激光诱导击穿光谱联合一元回归方法定量检测大豆油中的铁含量

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对大豆油中的铁(Fe)含量进行定量检测。实验中用一系列不同Fe浓度的大豆油样品,采用二通道高精度光谱仪采集其LIBS光谱信号。根据样品LIBS谱线图,确定了Fe的两个特征谱线404.58和406.36 nm,并应用不同的一元回归方法对两个特征谱线分别建立一元指数回归定量分析模型、一元线性回归定量分析模型和一元二次回归定量分析模型。研究结果表明,Fe Ⅰ 404.58及Fe Ⅰ 406.36的一元指数、一元线性及一元二次回归模型的预测平均相对误差分别为29.49%,8.93%,8.70%和28.95%,8.63%,8.44%。Fe Ⅰ 406.36建立的回归模型预测结果优于Fe Ⅰ 404.58,三个回归模型中一元二次回归模型性能最优。由此可见,LIBS技术检测大豆油中的Fe元素具有一定的可行性,一元二次回归定量分析模型可以有效提高Fe元素预测浓度的精度。     

Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

水中铅元素的激光诱导击穿光谱-激光诱导荧光超灵敏检测

为了实现对水中有害重金属元素铅的超灵敏快速检测,保证饮用水源的安全,对激光诱导击穿光谱(LIBS)-激光诱导荧光(LIF)联用技术进行研究;采用木片吸水将液体样品分析转换为固体样品分析,消除了采用LIBS技术直接分析水样品时水对原子辐射以及光学收光系统的影响;采用一束可调谐染料激光共振激发激光等离子体中的铅原子,探测其LIF以大幅提高光谱分析的灵敏度;在优化的实验条件下得到水中铅的校正曲线。结果表明,在当前实验条件下铅的检出限可达到3.2×10-9,LIBS-LIF联用技术结合木片吸水法可以直接应用于水环境中痕量铅元素的超灵敏快速检测,从而可监控有害重金属造成的水源污染。     

应用激光诱导击穿光谱检测污水溶液中的砷

工业冶炼过程中产生的废水中含有As等重金属元素,对环境造成污染并对人类身体健康形成危害,有必要对其进行实时、在线的监测。激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新型的元素测量技术,具有快速检测等优点。文章作者搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,采用Nd∶YAG激光器产生的脉冲激光击穿样品产生等离子体,其发射的光谱被中阶梯光栅光谱仪分光,并用ICCD进行光电探测。对从现场采集的含砷工业废水开展了LIBS探测实验,并定性分析出了As元素的特征谱线。根据一系列含As浓度不同的污水样品的LIBS实验结果,获得元素浓度与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。采用定标曲线可以对未知含As浓度的工业废水进行定量分析。结果表明,采用LIBS方法能够实现对污水溶液中的As元素的快速检测,具有广泛的应用前景。     

激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段。本文介绍了LIBS技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限;综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展,以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、军事、太空领域的应用进展。最后,提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS技术目前所面临的问题和挑战。     

激光诱导等离子体光谱法检测合金钢组分的实验研究

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有无需样品制备,原位快速分析,可进行实时控制的特点使其在钢铁冶炼控制中具有巨大的实际应用价值。本文以波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器为激发光源,CCD为探测器,高合金钢GBW01605—01609系列为样品,在建立的LIBS实验装置上研究激光与合金钢之间的相互作用。系统地研究了观测距离、激光能量对高合金钢样品中激光诱导击穿谱特性的影响,并分析了LIBS信号的时间分辨特性,确定了将LIBS用于合金钢微量元素定量分析时的最佳实验条件。     

激光击穿光谱检测赣南脐橙中铬元素的实验研究

为评估激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对水果样品中重金属元素的检测潜力,选用在不同浓度梯度重铬酸钾水溶液中浸泡了30个小时的赣南脐橙样品进行LIBS实验,采集铬元素的特征谱线与峰值强度信息。在激光照射部位称取3 g左右的脐橙样品进行湿法消解,用原子分光光度计检测样品中的铬浓度。实验数据用Origin软件进行拟合后得到了谱线峰值强度和Cr浓度之间的关系曲线,即定标曲线,二者有线性关系,线性相关度0.981 66。由检测限公式计算得到铬浓度的检测限为11.68 μg·g-1。采用该定标曲线即可对赣南脐橙中的铬元素进行定量检测。实验结果表明LIBS技术是一种检测、定量分析水果样品中重金属元素含量的有效手段。     

