基于激光诱导击穿光谱的化验室水泥质量检测设备研制

研制了一套基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的化验室水泥质量检测设备,可对水泥生熟料成分及率值进行快速检测。对该设备的总体结构、光学系统、样本制备、光谱处理方法等几方面进行了介绍。通过内标法建立定标模型,将LIBS测量结果与X射线荧光光谱分析(XRF)结果进行了对比分析,该套LIBS设备对水泥生熟料中CaO,SiO₂,Al₂O₃和Fe₂O₃测量的平均绝对误差分别为0.46%,0.25%,0.13%和0.05%,对水泥熟料率值KH,SM,IM测量的平均绝对误差分别为0.02,0.05和0.04;通过计算激发产生的等离子体温度和电子密度,验证了激光诱导水泥等离子体处于局部热平衡(LTE)态。     

ICP-AES法测定石膏中的多元素含量

分别采用酸溶和碱熔两种样品前处理方法处理样品,ICP-AES测定石膏中多元素。酸溶法适用于样品中CaO,SO₃,Al₂O₃,Fe₂O₃,MgO,K₂O,Na₂O,TiO₂,P₂O₅,MnO,SrO,BaO的同时测定。碱熔法适用于样品中CaO,SO₃,SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,MgO,TiO₂,P₂O₅,MnO,SrO,BaO,B₂O₃的同时测定。根据各个元素的性质、含量高低和基体因素配制了不同的系列标准溶液,确定了各个元素的最佳分析谱线和相应分析谱线下方法的检出限和定量限。结果表明,除酸溶法测定TiO₂的回收率略低外(81%～87%),两种前处理方法测定石膏样品中各元素的整体回收率为93%～110%,RSD(n=6)为0.70%～3.42%。但CaO和SO₃测定的准确度还比不上化学分析方法。采用本方法测定石膏中的CaO和SO₃仅适用于对测定结果准确度要求相对较低的情况。本方法操作简单,分析速度快,测定结果可靠,可以同时测定石膏中的多元素,综合酸溶和碱熔两种处理方法,可以实现石膏样品的全元素分析。     

X射线荧光光谱法同时测定煤灰中的12种成分

采用熔融制样法,用X射线荧光光谱法同时测定煤灰中的常量、少量和微量成分SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,CaO,SO₃,TiO₂,K₂O,Na₂O,P₂O₅,Mg_O,MnO,BaO。选用混合熔剂并加入氧化剂的方式降低熔融温度,解决了硫的准确测量问题。同时通过选用土壤等标准样品解决了煤灰成分标准样品不足的问题。应用可变理论α系数及固定α系数法进行基体效应校正,所得结果与化学法的分析结果相符合。     

X射线荧光光谱法分析癌症村土壤主量元素

由于工业的快速发展带来了许多诸如环境污染等不利的方面,“癌症村”就是一个沉重的例子。应用X射线荧光光谱法测定了一个较典型癌症村土壤中主量元素的含量。该村土壤中主量元素SiO₂,TiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,MnO,MgO,CaO,Na₂O,K₂O和P₂O₅含量分别为66.05%,0.66%,11.37%,3.93%,0.075%,1.97%,5.47%,1.90%,2.11%和0.20%。各元素含量在测定范围之内,各种元素的分析精度较高,都在0.20%～0.005%之间,X射线荧光光谱法是一种测定污染土壤中主量元素的快速、有效的方法。     

水泥样品的ICP-AES法同时多组分检测研究

水泥化学分析的传统方法,实验过程冗长。本文研究了以王水+氢氟酸+高氯酸+盐酸溶样及采用水泥标准样品配制工作用标准溶液,建立了水泥样品中CaO,MgO,Fe₂O₃,Al₂O₃和TiO₂五种组分含量快速测定的等离子体发射光谱法(ICP-AES)。讨论了基体干扰、元素的光谱干扰的影响。研究了方法的检出限和精密度,方法的检出限为3.79×10-4μg·mL-1～1.07×10-2μg·mL-1,回收率为87.5%～105.6%,RSD小于1%。研究结果表明,该方法能满足快速检验的要求。     

X射线荧光光谱法快速分析盐湖粘土矿物元素含量

以低压聚乙烯粉镶边垫底粉末压片法制样,用X射线荧光光谱法测定盐湖粘土矿物中主次组分含量的定量分析曲线,测量了粘土矿物中As, Mn, Co, Cu, Cr, Dy, Ga, Mo, P, Pb, Rb, S, Sr, Ba, Cs, Ta, Th, Ti, U, V, Y, Zn, Zr, MgO, K₂O, Na₂O , CaO, Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂含量。研究了各元素的谱线干扰特别是谱线的间接干扰,同时提出了元素周期表中各周期元素相互之间干扰的判别方法; 使用α经验系数法及康普顿内标法校正基体效应,经对国家标准物及实际样品进行分析,测量值与标准值结果吻合。方法的检出限和准确度均满足分析要求,除了Mo,Cs,Ta ３个元素RSD较高,其他元素RSD 为0.01%～5.45%。     

