激光诱导击穿光谱应用于三种水果样品微量元素的分析

激光诱导击穿光谱(LIBS)在植物样品上面的应用是一个较新的课题. 为将LIBS技术能实际应用于与食品安全相关的领域,实验中对三种真空冻干水果样品进行了初步LIBS实验研究,鉴别了其LIBS光谱,并选取典型光谱线,运用统计学方法分析比较了三种水果中Ca,Na,K,Fe,Al,Mg六种元素含量的差别. 实验结果表明,苹果中Na的含量最高,Ca的含量最低,三种水果样品中的K,Fe,Mg等元素含量也都有差异. 实验结果还表明LIBS技术是一种检测、对比植物样品中微量元素含量的有效手段. 关键词： 激光诱导击穿光谱 等离子体 植物样品 微量元素     

基于LIBS技术结合PCA-SVM机器学习对猪肉部位的识别研究

近年来,激光诱导击穿光谱（LIBS）与算法相结合分类、识别生物组织逐渐兴起。由于猪肉各部位组织光谱特性相似,仅通过分析光谱信息很难达到准确识别的效果,采用来自于同一个体、四个不同部位的猪肉进行研究,并将其进行切片、压平,应用LIBS技术对4种部位的组织（里脊,梅花,前腿,五花）进行了样品光谱的采集,每种样品采集100幅光谱进行分析,选取Ca,Na,K等6条谱线进行了初步光谱分析,观测谱线发现除脂肪含量较多的五花组织C-N以及C含量较其他组织高以外,其他组织很难区分,进一步对这6个成分进行主成分分析（PCA）,得到PC1,PC2,PC3累计贡献率达到95%,通过特征分数作为支持向量机（SVM）模型输入源,建立SVM分类模型,得到几种部位样品的混淆矩阵图,通过观察混淆矩阵可以清楚分辨出每个种类样品的分类整准确率,发现四种样品准确率分别为96%,98%,97%,100%,平均准确率达到了97%以上。研究证明LIBS结合PCA-SVM可作为一种快速鉴别猪肉不同组织部位的检测方法。     

用激光诱导击穿光谱技术比较土豆和百合中的微量元素

激光诱导击穿光谱(LIBS)已成功地运用于固体、液体、气体样品中微量元素的测量以及微生物、细菌等的鉴别分析上,而在植物样品上面的应用则是一个较新的课题。该实验用纳秒Nd∶YAG激光器击穿真空冻干的土豆、百合样品,用光纤光谱仪测量了其LIBS光谱。通过鉴别、分析LIBS光谱,得到了这两种样品中微量元素的成分。并且对土豆干和百合干中Ca,Na,K,Fe,Al,Mg六种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析,并由此得到了样品中这六种微量元素含量的对比情况。实验结果表明土豆干中的Ca和Na等含量都明显高于百合干,而百合干中Mg的含量较高。实验结果还表明用LIBS技术检测、对比冻干植物样品中微量元素含量是一种快速、有效的分析方法。     

应用激光诱导击穿光谱对土壤中多元素同时定量分析

土壤元素的丰缺是对土壤养分检测、农业按需种植和科学施肥的依据,是精准农业农情信息感知技术检测的关键点,更为农业生态、高效和优质生产提供理论指导。该研究运用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合定标曲线法和偏最小二乘回归(PLSR)方法对土壤中的Al,Fe,Mg,Ca,Na和K多种元素同时进行定量分析。利用LIBS检测仪获取了五种标准土壤样品(国家编号： GBW07446,GBW07447,GBW07454,GBW07455和GBW07456)的LIBS数据之后,将每种土壤的多条谱线平均处理来消除试验误差。通过分析所获取的土壤LIBS谱线信息,选取了Al,Fe,Mg,Ca,Na和K元素的特征分析谱线和分析光谱区间,并利用谱线的峰值信息和分析光谱区间内的单个或多个谱峰的积分信息(峰面积)与对应元素浓度拟合并建立定标曲线。结果表明,基于谱峰的峰面积建立的定标曲线的线性关系优于利用峰值信息建立的定标曲线(Fe除外)。同时,针对所选的分析光谱区间和元素的浓度信息,运用PLSR建立定量分析模型,其结果明显要优于定标曲线的分析精度,这也表明LIBS技术结合化学计量学分析在未来光谱化学分析领域有很大应用前景。研究的结果不仅为现代农业的土壤养分空间分布检测和农田精准施肥技术的应用起指导作用,还为田间使用的便携式LIBS土壤检测仪的开发奠定了理论基础。     

