原子等离子体仪

p　　strong仪器信息网讯/strong 2018年9月20日-23日，由中国仪器仪表学会分析仪器分会原子光谱专业委员会主办，厦门大学承办、华侨大学协办的“第五届全国原子光谱及相关技术学术会议”在 “海上丝绸之路起点”的福建泉州召开。此次会议是我国原子光谱及相关技术领域的一次学术盛会，300多名科技人员与会交流。/pp　　9月21日，“第五届全国原子光谱及相关技术学术会议”的第二天，会议分三个分会场进行。其中一个分会场的多个报告内容都聚焦于了原子光谱仪器设备的创新研制。/pp　　原子光谱，如AFS、AAS、ICP-OES、ICP-MS等，具有高选择性、高灵敏度成为特点，已经成为评价一家实验室检测能力的标志。不过，由于环境污染、食品安全、突发应急事件等的频繁发生，以及日常监测等领域，对现场、实时、在线等分析仪器的需求大幅上涨。其中可用于现场快速检测的小型化仪器，还具有体积小、功耗低、便携、可野外分析等优点，是节约/环保型社会的必然需求。/pp　　仪器小型化是原子光谱发展方向之一。今天的分会场中，众多原子光谱专家介绍了其在研制新型便携式、小型化原子光谱仪器方面的最新进展。让人影响深刻的是，此次报告的内容多围绕着“微等离子体”而展开。/pp　　微等离子体是被限制在一个有限的空间范围内(尺度为毫米量级甚至更低)的等离子体，兼具了常规等离子体的一些特性，但由于放电尺寸缩小到毫米量级甚至更低，使得微等离子体通常能够在大气压条件下运行。此外，微等离子体还具有功耗低、室温操作、样品/耗气量小、体积小、结构简单、易于操作、低成本等优点。这些优点使得微等离子体在发展便携式、小型化仪器方面有得天独厚的优势。当然，微等离子体用于原子光谱分析也存在着一定的不足之处，如功耗低则激发能力低，易受样品中水分与基体的影响，可测元素数目有限等。即，微等离子体用于原子光谱分析主要需要解决激发能力和样品引入的问题。/pp　　今天报告中涉及的微等离子体主要为尖端放电微等离子体(PD)、辉光放电微等离子体(GD)、介质阻挡微等离子体(DBD)等。作报告的专家学者也主要集中在四川大学侯贤灯、中科院上海硅酸盐研究所汪正、东北大学王建华、中国地质大学(武汉)胡圣虹等团队。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/071ae6b1-eabe-4dc5-89c5-29024e366c43.jpg" title="IMG_8340.jpg" alt="IMG_8340.jpg"//pp style="text-align: center "四川大学教授 侯贤灯/pp style="text-align: center "报告题目：基于尖端放电微等离子体的发射光谱分析/pp　　尖端放电微等离子体具有曲率半径小、放电集中、易于驱动、放电性质可调节特点。侯贤灯将光化学蒸汽发生(PVG)、氢化物发生(HG)两种化学蒸汽发生(CVG)进样方式与尖端放电相结合，降低了样品中水分与基体对微等离子体的影响，提高了进样效率、提供额外能量，增强了激发能力。此外，在构建小型化仪器装置时，侯贤灯利用3D打印技术定制、加工了相关部件。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/8a445da8-b9aa-467d-8696-3ecba3a4bf6b.jpg" title="IMG_8480.jpg" alt="IMG_8480.jpg"//pp style="text-align: center "四川大学教授 郑成斌/pp style="text-align: center "报告题目：碳原子发射光谱及其应用/pp　　ICP/GD-OES 测碳及含碳化合物一直未能得到很好的推广。近年来，郑成斌发现室温微等离子体(介质阻挡放电或尖端放电等)能够激发挥发性或半挥发性含碳化合物产生碳的原子发射光谱。基于此，郑成斌拓展了微等离子体碳原子发射光谱在环境和材料领域的应用，如，将微等离子体碳原子发射光谱分析装置用作气相色谱检测器 基于微等离子体碳原子发射光谱，建立水中总有机碳分析新方法和新装置 基于碳原子发射光谱，建立了水中溶解氧分析新方法和新装置等。