介质阻挡放电固体微区装置的研制及其应用

发布时间：2020-09-19 17:45

　　 固体微区分析技术能够快速、高效、大信息量地提供有关元素在固体样品中的分布状况,已在各领域内发挥着十分重要的作用。介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)具有结构简单、易操作、能耗低、可产生大量活性粒子等特点,当DBD微等离子体射流与固体样品表面作用时,高能的活性粒子与固体样品表面的物质发生电荷转移、解离、氧化还原等一系列物理化学反应,同时高速气流的冲击作用下使固体样品表面元素颗粒被剥离出,这些元素颗粒可由载气载带入分析仪器中进行检测。基于这一新原理,本文建立了一种介质阻挡放电-电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS)固体微区分析新方法,研制了一套自动化控制DBD固体样品微区分析装置,开展了装置的性能评价研究,并成功将其应用于印章印迹、陶瓷铅釉和叠层石等实际样品表面的元素成像分析。1、研制了一套DBD固体样品微区分析装置。本次研制的DBD固体样品微区分析装置主要由DBD探针系统、电驱动移动平台系统、样品池、传输管路以及控制系统五部分组成,可对样品分析位点的可视化精准定位,实现样品表面制定微区的定点分析、任意路径分析和区域扫描分析。装置研制过程中对各装置部件的结构、材质、尺寸、精度等方面充分地进行了研究。在对装置各部件拆分研究的基础上,把握整机结构,经三套装置样机的调试和改进,最终研制成了具有先进功能、简单易操作、可用于固体样品微区成像分析的自动化控制DBD固体样品微区分析装置一体机。2、开展了装置的性能评价研究,研究了DBD微等离子体的特性,探究了装置在定量分析、深度分析和成像分析应用的可行性。利用单色仪对He、Ar和N_2微等离子体的发射光谱进行测定,结果发现He微等离子体发射光谱图中主要存在He原子谱线和N_2~+分子离子谱线,其中N_2~+分子离子谱线是由高能He亚稳态原子与杂质N_2分子之间发生彭宁电离产生的。N_2和Ar微等离子体的产生均是由丝状放电引起的。此外,增大放电功率,可显著提高He微等离子体中N_2~+粒子浓度,同时增加了DBD微等离子体的剥蚀效率。放电气流速和DBD探针内径均对DBD微等离子体射流的形状有影响,而采样距离和采样时间与DBD微等离子体作用在样品表面剥蚀坑的形貌有直接关系。将装置与ICP-MS联用后,建立了ABS塑料样品上Cr、Hg和Pb元素直接定量分析方法;三种元素标准曲线线性相关性R值均大于0.99,方法检出限分别为252μg/g、24μg/g、167μg/g。DBD-ICP-MS联用技术还可完成电路板金手指上金属镀层的深度分析,以及鼠脑组织切片中Na、Ca和I等元素的成像分析。以上结果证实了DBD固体样品微区分析装置在固体样品定量分析、深度分析和成像分析应用上的可行性,为后续的应用研究打下工作基础。3、完成了DBD-ICP-MS联用系统对印章印迹、陶瓷铅釉和叠层石等实际样品元素成像分析的应用研究。在参数优化的基础上,开展了DBD微等离子体对不同纸张介质剥蚀能力的研究,考察了陶瓷铅釉样品分析时的位置效应,探究了DBD-ICP-MS对叠层石样品元素成像分析的分辨率。最终利用DBD-ICP-MS联用技术实现了篆刻人名章朱砂印泥印迹的Hg元素成像分析,陶瓷铅釉样品~(206)Pb、~(207) Pb和~(208) Pb元素的成像分析;以及叠层石~(27)Al、~(29)Si、~(39)K、~(44)Ca、~(55)Mn、~(57)Fe等元素的成像分析。在对陶瓷铅釉成像分析的研究中发现,DBD微等离子体的剥蚀痕迹不明显,而LA剥蚀痕迹特别明显,说明DBD微等离子体对样品损伤较小,适合于书画、文物等样品的分析。在对叠层石元素成像分析研究中发现,Al、Si、K、Ca、Mn和Fe等元素在黄色岩层中的富集度较高,这些元素与黄色岩层的成因有关;DBD-ICP-MS联用技术对叠层石样品成像分辨率小于200μm。本文建立的DBD-ICP-MS分析技术可在常压下进行测试分析,操作简单、能耗低、大大降低了运行成本,是对现有固体微区分析技术的有益补充。DBD-ICP-MS微区分析方法有望成为一种新的固体样品直接分析手段,同时为元素分析提供了另外一种有效方法,拓展了固体样品分析的应用领域。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P575
【部分图文】：

图1.1两种引入水蒸汽或乙醇蒸汽的LA-ICP-MS系统装置示意图

图 1.2 鸡胸肉组织切片 Fe 元素成像[32]线荧光光谱法F 是根据经 X 光照射后样品所发出的特征荧光的波长与强度进行方法。近些年来，XRF 技术取得了快速的发展[33, 34]。Agostino 和台手持式 XRF 分析仪（图 1.3），能够对玻璃容器中 Pb 和其他快速的定量分析。Higueras 等[36]对大规模使用手持式 XRF 分析

图 1.3 手持式 XRF 分析仪[35]heng 等[37]利用 XRF 技术对人脑中铁元素含量分布情况进行了成像分振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）相比，XRF 体外元素成像偏低，但总体与 NMR 检测结果一致。Ren 等[38]利用三维 XRF 成像早期诊断和治疗的可行性进行了研究。微型 XRF 技术非常适合于样Nakano 等[39]建立了一种新型共焦微型 XRF 系统，成功完成了法医样分析和测绘图像（图 1.4）。但由于 XRF 的元素测定灵敏度有限，无素的分析工作。

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本文编号：2822821