激光诱导击穿光谱检测水溶液中的Cr

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对溶液中的重金属元素Cr进行分析,开发一种快速、实时、在线的原位检测技术。采用1064nm的Nd∶YAG脉冲激光发生器作为光源,在相同的实验条件下,对配制的5种浓度的K2Cr2O7溶液进行击穿以产生等离子体,选取Cr的425.43nm线作为特征谱线,利用光谱仪自带的CCD探测器对谱线的LIBS信号进行收集,获得了5种浓度下Cr元素的光谱强度,建立了Cr元素谱线强度与其浓度拟合曲线。结果表明,溶液中Cr元素的浓度与其LIBS谱线强度有很好的线性关系,线性拟合决定系数达到0.9822。实验所得的结果为LIBS技术探测水质中的微量有毒金属元素提供了可行性,同时也为LIBS技术检测水质中金属元素含量提供了依据。     

LIBS技术的沉积物中重金属元素Zn的分析研究

随着经济的发展,海洋、河流污染日益严重,沉积物是判断海洋、河流重金属污染程度的重要窗口,实际调查中也迫切需要能对沉积物污染程度快速检测的技术。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实时、样品预处理简单、多种元素同时检测等优点,是一种可用于在线分析沉积物中重金属元素的有效手段。应用实验室研发的便携式LIBS装置开展了沉积物中Zn元素的检测,该装置采用Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源,用单通道微型光纤光谱仪进行分光检测,装置整体尺寸为371 mm×192 mm×294 mm,可方便的进行现场测量。为实现LIBS技术对沉积物的定量分析,首先在实验室对沉积物的LIBS数据进行预处理,对八种沉积物样品进行干燥、过筛、混匀和压片处理后进行测量,通过对比采用四种不同标准化方法处理后光谱的相对标准偏差(RSD),确定最佳光谱标准化方法为结合等离子体特征的标准化,采用该方法后的RSD降至未标准化处理光谱的五分之一;之后分别采用单变量分析方法和带动量因子的自适应学习率三层BPNN算法进行定量分析, BPNN算法的训练相关系数R~2达到0.99,预测误差为3.2%,相比单变量定量分析方法预测结果改善了一倍。同时,针对现场快速分析,对比了不同干燥时间下沉积物光谱强度变化, 12 min后信号强度随干燥时间的变化不大,因此确定现场探测对沉积物的干燥时间为12 min。利用该装置在胶州湾海域六个不同站位进行了现场沉积物采集和测量试验,在甲板上对现场采集的沉积物样品快速烘干后进行LIBS探测,并采用上述实验室建立的定量方法对Zn元素进行浓度预测,与带回实验室采用原子吸收分光光度法(AAS)的检测结果相比, LIBS探测结果的平均误差为8.32%。验证了该装置应用于现场沉积物快速测量的可行性,同时证明了结合等离子体特征的标准化方法以及BPNN用于沉积物中Zn元素浓度预测的适用性。     

激光诱导击穿光谱的油茶炭疽病检测

油茶产业具有良好的经济和生态效益,深受国家重视。目前,炭疽病侵害油茶树日益加重,严重地降低了产量,导致油茶产业的效益直接受损。所以找到一种快速、准确、方便的油茶炭疽病检测方法是非常必要的。激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种低成本、微损伤、无残留的技术,能够对多种成分快速实时检测。采用LIBS结合化学计量学方法对油茶炭疽病的定性检测方法进行研究。实验样品采摘于油茶种植区,分别采集了100片健康油茶叶片和100片感染炭疽病的油茶叶片。将采集的叶片进行微处理,即首先进行反复冲洗去除叶片表面污渍,然后进行分类、装袋和标号,最后进行LIBS光谱采集实验。实验设备为海洋光学的MX2500+, LIBS实验参数设置为激光能量50 mJ,最优延迟时间2μs,每个叶片采集6条光谱数据,并求其平均。在油茶叶片LIBS光谱的波长251.432 nm处观察到Si的特征峰、分别在252.285, 259.837和385.991 nm处观察到Fe的特征峰、分别在260.568, 279.482和280.108 nm处观察到Mn的特征峰。实验结果:油茶叶片中的微量元素Si, Fe, Mn的LIBS信号与油茶叶片的健康程度有直接关系,健康油茶叶片中Si, Fe和Mn的特征峰强度明显高于感染炭疽病的油茶叶片中Si, Fe和Mn的特征峰强度;此外,利用LIBS技术结合MSC光谱预处理和PCA分类法,对油茶叶片的健康和感染炭疽病的两个状态进行分类处理。PC1, PC2和PC3的贡献率分别为80%, 12%和6%,建立三维模型分类,可以清晰地将油茶叶片的两种状态区分出来。同时,还利用PLS-DA建立模型,模型的识别率高达90%以上,可以对油茶叶片两种类别进行较好的分类。以上两种化学计量方法都可以区分油茶叶片的健康和染病两种状态。研究表明了利用LIBS技术检测油茶炭疽病是可行的。可以利用LIBS技术对油茶叶片的微量元素和营养元素进行定量检测,为定量检测提供了参考。提出了一种快速检测油茶炭疽病的新方法。     