庞西垌花岗质复式岩体X射线荧光光谱、等离子体质谱分析及其对岩浆分异的指示意义

云开地块西南缘的庞西垌复式岩体由外而内、由上而下依次为花岗片麻岩、片麻状花岗岩和花岗岩,即由高级变质岩渐变过渡至岩浆岩。X射线荧光光谱、等离子体质谱对三类岩石的分析结果表明,三类岩石皆属于过铝质岩石系列,造岩组分和微量元素具有渐变过渡的特征。在花岗片麻岩演化为花岗岩的熔融、分异过程中,Al₂O₃,CaO,MgO与TiO₂等造岩组分含量逐渐增高,SiO₂含量逐渐降低;稀土元素总量整体升高,稀土元素中轻稀土含量逐渐增高,而重稀土含量逐渐降低,显示出轻重稀土分异增强的特征,在多期演化过程中,形成了具有亲缘演化基因的庞西垌花岗质岩石系列。这表明云开地块表变质壳岩石的重熔可能是花岗质岩石的重要成因。其演化机制可能是,表壳岩石在发生熔融之后SiO₂最先脱离母岩不断熔出,重稀土可能随着SiO₂熔体逐渐向上富集;而Al₂O₃,CaO,MgO,TiO₂以及轻稀土相对SiO₂则向下富集。     

青海青玉的振动光谱特征

采用常规宝石学测试方法,并结合电子探针、红外光谱仪、激光拉曼光谱仪对产自青海格尔木市小灶火河矿点的青玉进行了化学成分和光谱特征研究。测试结果表明,青海青玉的宝石学物理性质与其他产地软玉相似。电子探针测试显示青海青玉的主要化学成分为MgO、CaO和SiO₂,MgO含量在18.572%～23.603%,CaO含量为12.333%～12.807%,SiO₂含量在56.799%～59.926%,且含量较稳定,此外还含有较高含量的FeO_T(Wt%： 1.924%～8.699%)和一定量的Al₂O₃,TiO₂和Na₂O。红外光谱和激光拉曼光谱分析显示,青海青玉具有透闪石的光谱特征,其主要组成矿物为透闪石。由于青玉中Mg-Fe2+的类质同象替代及Fe2+含量的不同,使其红外吸收谱带频率稍有差异。综合化学成分及振动光谱特征分析,青海青玉的深灰青色主要与其含有高含量的FeO_T所致,其主要致色元素为Fe。     

应用X射线荧光光谱法测定过磷酸钙中主量元素

磷肥是农业生产中最常用的肥料之一。文章通过X射线荧光分析技术测定了过磷酸钙中九种成分的含量,各元素的测定精度都在0.20%～0.005%之间,所以X射线荧光光谱法是一种测定过磷酸钙肥料有效成分和其他元素的快速、有效的方法。通过磷肥中各种成分的含量分析可以得出如下结论：(1)选用的过磷酸钙中有效P₂O₅≥16%(18.101%),不是假磷肥;所以X射线荧光光谱分析技术可以识别磷肥真假;(2)所测定磷肥中SiO₂,TFe₂O₃,MgO, CaO和K₂O含量比较高,分别是16.954%, 1.495%, 1.580%, 21.428%和1.585%,所以以过磷酸钙作为肥料时可以起到微肥的作用,但是研究磷元素作用时应当注意这几种成分对磷肥效果的干扰作用;(3)Al₂O₃的含量为3.225%,长期使用磷肥应当注意Al毒的发生。     

Quantitative analysis of cement powder by laser induced breakdown spectroscopy

Determination of elemental composition of cement powder plays an important role in the cement and construction industries. In the present paper, Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) is used for measuring the concentration of cement ingredient. Cement powder samples are pressed into pellets. Laser pulses are focused on the surface of pellets. A microplasma is formed in the front of samples. The plasma emission contains information about the elemental composition of the samples. By assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE) and using several standard cement samples, a calibration curve is prepared for each element. The major and minor elements of cement such as Ca, Si, K, Mg, Al, Na, Ti, Mn and Sr are qualitatively and quantitatively determined. For verification of LTE conditions, plasma parameters such as plasma electron temperature and electron density are computed. According to the obtained results, the LIBS technique could be a suitable method for determination of elemental composition in the cement production industries.     