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/c6bc7cb1-4b58-4ba3-ac85-cba06f2a2e1b.jpg" title="IMG_8358.jpg" alt="IMG_8358.jpg"//pp style="text-align: center "中科院上海硅酸盐研究所研究员 汪正/pp style="text-align: center "报告题目：液体阴极辉光放电原子光谱新进展/pp　　汪正对液体阴极辉光放电微等离子体(SCGD)光源系统进行改进性设计，即固定一内径为0.8-1.0mm、外径为2.0-2.5mm的空心钛管同时作为SCGD光源系统的放电阳极以及气体样品传输管路，保证了SCGD在气体进样条件下能够保持稳定放电。在此基础上，汪正将将改进后的SCGD光源系统与氢化物发生、光化学蒸汽发生样品引入技术耦合，提高了原子化效率和激发效率，检测灵敏度大幅提升。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/382d7ca0-f571-4412-b3d2-b31026487093.jpg" title="IMG_8588.jpg" alt="IMG_8588.jpg"//pp style="text-align: center "中科院上海硅酸盐研究所 彭晓旭/pp style="text-align: center "报告题目：He 气氛大气压辉光放电原子发射光谱装置的构建及其增敏研究/pp　　大气压辉光放电 (APGD)是一种常压环境下，在惰性气氛中两电极之间产生的一种持续稳定的气体放电。为了提高APGD 应用于光谱检测时的激发效率以及信号检测的灵敏度，彭晓旭团队从激发效率提高以及谱线采集方式优化两个方面，对APGD进行了改进性设计与构建。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/3e466914-b10c-4eec-b6b2-44c37bca70b0.jpg" title="IMG_8533.jpg" alt="IMG_8533.jpg"//pp style="text-align: center "东北大学教授 于永亮/pp style="text-align: center "报告题目：基于雾化进样的微等离子体发射光谱在元素分析中的应用/pp　　为提升微等离子体OES 系统在溶液直接进样条件下的检测灵敏度，于永亮将微等离子体集成到气动雾化器的喷嘴处，建立了基于雾化进样直接激发检测溶液样品中痕量元素的微型OES 系统。该系统一方面通过增大微等离子体与溶液间的接触面积，充分利用微等离子体的激发能量 另一方面通过在溶液样品中添加增敏剂，促进氢自由基的产生以利于原子化过程，从而极大地改善了待测元素的原子化与激发效率。该系统已能满足常见14 种元素的直接激发测定，检出限在0.8 μg L-1(Cd)-910 μg L-1(Cr)之间。与常规ICP-OES 相比，该系统不但具有较小的体积和较强的多元素分析能力，且样品与载气的消耗量都大幅降低，可满足现场分析的需要。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/6b285926-4bb7-4b7f-ac30-6dc8c42c1fd7.jpg" title="IMG_8498.jpg" alt="IMG_8498.jpg"//pp style="text-align: center "中国地质大学(武汉)教授 朱振利/pp style="text-align: center "报告题目：液体喷雾介质阻挡放电诱导的蒸气发生新技术/pp　　因通过改变等离子体反应器的结构，增加等离子体与样品的反应面积能有效提高等离子体蒸气发生的反应效率。2017 年，朱振利发展了一种新颖的液体喷雾介质阻挡放电诱导蒸气发生技术(LSDBD-CVG)，并首次实现了铅的蒸气发生。