基于激光诱导击穿光谱的洋葱在线原位检测

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一种分析多元素的光学技术,可用于新鲜蔬菜的快速检测.以洋葱为例,采用LIBS对其含有的元素进行了在线原位检测.用乙酸铅溶液污染洋葱以模拟大气湿沉降的重金属污染现象,并进行重金属Pb元素检测.使用主成分分析(principal components analysis, PCA)和反向传播人工神经网络(back-propagating artificial neutral network, BP-ANN),以洋葱、大蒜、小葱为样品进行区分检测.洋葱光谱中的特征谱线包括Si、Fe、C、Mg、Al、Ca、Ti、Sr、Ba、Na、Li和K等元素,以及N、H、O的谱线和CN分子谱带.不同浓度梯度乙酸铅溶液污染的洋葱样品中都能检测出Pb元素,其相对强度与溶液浓度成比例.此外,PCA的结果表明洋葱、小葱、大蒜的区分效果明显,BP-ANN交叉验证的识别率为89.47%.结果证明LIBS在对元素进行快速分析时具有较好的识别能力,是检测新鲜蔬菜的有效手段.     

基于钙内标的贝壳元素成分微区LIBS分析方法研究

贝类生物作为海洋生态系统监测的理想标识,以Ca为内标进行元素比例变化的分析,将有可能获知气候演化及贝类生长等有用信息。区别于其他技术,微区激光诱导击穿光谱技术(Micro-LIBS：micro-probe laser induced breakdown spectroscopy)应用于贝类贝壳探测时,Ca的特征发射谱线将分布于整个光谱探测区间,如何选择合适谱线作为内标是Ca内标法用于贝壳成分元素分析的关键。以Ca元素为内标进行贝壳成分元素的Micro-LIBS探测,通过归一化Ca元素全谱谱线、最强离子谱线Ca Ⅱ 393.3 nm和不同强度原子谱线(Ca Ⅰ 422.7 nm/Ca Ⅰ 487.9 nm)为内标情况下Sr/Ca元素比例变化的比较,结果发现相较于Ca离子线Ca Ⅱ 393.3 nm和强度较弱原子线Ca Ⅰ 487.9 nm,以Ca元素全谱强度或最强原子线Ca Ⅰ 422.7 nm为内标时,Sr/Ca分布在贝壳分析区域内变化较小,其浮动分别小于7%和10%,符合贝壳分析区域为同一生长周期的纹理特征,较为准确地反映了贝壳的生长发展;同时,应用Ca全谱强度为内标对贝壳成分元素分析发现,元素比例Li/Ca, K/Ca, Na/Ca相较于Mn/Ca,具有明显的相似特征,说明海水富含轻质元素在贝壳生长分布上具有明显的相似性。研究结果表明,较强Ca原子线或全谱强度比Ca离子线更适合作为内标用于贝壳成分元素的微区LIBS分析,证明了Micro-LIBS用于贝壳分析的可行性。     

利用激光诱导击穿光谱分析土壤成份

 搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,并通过配置特定样品,开展了一系列激光诱导击穿光谱探测实验。根据含有不同质量分数的同种元素样品的激光诱导击穿光谱实验结果,获得元素质量分数与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。对中南民族大学附近的土壤进行激光诱导击穿光谱实验,发现土壤中含有Mg,Ca,Na等18种元素,对河南云台山茱萸峰岩石的激光诱导击穿光谱实验结果仅获得Fe,Mg,Ca 3种金属元素。比较这2种实际样品的激光诱导击穿光谱结果表明,检测样品的物理结构影响激光诱导光谱的实验结果。     

