低气压下土壤中Pb等离子体光谱特性

用Nd∶YAG激光诱导激发土壤等离子体,研究了环境压力(在1.01×105与1×102 Pa之间)对土壤等离子体辐射特性及元素检出限的影响。结果表明,随着气压的降低,土壤等离子体的谱线强度、信背比先增大后减小,最高均可达常压下的1.69倍;电子密度同样呈现先增大后减小的趋势,在气压8×104 Pa下达到最大值3.56×1016 cm-3,比常压下高出1.5×1015 cm-3;在气压8×104 Pa下诱导激发等离子体发射光谱与常压下相比有较好的稳定性和较高的精密度。20次重复实验得到土壤等离子体分析线信号强度的相对标准偏差为1.1%,明显低于常压下的3.5%,低气压下稳定性显著提高。应用内标法对自制土壤中Pb元素建立定标曲线,计算得到气压8×104 Pa下土壤中Pb元素的检出限为57.27 mg·kg-1,较常压下降低了39.23 mg·kg-1。表明适当的低压环境可以有效提高LIBS的光谱检测灵敏度,改善元素分析的检出限以及增加光谱定量分析的准确度和精密度。     

熔融Cu55团簇在铜块体中凝固过程的分子动力学模拟

应用基于嵌入原子势函数的分子动力学方法,模拟了嵌入在具有面心立方结构同质块体中的熔融Cu55团簇在不同急冷温度下微观结构的演变情况.通过计算熔融Cu55团簇的均方位移和原子平均能量随时间步的变化,并应用键对分析技术,分析了急冷温度对熔融Cu55团簇结构变化的影响.研究结果表明,由于受到块体结构的影响,在所研究的急冷温度范围内,熔融Cu55团簇在凝固过程中形成了以面心立方结构为主的微观结构.结晶过程是原子不断交换其位置的过程,团簇原子位置的重排敏感于温度的变化.随着急冷温度的升高,原子的扩散范围增大.在100,300和500 K三个较低的温度下有利于形成稳定的面心立方结构,但当急冷到100 K时,团簇中的原子在没有找到其最佳位置之前就已经完成晶化.在急冷到500 K时,团簇中的原子在块体中扩散充分,与块体中的原子形成理想的面心立方结构.在700,900和1100 K三个较高的温度上,局域结构表现为随时间步波动性变化.     

激光诱导击穿铜特征谱线自吸收特性研究

应用Nd∶YAG脉冲激光器(532 nm)作为光源,诱导激发TU0Cu样品。以光栅光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件,在30～110 mJ激光能量范围和触发后211～230 μs时间范围内对Cu(Ⅰ)特征谱线324.754,327.396,510.554,515.324和521.320 nm的自吸收特性进行比较研究。研究表明,特征谱线自吸现象随时间增加逐渐减弱,经过5～20 μs逐步消失;在50～100 mJ能量范围内,随着激光能量的增大,谱线的自吸收程度增加,持续时间变长。同时特征谱线的自吸收特性因谱线跃迁能级状态不同而存在差异,具有相同原子组态的324.754,327.396 nm和515.324,521.320 nm两组谱线的自吸收程度随时间和激光能量的演变以及自吸持续时间随能量的变化都分别表现出相似的特征,且总角动量J较大(324.754 nm,1/2-3/2;521.320 nm,3/2-5/2)的谱线自吸收程度相对明显,持续时间较长,受能量变化影响敏感,自吸收程度随能量变化幅度也较大。谱线510.554 nm(3d104p-3d94s2)在能量小于80 mJ时自吸程度较低,持续时间较短;能量在80～100 mJ范围内时自吸程度加大,持续时间变长。     

