玻璃和聚四氟乙烯塑料；毛细管1的内径可在IOOnm 5mm的范围内进行调整，两个电极4之间形成的放电通道的长度可在2cm 8cm的范围内进行调整；毛细管1与样品室盖体3之间还可通过真空硅脂、橡皮泥或玻璃胶等进行密封配合。
实施例2、实施例1中的装置与ICP-MS仪配合对合金样品进行分析
将放电气体氩气从毛细管1的开口端通入，控制其流速为400mL/min，开启交流电源5，放电功率为16w，载气在交流电源5的电场的作用下产生等离子体射流；产生的等离子体射流进入至样品室腔体2内后聚于合金标准样品的特定位置，即可剥蚀该合金样品中的元素形成气溶胶，通过旋转电动旋转平台9可对整个合金样品进行剥蚀，形成的气溶胶在从辅助气体进口 6通入的辅助气体的作用下从出气口 7进入至与该装置相连接的ICP-MS 仪中进行分析；按照上述步骤对一系列合金标准样品进行分析，得到的合金样品的半定量分析图谱如图2所示，由该图可知，此装置可以准确的测定合金标准样品中的无机元素。
上述实施例中，ICP-MS仪的测试条件为RF功率1200W，冷却气流量13900mL/min， 辅助气流量750mL/min，分析室真空8. 4X 10_8mbar，采集数据模式continuous停留时间 40s，样品分析时间为50 IOOs0
实施例3、实施例1中的装置与ICP-MS仪配合对大气颗粒物包膜样品中Fe的分析
将放电气体氦气从毛细管1的开口端通入，控制其流速为lOOmL/min，开启交流电源5，放电功率为5w，载气在交流电源5的电场的作用下产生等离子体射流；产生的等离子体射流进入至样品室腔体2内后聚于大气颗粒物薄膜样品的特定位置，即可剥蚀该样品中的元素形成气溶胶，通过旋转电动旋转平台9可对整个薄膜样品进行剥蚀，形成的气溶胶在从辅助气体进口 6通入的辅助气体的作用下从出气口 7进入至与该装置相连接的ICP-MS 仪中进行分析，得到的大气颗粒物薄膜样品中的狗元素分析图谱如图3所示，由该图可知， 此装置可以准确的测定薄膜样品中的无机元素狗。
上述实施例中，ICP-MS仪的测试条件为RF功率1200W，冷却气流量13900mL/min， 辅助气流量750mL/min，分析室真空8. 4X 10_8mbar，采集数据模式continuous停留时间 40s，样品分析时间为50-100s。
权利要求
1.一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法，包括如下步骤工作气体在交流电场的作用下进行介质阻挡放电产生等离子体射流；所述等离子体射流聚于待测固体样品上即可对所述待测固体样品中的元素进行剥蚀。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述工作气体为氦气、氩气、氖气、氮气、 氢气和氧气中至少一种；所述工作气体的流速为100mL/min 600mL/min。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述交流电源的放电功率为Iw IOOw0
4.一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀装置，其特征在于所述装置包括样品室和毛细管，所述样品室包括样品室腔体和与该样品室腔体相配合的样品室盖体；所述毛细管固设于所述样品室盖体上且一端延伸至所述样品室腔体内；所述毛细管设于所述样品室腔体外的部分上贴附有两个电极，所述两个电极之间设有间距，所述两个电极均与交流电源相连接；所述样品室腔体的侧壁上的相对位置处分别设有辅助气体进口和出气口 ；所述样品室和毛细管的材质均为绝缘介质。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述毛细管的内径为IOOnm 5mm，所述两个电极之间的距离为2cm 8cm。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于所述样品室盖体的材质为石英玻璃、 硅氧玻璃或有机玻璃。
7.根据权利要求4-6中任一所述的装置，其特征在于所述毛细管与样品室盖体之间通过真空硅脂、橡皮泥、玻璃胶或密封圈进行密封配合。
8.根据权利要求4-7中任一所述的装置，其特征在于所述样品室的底部与其侧壁之间可为旋转配合，该底部与电动转动平台相连接。
9.根据权利要求4-8中任一所述的装置，其特征在于所述绝缘介质为石英玻璃、有机玻璃、陶瓷或聚四氟乙烯塑料。
全文摘要
本发明公开了一种基于介质阻挡放电的固体样品剥蚀方法及装置。该方法包括如下步骤工作气体在交流电场的作用下进行介质阻挡放电产生等离子体射流；所述等离子体射流聚于待测固体样品上即可对所述待测固体样品中的元素进行剥蚀。所述装置包括样品室和毛细管，所述样品室包括样品室腔体和与该样品室腔体相配合的样品室盖体；所述毛细管固设于所述样品室盖体上且一端延伸至所述样品室腔体内；所述毛细管设于所述样品室腔体外的部分上贴附有两个电极，所述两个电极之间设有间距，所述两个电极均与交流电源相连接；所述样品室腔体的侧壁上的相对位置处分别设有辅助气体进口和出气口。本发明为等离子体发射光谱、等离子体质谱、原子吸收或者原子荧光光谱仪的小型化、便携式提供了有力的研究基础。
文档编号G01N21/62GK102519917SQ20111041534
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者张四纯, 张新荣, 杨萌, 邢志 申请人:清华大学
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