基于LIBS技术的钢铁合金中元素多变量定量分析方法研究

针对钢铁合金样品元素组成相对复杂,基体效应较严重的问题,利用激光诱导击穿(LIBS)光谱技术对钢铁合金中的元素进行了定量分析。以Nd∶YAG脉冲激光器基频1 064 nm波长激光作为激发光源,采用中阶梯光栅光谱仪和ICCD分光探测钢铁合金样品的LIBS光谱。通过优化实验确定最佳探测延时为1.5 μs,最佳探测门宽为2 μs,激光聚焦点位置在实验样品靶面以下1.5 mm。采用单变量定量分析、多变量线性回归和偏最小二乘(PLS)三种方法分析钢铁合金中Cr元素和Ni元素的含量。结果表明,采用单变量定标方法定标曲线相关系数不高,对待测样的预测误差相对较大,难以有效地定量分析基体元素复杂的钢铁合金中金属元素的含量;采用多变量线性回归分析方法能有效提高定量分析的精度;采用PLS方法得到的Cr和Ni元素的拟合曲线相关系数r分别为0.981和0.995,对两个待测样品中Cr元素和Ni元素的预测相对误差在6.4%和7.1%以内,分析结果优于多变量线性回归方法。可见,采用多变量校正的PLS方法能更有效地校正基体效应对定量分析的影响,提高定量分析的精度。     

基于激光诱导击穿光谱技术的土壤泥浆中Pb元素检测

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新兴的元素分析技术,具有实时在线、非接触、多元素同时探测等渚多优点.将LIBS技术引入土壤泥浆重金属污染的检测分析,力图发展一种针对泥浆重金属污染监测的原位传感技术.实验选择Pb作为探测元素,Mn为内标元素;采用重复频率10 Hz的Nd:YAG调Q激光器的二倍频(532 nm)输出作为激发光源,OCD收集信号,对实验室配制的不同浓度Pb泥浆样品的LIBS信号进行了探测分析.获得了各种浓度下Pb泥浆样品在Pb 405.78 nm和Mn 403.07 nm处的原子线强度比IPb/IMn及其随浓度变化的规律.结果显示IPb/IMn与样品的含铅浓度有着很好的线性关系,线性拟合相关系数R2达到0.994 9.初步证实了采用内标法对土壤泥浆中重金属Pb进行LIBS检测分析的可行性.文章还对泥浆重金属LIBS检测的影响因素进行了讨论.     

铅的单脉冲LIBS定量光谱检测与比较

单脉冲激光诱导击穿光谱技术(single-shot,LIBS)是一种在国际上被广泛使用的物质及元素检测技术,具有快速、准确、无需样品制备等诸多优点.为了满足单脉冲LIBS的实验要求,实验用激光器的选取是非常重要的,它直接关系到诱导激光的强度以及脉冲宽度的大小,而这些又对实验结果产生深刻的影响.因此,选取正确的激光器,是单脉冲LIBS成功的关键.正是基于这个目的,比较了不同波长、不同激光能量的激光脉冲作用下,纯铅发射光谱的定量变化,对于单脉冲LIBS中激光器的选取有着很好的借鉴意义.     

Spectroscopic analysis using a hybrid LIBS-Raman system

A novel setup, combining two spectroscopic techniques, laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) and Raman spectroscopy in a hybrid unit, is described. The work presented herein is part of a broader project that aims to demonstrate the applicability of the hybrid LIBS-Raman unit as an analytical tool for the investigation of samples and objects of cultural heritage. The system utilizes a nanosecond pulsed Nd:YAG laser (532 nm) for both LIBS and Raman analysis. In the Raman mode, a low intensity beam from the laser probes the sample surface and the scattering signal is collected into a grating spectrograph coupled to an intensified charge-coupled device (ICCD) detector, which records the Raman spectrum. In the LIBS mode a single high intensity pulse from the laser irradiates the sample surface and the time- and spectrally-resolved emission from the resulting laser ablation plume yields the LIBS spectrum. The use of a non-gated CCD detector was found to produce similar quality data (in terms of S/N ratio and fluorescence background) in the Raman mode, while in the LIBS mode spectral features were clearly broader but did not prevent identification of prominent atomic emission lines. Several model pigment samples were examined and the data obtained show the ability of the hybrid unit to record both Raman and LIBS spectra from the same point on the sample, a clear advantage over the use of different analytical setups. PACS 39.30.+w; 82.80.Dx; 82.80.Gk; 52.38.Mf     