明胶水凝胶固化方法的水体中铜元素LIBS检测研究

水污染已是当今世界最严重的环境问题之一,如何提高水体重金属污染检测灵敏度、降低检测限、减少样品预处理程序、实现原位分析等已成为科研工作关注的热点。基于明胶水凝胶固化方法开展了CuSO₄溶液中Cu元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)检测研究。采用Nd∶YAG激光器（输出波长1 064 nm,脉宽8 ns）作为激光光源,将明胶与CuSO₄溶液混合并通过加热、搅拌、老化等操作将CuSO₄溶液制成凝胶状固体,选取Cu Ⅰ 324.7 nm和Cu Ⅰ 327.4 nm作为分析谱线,通过研究铜等离子体光谱强度随明胶与CuSO₄溶液质量比例的变化关系,获得了明胶CuSO₄溶液质量比例为2.5%的最佳实验条件,与直采CuSO₄溶液相比Cu Ⅰ 324.7 nm和Cu Ⅰ 327.4 nm的光谱强度分别增加了2.26和2.11倍,信背比分别增强了190.74和318.77倍。在明胶与CuSO₄质量分数比为2.5%的最佳实验条件下,制备了Cu2+浓度分别为8,12,16,24,48和64 mg·L-1的CuSO₄标准溶液的明胶凝胶样品,分别采用100,80和60 mJ激光能量对制备的6种浓度的CuSO₄标准溶液的明胶凝胶样品进行LIBS检测分析,建立了分析线Cu Ⅰ 324.7 nm和Cu Ⅰ 327.4 nm的定标曲线。在激光能量100,80和60 mJ下,Cu Ⅰ 324.7 nm的线性拟合系数R2分别为0.999,0.989,0.984,检测限分别为0.30,0.66和6.37 mg·L-1;Cu Ⅰ 327.4 nm的线性拟合系数R2分别为0.997,0.973和0.956,检测限分别为0.45,0.88和10.20 mg·L-1。研究结果表明：明胶水凝胶固化方法能够增强CuSO₄溶液中铜元素LIBS光谱强度,有效提高了LIBS在水体重金属检测中的灵敏度,减低了检测限。分析线Cu Ⅰ 324.7 nm线性拟合系数和检测限均优于Cu Ⅰ 327.4 nm,检测限和线性拟合系数随激光能量的增加改善程度增强,在激光能量100 mJ时,Cu Ⅰ 324.7 nm的定标曲线的线性拟合系数R2为0.999,检测限为0.30 mg·L-1,达到了富集方法的检测水平。明胶水凝胶固化方法样品制备程序简单,未引入污染元素,为LIBS技术应用于水体重金属污染检测提供了一种新方法。     

甲苯胺蓝的变温红外光谱研究

甲苯胺蓝(Toluidine blue,TB)是一种重要的生物染色剂和光敏剂。采用红外光谱研究了TB在25—250℃区间内的分子热稳定性。在25—160℃区间内TB的红外吸收光谱没有明显变化,表明其分子结构在此温度区间保持稳定。在160—248℃区间内,随着温度的升高TB在3687、3429、1832cm~(-1)和1756cm~(-1)处的吸收峰逐渐下降,特别是当温度升高到248℃时,这4个吸收峰迅速减小,这可能是由N—H、C=N和C=S键断裂所致。研究结果表明TB具有较宽的使用温度区间,在160℃以下具有较好的热稳定性,为TB的实际应用提供重要的参考依据。     

熔融Cu55团簇在铜块体中凝固过程的分子动力学模拟

应用基于嵌入原子势函数的分子动力学方法,模拟了嵌入在具有面心立方结构同质块体中的熔融Cu₅₅团簇在不同急冷温度下微观结构的演变情况.通过计算熔融Cu₅₅团簇的均方位移和原子平均能量随时间步的变化,并应用键对分析技术,分析了急冷温度对熔融Cu₅₅团簇结构变化的影响.研究结果表明,由于受到块体结构的影响,在所研究的急冷温度范围内,熔融Cu₅₅团簇在凝固过程中形成了以面心立方结构为主的微观结构.结晶过程是原子不断交换其位置的过程,团簇原子位置的重排敏感于温度的变化.随着急冷温度的升高,原子的扩散范围增大.在100,300和500 K三个较低的温度下有利于形成稳定的面心立方结构,但当急冷到100 K时,团簇中的原子在没有找到其最佳位置之前就已经完成晶化.在急冷到500 K时,团簇中的原子在块体中扩散充分,与块体中的原子形成理想的面心立方结构.在700,900和1100 K三个较高的温度上,局域结构表现为随时间步波动性变化. 关键词： 团簇 分子动力学 计算机模拟 凝固     