随后，针对传统化学蒸气发生技术在测定镉时存在的蒸气发生效率低、易受干扰等问题，朱振利采用LSDBD-CVG 技术在2%甲醇下实现了镉的高效蒸气发生，利用AFS检测检出限可低至0.01μg L?1，并成功测定了大米中的镉含量。并且，通过对LSDBD-CVG 反应器进行改进，朱振利发展了基于LSDBD-CVG的微量样品中痕量元素硒、银、锑、铅和铋同时检测的新方法。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/2051003b-985e-4825-84d2-7b82fb685bc1.jpg" title="IMG_8573.jpg" alt="IMG_8573.jpg"//pp style="text-align: center "中国地质大学(武汉) 杨春/pp style="text-align: center "报告题目：便携式常压辉光放电发射光谱仪分析方法研究/pp　　杨春团队开发的常压辉光放电微等离子体激发源(APGD)，较好的解决了现有微等离子体源对氢气耐受力差、灵敏度低等不足，并在此基础上研发了基于APGD 激发源的锂电池供电的便携式发射光谱仪样机，其具有绿色节能、高效检测、灵敏可靠、现场分析等众多优点。利用该便携式仪器样机，杨春团队通过选取不同的进样方法开展了常压辉光放电发射光谱仪分析方法研究以更好地拓展其应用范围。/ppbr//p

阿贡纳米材料中心的超快电子显微镜，图片自：阿贡国家实验室每个去过大峡谷的人都能体会到靠近自然边缘的强烈感受。同样，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们发现，当接近一层单原子厚的碳薄膜(石墨烯)边缘时，金纳米颗粒会表现异常。这可能对新型传感器和量子设备的发展产生重大影响。这一发现是通过美国能源部科学用户设施办公室——阿贡纳米材料中心 (CNM) 新建立的超快电子显微镜 (UEM) 实现的。UEM能够实现在纳米尺度和不到一万亿分之一秒的时间尺度内的可视化和现象研究。 这一发现可能会在不断发展的等离子体领域引起轰动，该领域涉及光撞击材料表面并触发电子波，称为等离子体场。多年来，科学家们一直致力于开发具有广泛应用的等离子体设备——从量子信息处理到光电子学（结合光基和电子元件），再到用于生物和医学目的的传感器。为此，他们将具有原子级厚度的二维材料（例如石墨烯）与纳米尺寸的金属颗粒相结合。而要想理解这两种不同类型材料的组合等离子体行为，就需要准确了解它们是如何耦合的。在阿贡最近的一项研究中，研究人员使用超快电子显微镜直接观察金纳米颗粒和石墨烯之间的耦合。“表面等离子体是纳米粒子表面或纳米粒子与另一种材料界面上的光诱导电子振荡，”阿贡纳米科学家Haihua Liu说， “当我们在纳米粒子上照射光时，它会产生一个短寿命的等离子体场。当两者重叠时，我们 UEM 中的脉冲电子与这个短寿命场相互作用，电子要么获得能量，要么失去能量。然后，我们收集那些使用能量过滤器获得能量的电子来绘制纳米粒子周围的等离子体场分布。”在研究金纳米粒子时，Liu和他的同事发现了一个不寻常的现象。当纳米颗粒位于石墨烯薄片上时，等离子体场是对称的。但是当纳米颗粒靠近石墨烯边缘时，等离子体场在边缘区域附近集中得更强烈。Liu说：“这是一种非凡的新思考方式，可以思考我们如何利用纳米尺度的光以等离子体场和其他现象的形式操纵电荷。” “凭借超快的能力，当我们调整不同的材料及其特性时，很难预测我们将看到什么。”整个实验过程，从纳米粒子的刺激到等离子体场的检测，发生在不到几百千万亿分之一秒内。CNM 主管 Ilke Arslan 表示：“CNM 在容纳 UEM 方面是独一无二的，该 UEM 对用户开放，并且能够以纳米空间分辨率和亚皮秒时间分辨率进行测量。” “能够在如此短的时间窗口内进行这样的测量，开启了对非平衡状态中大量新现象的研究，而我们以前没有能力探测到这些现象。我们很高兴能够提供这种能力给国际用户。”对于这种纳米颗粒-石墨烯系统的耦合机制的理解，将是未来开发令人兴奋的新型等离子体装置的关键。