Elemental analysis in environmental land samples by stand-off laser-induced breakdown spectroscopy

The stand-off detection and analysis of environmental land samples have been demonstrated using laser-induced breakdown spectrometry. The samples of interest have included soils and vegetation powder. Elements Hg, As, Pb, Zn, Cd and Cr have been spectrally analysed with a focus on Hg as a trace contaminant in the samples. It is found that element Fe, usually contained in land samples, is a main source of spectral interference for Hg detection due to its ever present iron emission line at 253.68 nm that is closely adjacent to the strongest Hg emission line at 253.65 nm, and hence, a high resolution of spectral detection is necessary. The strong spectral signals from Bremsstrahlung emission in laser-induced plasma and atomic emission of Fe of high concentration caused a significant reduction in detection resolution in the use of image intensifier of an ICCD. The limit of detection at ~8 ppm for Hg detection in soil samples with iron as a minor constituent has been achieved, using an optical chopper and a CCD detector for laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) signal detection. Such detection method in LIBS system has shown a great advantage in determining trace elements from interfering elemental constituents in land sample matrixes.     

太阳对成像型天基激光告警系统的影响

针对成像型天基激光告警系统中的太阳背景辐射问题,通过理论分析和数值计算研究了太阳与系统探测器不同空间位置关系时直射太阳光和地球反射太阳光对系统成像信噪比、威胁激光检测、探测器自身安全的影响.结果表明:太阳光是天基激光告警系统的主要背景辐射,地球反射太阳光是系统红外探测器成像的主要背景光|反射太阳光辐照在探测器像面上的最大能量密度为0.97 mJ/cm2,反射太阳光背景下,攻击激光成像信噪比在103以上,信标激光信噪比小于1,反射太阳光对攻击激光检测没有影响,对信标激光成像是强背景干扰|直射太阳光辐照探测器是系统不可避免的情况,太阳成像光斑功率密度最大时约20 W/cm2,将导致探测器像元饱和甚至损坏|太阳成像光斑特征与入射激光相似,会造成系统严重虚警.     

Quantitative analysis of lead in aqueous solutions by ultrasonic nebulizer assisted laser induced breakdown spectroscopy

In this study, an ultrasonic nebulizer unit was established to improve the quantitative analysis ability of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for liquid samples detection, using solutions of the heavy metal element Pb as an example. An analytical procedure was designed to guarantee the stability and repeatability of the LIBS signal. A series of experiments were carried out strictly according to the procedure. The experimental parameters were optimized based on studies of the pulse energy influence and temporal evolution of the emission features. The plasma temperature and electron density were calculated to confirm the LTE state of the plasma. Normalizing the intensities by background was demonstrated to be an appropriate method in this work. The linear range of this system for Pb analysis was confirmed over a concentration range of 0–4,150ppm by measuring 12 samples with different concentrations. The correlation coefficient of the fitted calibration curve was as high as 99.94% in the linear range, and the LOD of Pb was confirmed as 2.93ppm. Concentration prediction experiments were performed on a further six samples. The excellent quantitative ability of the system was demonstrated by comparison of the real and predicted concentrations of the samples. The lowest relative error was 0.043% and the highest was no more than 7.1%.     

铝合金中铬元素的时间分辨激光诱导击穿光谱高灵敏检测

为了消除在激光诱导击穿光谱(LIBS)信号检测时等离子体中强的轫致电子辐射对光电倍增管和前置信号放大器造成的不良影响,提高信号检测灵敏度,设计了一种基于CR110的门控端窗光电倍增管并用于LIBS中的微弱信号检测。该门控光电倍增管与前置信号放大器组合运用既可以成功抑制激光等离子体中强的轫致电子辐射的背景干扰,又可以进一步放大微弱的原子辐射信号,提高光谱分析的灵敏度。用LIBS分析铝合金标样中的微量铬元素,采用该门控光电倍增管时其检出限可以达到5.55 ppm,与采用普通光电倍增管的相比改善了近6倍,显示出该门控光电倍增管在时间分辨信号检测领域良好的应用效果。