水泥中金属元素的激光诱导击穿光谱实验条件研究

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种被广泛使用的物质元素检测技术。由于它的探测结果受多种因素的影响,因此,分析比较不同实验条件对LIBS光谱测量的影响对LIBS检测有着重要的意义。通过采用四川省北川县中联水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥制成的水泥压片,利用八通道光纤光谱仪AvaSpec-2048-USB2-RM、延时触发器DG645进行了LIBS检测。针对影响水泥几种重要技术指标的金属元素Mg,Al,Na,K进行了分析。主要对比了激光频率、同一点测量次数对不同金属元素光谱信号强度的影响,得出在本实验条件下的最佳实验参数：10 Hz为最佳激光频率,激光频率为10 Hz时元素Mg,Al,Na,K所得到的光谱强度比8 Hz时分别提高了67.66%,47.88%,84.59%,43.36%。由于压片样品在放置过程中,表面会有少量的氧化、潮解, 在以测量10次求一次平均所得结果进行记录的条件下,以第三、四次记录结果为最佳。     

Determination of Chloride Content in Different Types of Cement Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

The characterization and accurate determination of the chloride content in cement/concrete is very important for the assessment of the durability and safety of a concrete structure. The available analytical techniques are relatively expensive and time consuming. In this study, a laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) system was used for determination of elemental composition in three different types of cement samples. The plasma was generated by focusing a pulsed Nd: YAG laser at 1064 nm on the cement samples. The concentrations of different elements of significance for structural stability in cement samples were determined. The evaluation of the potential and the capabilities of LIBS as a rapid tool for characterization of cement samples is discussed. The optimum LIBS setup and experimental conditions to detect and measure chloride in building materials are reported. The LIBS results were compared with the results obtained using a standard analytical technique such as inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP–ES). The limits of detection were determined, and calibration curves were measured. The results of this investigation indicate the reliability of LIBS to characterize different cement samples and to assess the chloride content in these cements.     

手持式LIBS结合随机森林用于鱼产品的快速鉴别分析

中国是水产品生产和消费大国。由于不同鱼产品的品质和价格差距悬殊,近缘鱼类外观质地相似等特点,鱼产品掺假和错贴标签的现象频发,直接损害了消费者的消费和健康权益,因此实现鱼产品品种品质的快速检测具有重要的现实意义。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术采用脉冲激光烧蚀样品表面产生激光诱导等离子体,通过探测等离子体的发射光谱实现待测样品元素组分的定性和定量分析,具有无需（或少量）样品预处理、多元素同时检测,分析速度快的优势,在食品快速检测分析方面具有很大的应用潜力。将LIBS技术结合随机森林（RF）算法用于不同种类鱼产品快速鉴别分析。首先对6种鱼肉样品进行压片处理,采用手持式LIBS分析仪采集其光谱数据,可探测到清晰的C、Mg、CN、Ca、Na、H、K、O等元素组分的特征谱线。将原始光谱数据进行归一化预处理,采用主成分分析方法（PCA）进行聚类,发现海水鱼和淡水鱼样品可以区分,而不同海水鱼之间和不同淡水鱼之间的样品则难以有效区分,说明PCA方法对鱼肉LIBS光谱分类能力有限。之后采用非线性的随机森林算法建立分类模型,经过优化RF模型的决策树个数与决策深度,得到鱼肉样品的整体识别正确率为90%。为进一步提高模型识别精度和分析效率,通过RF模型输出的变量重要性进行光谱特征提取,识别正确率提高到94.44%,且模型输入变量由23 431个减少到597个,模型运算时间显著降低。表明RF模型结合变量重要性提取可以很好地将LIBS光谱中变量重要性高、对分类贡献大的弱信号提取出来,有效剔除了谱线噪声、背景、以及其他不相关变量的干扰,提高模型的识别精度和分析效率。也验证了手持式LIBS设备结合机器学习方法用于市场鱼产品快速鉴别分析的可行性。     