基于这项研究的论文“使用超快电子显微镜可视化等离子体耦合”（Visualization of Plasmonic Couplings Using Ultrafast Electron Microscopy）发表在 6 月 21 日的《Nano Letters》上，DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01824。除了 Liu 和 Arslan，其他作者还包括 Argonne 的 Thomas Gage、Richard Schaller 和 Stephen Gray。印度理工学院的 Prem Singh 和 Amit Jaiswal 也做出了贡献，武汉大学的 Jau Tang 和 IDES, Inc. 的 Sang Tae Park 也做出了贡献（日本电子于2020年初收购超快时间分辨电镜商IDES）。文：Jared Sagoff，阿贡国家实验室关于CNM新建立的超快电子显微镜 (UEM)CNM 的超快电子显微镜 (UEM) 是一种独特的工具，可供美国能源部纳米科学研究中心的用户使用。CNM超快电子显微镜实验室。左起顺时针:Thomas Gage, Haihua Liu和Ilke ArslanUEM 的应用是利用电子研究纳米级材料中的超快（亚皮秒）结构和化学动力学，这是一个广受关注的新兴科学领域。CNM的 UEM 结合了以下功能：■具有高重复率的可调谐飞秒激光器■产生脉冲电子束的多种途径■配备高灵敏度相机和电子能量过滤的同步激光泵浦脉冲透射电子显微镜CNM精心设计的UEM打开了通向任何标准电子显微镜都不具备的科学理解领域的大门，即理解亚纳米空间分辨率材料中的快速(亚皮秒到纳秒)动力学和短期亚稳态相。它代表了一种关键的分析工具，可以提供超快的结构和化学变化，以广泛的系统。在未来几年，通过开发超快的电气和机械触发机制，CNM期望开发具有基础和设备相关性的新型样品环境和样品激发途径。结合超快探测，这将允许深入了解电场和应变的非平衡现象。例如，人们可以探索声学声子模式在量子信息科学感兴趣的材料和系统中产生的应变随时间变化的影响，例如金刚石或碳化硅中的空位缺陷。在纳米科学的许多领域中，UEM 在促进对瞬态过程的理解方面具有很高的价值，例如激子定位、短寿命亚稳相、光致分离、拓扑材料动力学、等离子体系统、分子马达和磁波动等。连同理论建模，UEM 将为纳米科学界提供对纳米材料的前所未有的理解。阿贡国家实验室是 1946 年在伊利诺伊州杜佩奇县成立的第一个也是最大的国家实验室。 美国能源部资助阿贡国家实验室和芝加哥阿贡大学有限责任公司管理该实验室。 阿贡国家实验室前身是芝加哥冶金实验室，也是恩里科费米 (Enrico Fermi) 第一个受控核链式反应演示的所在地。 目前，阿贡实验室由阿贡先进光子源、阿贡串联直线加速器系统组成，开展基础科学研究、清洁能源实验、全国环境问题管理，最重要的是审查和监测国家安全风险。

为解决医务工作者每天花大量时间洗手消毒的问题，德国研究人员最近开发出一种等离子体快速消毒仪，可在几秒钟内对皮肤进行一次安全快捷的消毒处理。　　德国马克思普朗克宇宙物理学研究所研究人员在新一期英国《新物理学杂志》(New Journal of Physics)上报告说，等离子态是物质在固体、液体、气体之外的第四种存在状态，宇宙中的许多恒星就处于等离子态。研究人员将少量高温等离子态原子混入大量低温普通原子中，可以得到低温等离子态物质，它产生的自由基和紫外线等具有杀菌效果。　　研究人员说，在此基础上开发出的消毒仪使用的等离子体可像空气一样与消毒对象全面接触。例如，人们将双手伸入消毒仪中，几秒钟之内就能对双手实施一次安全快捷的消毒，并可杀灭近年来多次引发感染事故的“超级细菌”耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等。消毒过程中，除了需要电力之外，并不需要别的流体和容器。　　研究人员说，如果按外科医生一次标准洗手程序需3到5分钟计算，那么在一个繁忙的工作日里医务人员可能要花上几个小时来洗手，如果使用这种等离子体消毒仪，可将这一时间缩短到10分钟。　　在同一期杂志上，德国和日本研究人员还报告了另一种杀毒强度可调节的等离子体消毒仪，它形似手电筒，可以专门用来“照射”人体伤口，为缓慢愈合的伤口进行消毒。