小尺寸铜团簇冷却与并合过程中结构变化的原子尺度研究

研究Cu_N（N=57,58,59）熔融铜团簇在冷却过程以及300 K时两个具有二十面体结构Cu₅₅团簇在并合过程中的结构变化.对这些小尺寸团簇的结构变化采用基于嵌入原子方法的正则系综分子动力学进行计算机模拟.通过对模拟结果的分析表明,小团簇的冷却和并合过程存在阶段变化的特点.降温过程中Cu_N（N=57,58,59）团簇的原子运动及其微观结构变化表现出较大差异,由此导致这三类团簇内原子排布的不同,其中Cu₅₉团簇结构的有序程度最低.在两个Cu₅₅团簇并合早期阶段,这两个团簇相接触后发生变形导致原子位置出现较大改变,在随后的并合过程中,原子扩散引起原子局部位置调整导致所并合体系的结构发生变化.远离两个团簇接触区的原子仍保持其并合前的结构. 关键词： 团簇 分子动力学 计算机模拟 表面     

铜合金自体小孔约束等离子体辐射增强作用研究

为了提高激光诱导击穿光谱的质量,探索便捷的等离子体辐射增强方法,采用自体空间约束的方法,研究了铜合金自体小孔约束对激光诱导等离子体辐射的增强作用。在常压空气中,利用Nd∶YAG脉冲激光器作为激发源,诱导激发HPb59-1铅黄铜合金样品,由光栅光谱仪和ICCD采集光谱,分析了Cu和Pb元素的等离子体辐射强度随自体小孔尺寸的变化情况,得到自体小孔约束的最佳尺寸为直径3.0 mm、深度1.5 mm。与无约束时相比,Cu和Pb的谱线强度分别提高了38.3%和35.4%,信背比提高了200.2%和137.5%。研究结果表明,自体小孔约束方法能够有效改善激光诱导击穿铅黄铜合金样品的谱线质量,避免外加约束结构的内壁污染对实验结果的干扰,方法简单易行。     

长脉宽激光诱导击穿土壤等离子体的光谱特性研究

采用长脉宽激光(500 μs)作为激发光源,研究了长脉宽激光在低能量密度条件下诱导击穿土壤等离子体的光谱特性。实验发现,在长脉宽激光的激发下等离子体光谱特性与纳秒及超短脉宽激光相比存在较大的差异,在402~409 nm波段和420~436 nm波段,土壤等离子体光谱均没有出现强烈的连续背景辐射阶段,所激发产生的等离子体发光寿命可持续220~270 μs。特征谱线PbⅠ405.78 nm和CrⅠ425.43 nm分别在210和190 μs时出现,且谱线强度均随时间延长而逐渐增加,分别在延时320和350 μs时达到最大值。研究结果表明,采用长脉宽激光作为激发光源,增加了激光与物质相互作用的时间,有助于激发形成发光时间较长的“准稳态等离子体”;应用内标法建立了Pb和Cr元素校准曲线,8次重复实验得到分析线与内标线净信号强度比值的相对标准偏差为2.21~6.35%,长脉宽激光激发产生的等离子体发光稳定;计算得到土壤中Pb和Cr元素的检测限分别为34.7和40.0 mg·kg-1,达到国家土壤环境质量标准规定的一级含量要求;长脉宽激光激发产生等离子体的电子温度为6 612 K,电子密度为3.7×1017 cm-3,达到了局部热平衡状态。     

纳米晶304不锈钢高温氧化膜中Cr和Mn元素的XPS和UPS表征

利用X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）,对比研究了普通304不锈钢（CP-SS304）和深度轧制技术制备的块体纳米晶304不锈钢（BN-SS304）在900 ℃空气中氧化24 h后形成的高温氧化膜中Cr和Mn元素的结合能、原子百分比、价电子的相互作用和功函数,分析了BN-SS304表面电子结构的特征。结果表明：两种材料氧化膜中Cr元素以Cr3+和Cr0存在,Mn元素以Mn4+和Mn0存在,在不同溅射时间,BN-SS304氧化膜中Cr3+与（Cr3++Cr0）原子百分比和Mn4+与（Mn4++Mn0）原子百分比均低于CP-SS304氧化膜中的比值。两种材料氧化膜中价电子之间的相互作用主要有Mn—O,Cr—O,Mn0(3d和4s)和Cr0(3d和4s)。与CP-SS304相比,BN-SS304氧化膜表面价电子之间的相互作用强,其功函数比CP-SS304提高0.07 eV, BN-SS304的耐高温氧化性能增强。