激光诱导击穿光谱与拉曼光谱技术在危险物检测中的研究进展

炸药、生物及化学危险物检测在反恐和公共安全领域具有重要应用价值,也是目前亟需解决的问题。激光诱导击穿光谱技术利用高能激光脉冲诱导材料产生等离子体,通过探测等离子体辐射光谱从而分析其组成成分。拉曼光谱技术是基于非弹性光散射的一种光谱检测方法,可以反映分子的振动信息。由于它们都具有快速和非接触遥测的优点,成为最有发展潜力和应用前景的危险物检测技术。介绍了激光诱导击穿光谱、拉曼光谱以及二者联合探测技术在危险物检测中的国内外发展现状,并对各自的优缺点进行了分析。激光诱导击穿光谱信号强、实时性好,但重复性差、基底效应影响显著,在判别组成元素相同而分子结构不同的危险物和干扰物时面临巨大挑战。拉曼光谱能够提供被测物的分子信息,适合于鉴别有机危险物,但信号弱、受荧光干扰大、检测低浓度样品及分析混合物的能力弱,外场使用时受周围杂散光以及环境变化的影响大。将这两种光谱探测技术相融合,发挥各自的优点,可以有效地提高探测危险物的准确度。但两种光谱联合探测系统结构和数据处理复杂,成本高,还有许多技术难点亟需解决。文章最后,对危险物激光诱导击穿光谱和拉曼光谱研究的前景进行了展望。     

火星车载激光诱导击穿光谱仪(MarsCoDe)在轨定标样品选取研究

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项,首个火星探测器也即将前往火星。为满足火星物质成分分析的需求,我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器,其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe）,应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）。火星表面覆盖尘埃,探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分,必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面,获得深部物质光谱信息,在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素,包括轻元素H,Li,Be,B,C,N,O等,帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。由于LIBS在火星环境工作,等离子体的物理性质与地球上完全不同。为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量,需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。借助火星车的携带在轨定标样品,对探测数据进行在轨定标,确保返回数据的可靠性。定标样品的选择是一项十分重要的工作,存在仪器工程条件限制、定标样品类型的代表性、元素成分分布范围、样品稳定性等多种考虑因素,需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展,重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、国外选择样品的优缺点,并总结经验提出了几点建议,为我国在轨定标工作提供参考。对火星探测数据的正确解译,对未来研究火星的起源、火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。     

基于LIBS技术的水泥粉末在线成分分析

在工业现场生产水泥的过程中，各种成分的含量直接影响着水泥的质量，因此如何快速准确地监测水泥中各个成分的含量意义重大。采用的实验方式为，将不经过任何预处理的水泥粉末直接放入位于二维移动平台上的物料盒中，通过激光诱导击穿光谱(LIBS)直接对水泥粉末表面的不同位置进行激发检测，对得到的光谱数据首先进行归一化和主成分分析等预处理操作，然后针对水泥中Ca, Si, Al, Fe, Mg五种元素，分别建立偏最小二乘(PLS)和支持向量回归(SVR)两种定量分析模型进行方法比较。此外，对比了粉末状水泥与压片式水泥两种测量方式的结果。实验结果表明，采用粉末状水泥直接测量的方式下，针对水泥样品元素浓度与所得到的光谱中特征线强度的关系，SVR方法比PLS方法更具优势，粉末状水泥直接测量的精度接近压片式测量的精度，说明LIBS技术对水泥粉末状样品直接在线测量具有可行性。     

Effects of experimental parameters on elemental analysis of coal by laser-induced breakdown spectroscopy

The purpose of this work is to improve the precision of the elemental analysis of coal using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). The LIBS technique has the ability to allow simultaneous elemental analysis and on-line determination, so it could be used in the elemental analysis of coal. Organic components such as C, H, O, N and inorganic components such as Ca, Mg, Fe, Al, Si, Ti, Na, and K of coal have been identified. The precision of the LIBS technique depends strongly on the experimental conditions, and the choice of experimental parameters should be aimed at optimizing the repeatability of the measurements. The dependences of the relative standard deviation (RSD) of the LIBS measurements on the experimental parameters including the sample preparation parameters, lens-to-sample distance, sample operation mode, and ambient gas have been investigated. The results indicate that the precision of LIBS measurements for the coal sample can be improved by using the optimum experimental parameters.     

激光诱导击穿光谱结合神经网络测定土壤中的Cr和Ba

提出了一种基于人工神经网络的激光诱导击穿光谱技术实现元素成分高准确度定量分析的方法.采用基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络,结合激光诱导击穿光谱技术的方法测定土壤中Cr和Ba元素的含量,得到了Cr和Ba的含量以及多次重复预测的相对标准偏差,并与采用传统的内标法得到的检测结果相比较.研究结果表明:基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络分析方法,与激光诱导击穿光谱技术相结合能更好地实现对土壤样品中Cr和Ba元素的定量检测.相对内标法,神经网络分析方法与激光诱导击穿光谱技术相结合可以很明显地提高检测准确度和精密度,对采用激光诱导击穿光谱技术定量检测土壤重金属污染具有很好的应用价值.