飞灰未燃碳的激光诱导击穿光谱定量分析

为了验证LIBS测量飞灰中碳含量变化的能力,本文将煤粉与飞灰按照一定比例均匀混合,得到24种含碳量不同的样品.在不同延迟时间下进行激光诱导击穿光谱实验,得到温度指标发射强度比I_(Mg1)/I_(Mg2)随延迟时间的增大而减小,纯飞灰样品的发射强度比I_(Mg1)/I_(Mg2)的数值明显大于其他混入煤粉的样品.样品中发射谱线强度比IAl/ISi1随温度指标I_(Mg1)/I_(Mg2)的增大而减小.飞灰样品加入煤粉后,对等离子体的温度变化有明显影响.同时引入多元分析的方法,将样品中C、Al、Mg、Ca、Fe等元素谱线强度与Si元素谱线强度的比值作为多元回归分析的自变量,碳元素浓度作为因变量,建立不同延迟时间下的回归方程.结果表明,采用多元分析的方法进行定量计算,根据回归模型得到的预测值与参考值之间的误差基本在9%以内.     

远程激光诱导击穿光谱技术分析岩石元素成分

远程激光诱导击穿光谱技术是一种利用脉冲激光和聚焦光路对远距离目标烧蚀击穿,获取目标等离子体光谱,定性或定量分析物质元素组成的光谱探测技术。设计并搭建了一套远程激光诱导击穿光谱系统。该系统结合卡式望远镜光学结构,实现探测2～10 m距离的目标、并可自动变焦。基于该系统提出一种远程探测岩石主要元素含量方法。通过对比实验,研究了脉冲能量、采集延时、积分时间、探测点累计探测次数对光谱信号的影响,确定了岩石谱线获得的最佳条件。选择48块岩石标本和6种常见国标岩石样品(页岩、花岗岩、安山岩、玄武岩、片麻岩、伟晶岩)进行LIBS实验。以原子光谱数据库为参考,根据岩石的主要元素提取特征谱线(SiⅠ390.55 nm,AlⅠ394.40 nm,AlⅠ396.15 nm,CaⅡ396.85 nm,FeⅠ404. 60 nm,SiⅠ500.60 nm,MgⅠ518.36 nm,NaⅠ589.59 nm)。利用偏最小二乘算法(PLS)建立岩石成分定量分析模型,将48块岩石标本作为训练集进行求解,并用六种国标岩石对模型进行检测,预测岩石Si和Al元素含量,平均误差分别为9.4%和9.6%。     

单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0 μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ：404.581 nm和CaⅠ：422.67 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730 K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1,再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明：再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。     

激光诱导击穿光谱定量分析玉石中的Mg,Fe和Ca

基于对样品进行的激光诱导击穿光谱和X射线荧光光谱分析测试建立了天然玉石中主要元素Mg,Ca和微量元素Fe的定标曲线。实验采用纳秒级的Nd∶YAG激光器(波长:1 064nm)为光源,在延迟时间为3μs,激光脉冲累积数量为110,单个脉冲能量为100mJ,脉冲重复频率为10Hz的实验条件下,采用激光诱导击穿光谱技术装置对天然南阳独山玉石样品中的元素进行等离子体激发测试,得到波长在300~1 000nm的等离子光谱图。通过将得到的光谱图中特征峰与美国国家标准与技术研究院数据库进行对比,发现测试样品中含有Mg,Fe和Ca等元素,以X射线荧光光谱分析技术对四种南阳独山玉标准样品中测量出的Mg,Fe和Ca元素氧化物含量作为标准数据,选取含量比较高的Al元素作为内标元素,采用内标法对玉石光谱图中Mg,Fe和Ca元素特征峰值进行线性拟合,从而得出Mg,Fe和Ca三种元素的定标曲线,求出待测样品中这3种元素氧化物的含量,结果表明这三种元素氧化物的含量与中国珠宝宝石收藏鉴赏全集资料中所给出的元素氧化物含量的百分比范围MgO(0.28%~1.73%),Fe2O3(0~0.8%),CaO(18%~20%)相符合,相比于常用的方法,激光诱导击穿光谱技术可以快速地对待测样品进行检测,样品预处理简单且对样品损害较小。进一步验证了激光诱导击穿光谱技术对于玉石应用的可行性。     

Analysis of Minerals and Rocks by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique was applied for rapid analysis of major and minor elements composing geological samples including minerals, rocks, and a soil sample. The plasma was produced in air at atmospheric pressure by focusing on the targets a pulsed infrared Nd:YAG laser in open-path configuration. The emitted light in the UV-Vis was analyzed by a compact LIBS system to measure spectral emission lines of Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, C, Cu, Mn, and Ti. The experimental issues relevant for the analysis of the different samples were investigated by taking into account their peculiar features: drilling through a weathered layer, roughness and grain-size considerations, statistical averaging, and accuracy of the measurements. In this approach, the characterization of the samples was achieved by studying the relative variations of the emission intensities of each element normalized with respect to an internal standard. The present study shows the usefulness of LIBS as a tool for reliable identification of field samples.     

In-Situ Monitoring of Chromium Uptake in Different Parts of the Wheat Seedling (Triticum aestivum) using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

The present work is a methodological study to investigate the effect of chromium (VI) stress on wheat seedlings. Point detection capability of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) was utilized for the monitoring of in-situ chromium uptake in wheat (Triticum aestivum) seedlings. Chromium accumulation and its effects on other elements in wheat seedling were investigated by comparing the intensities of spectral lines of chromium and other minerals present in the LIBS spectra. In-situ LIBS spectra of the different parts of the wheat seedlings were recorded by directly focusing the laser beam on the surface of root, stem, and leaf of the seedlings grown with and without chromium-containing solutions. The spectra obtained from the different parts (root, stem, and leaf) of the wheat plant were analyzed to determine the distribution pattern/accumulation of chromium. Effect of the chromium uptake on the distribution pattern of other elements like calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), and potassium (K) was also investigated. It was observed that chromium concentrations in plant organs decreased in the following order: roots > leaves > stems.     

土壤中铜元素的激光诱导击穿光谱测量分析

本文采用波长为532 nm的Nd:YAG单脉冲纳秒激光器诱导激发土壤(样品土壤来自蚌埠学院校园),并分析测量了土壤中铜元素的激光诱导击穿光谱特性.以铜元素的特征谱线Cu(393.3 nm)作为分析线,优化了实验参数增强型光电耦合器件(ICCD)门宽,ICCD门延迟对等离子体信号的影响,并在优化后的实验条件下测量分析了土壤中的金属元素种类.实验结果表明优化后的实验参数:ICCD门宽500ns,ICCD门延迟500 ns;在该优化条件下检测到样品土壤中含有金属元素:Fe, Cr, Ca, Mg, Cu, Al, Mn.     

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。     

基于自吸收量化的激光诱导等离子体表征方法

为了表征激光诱导等离子体的定量特征参数,提出了一种谱线自吸收量化的方法,通过获得分析元素谱线的半高全宽来量化谱线自吸收程度,进而得到等离子体的特征参数,包括电子温度、元素含量比以及辐射物质的绝对数密度.与传统激光诱导击穿光谱定量分析方法相比,新方法由于计算过程与谱线强度弱相关,所以分析结果基本不受自吸收效应的影响,同时也无需额外的光谱效率校准.基于铝锂合金的实验结果表明,该方法能够实现精确的相对定量分析和等离子体的特性诊断.     

激光诱导击穿光谱技术对火成岩岩性的高精度识别

在石油勘探领域,细碎岩屑样品的岩性识别,特别是物性接近的火成岩的高精度识别是地质学的难题之一。针对这一问题,提出了一种基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)元素分析和全碱-硅(TAS)图版的新方法。利用自主搭建的LIBS系统,首先通过对比实验,系统的研究了脉冲能量、采集延时、采集方式、预燃对光谱信号的影响,确定了对火成岩样品元素分析的最佳条件：脉冲能量50 mJ,采集延时2 μs,采集同一样品表面20个不同点的光谱积分平均,并通过实验证明了预燃的样品处理方式不适合火成岩样品,有效提高了样品检测光谱数据的重复性。随后确定了火成岩岩性识别常用7种元素(钠镁铝硅钾钙铁)的特征谱线,定性分析和比较了不同岩性的火成岩样品;利用已知元素含量的国标系列岩石样品信息,生成了钠、硅、钾的定标曲线,线性相关系数均大于0.9,并利用国标岩石样品考察了定量分析的准确性;利用定标曲线法定量分析了火成岩样品的元素含量,并采用TAS图版法识别火成岩的岩性,准确率达90.7%。研究表明,LIBS技术能够有效实现火成岩岩性的高精度识别。