Applications of Laser-Induced Breakdown Spectrometry

INTRODUCTION

When a high-powered laser beam is focused onto a small area or spot of a solid surface, the temperature of the locally heated region rises rapidly to the vaporization temperature of the solid material and an optically induced plasma, frequently called a laser-induced plasma (LIP) or laser-ablated plasma (LAP) or laser spark is formed at the surface. The plasma will be formed when the laser power density exceeds the breakdown threshold value of the solid surface. Although different materials have different breakdown thresholds, an optical plasma is produced when the laser power density exceeds several megawatts per centimeter squared (10⁶ - 10⁹ W/cm²). This plasma has been used for sampling, atomization, excitation, and ionization in analyhcal atomic spectroscopy. It has also been frequently used and proposed as a source for atomic emission spectrometry (AES). In this case the technique is most ofien referred to as laser microprobe optical emission spectrometry (LM-OES) developed by Brech and Cross [1] in early nineteen-sixties or more recently called laser-induced breakdown spectrometry (LIBS) [2,3]. Generally, this analyhcal technique involves two steps; the pulsed focused laser beam directed into a gaseous sample or the surface of a solid or liquid, to produce a transient LIP, followed by the measurement of a characteristic atomic emission signal related to some species present in the plasma. The LIP formed is tightly focused and consists of vaporized atoms, ions, electrons, and molecular fragments. The application of LIBS for direct spectrochemical analysis is a rapidly growing field ranging from the detection of atmospheric pollutants to monitoring of material production processes, and even to “clean-room” technology. Laser ablation techniques have also been applied for solid sample introduction into other plasma sources [4–9]. In recent years, the powerful technique of LIBS as an analytical tool has been recognized by a number of research groups, and has led to an increasing number of publications on the applications of LIBS both in the laboratory and in industry. This growing success of LIBS is a result of thorough research carried out to understand the related plasma physical processes, aided by marked improvements in laser systems and photodetector technology.     

农田土壤中钾元素含量的激光诱导击穿光谱测量方法

农田土壤中钾元素的实时测量具有重要的意义。利用由1 064 nm激光器、高分辨率光谱仪组成的激光诱导击穿光谱系统,研究了土壤总钾含量的LIBS测量方法。文章对钾元素含量在8.74～34.56 g·kg-1之间的农田土壤样品进行分析,比较了404.40,404.72,766.49和769.90 nm的钾原子特征谱线,并选取766.49 nm为本研究的分析谱线。分析了激光器稳定性、随机噪声造成的谱线强度误差,并以农田土壤中含量相对稳定的硅元素为参照元素,建立K和Si光谱强度比值与土壤中K元素含量关系的内定标模型。定标曲线拟合相关系数为0.935,定标模型对预测集样品的预测标准偏差为9.26%。     

石墨炉原子吸收光谱法直接测定铝合金中的痕量铍

本文叙述了痕量铍在铝合金中的重要作用以及石墨炉原子吸收光谱法测定铝合金中痕量铍的方法研究。该方法用硝酸（１＋１）溶解样品。０．１０ｍｇ／ｍＬ以上的铝具有增感效应，铍在０－０．２５μｇ／１００ｍＬ的范围内具有良好线性关系。该方法操作简便、灵敏度高，特征浓度为１．０５×１０￣（－５）μｇ／ｍＬ／１％。相对标准偏差为１．６６％，回收率在９６％－１０２．５％。     

激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属元素Cr的定量分析

为促进LIBS技术在土壤微量重金属元素检测中的应用,提高特征谱线的光谱强度和信背比,对实验参数进行优化,并对Cr元素进行分析.首先对激光器激发能量、样品距透镜距离和光谱仪采集延时等实验参数进行优化.对比激光器能量从60 m J到110 m J的谱线强度和信背比,当选用90 m J的激发能量时可以得到最佳实验结果.其次,...     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

水溶液中微量Cu元素的激光诱导光谱检测

采用普通打印纸作为基底置于含有痕量重金属离子的水溶液中,用于富集溶液中的重金属Cu元素,烘干后用激光诱导击穿光谱进行定量分析。该方法克服了用激光诱导击穿光谱方法直接分析液相样品中重金属含量时存在水的溅射和灵敏度低等不足。实验中选用324.7 nm的光谱线作为分析线,研究了光谱强度与富集时间的关系,建立了用于溶液中Cu元素定量测量的校正曲线,检测限达到0.023 mg·L-1。为水体中重金属检测提供了一个可行的具有良好灵敏度分析技术。     

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。     

Spectral Characterization of Nitrogen in Farmland Soil by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Nitrogen is one of the most important elements in farmland soil, and nitrogen content is one of the evaluation indicators of fertilizers. It is difficult to measure the nitrogen content in farmland soil because the chemical and physical properties of farmland soil are complex. Through the adoption of buffer gases to remove the influence of the nitrogen in air, this paper studied the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) characteristics of nitrogen in soil to establish a foundation for in situ measurement of nitrogen in farmland soil. Three characteristic spectral lines have been found. Based on the precise controlling of laser power and triggering of delay time between laser generation and spectra collection, we have studied the effects of laser energy on LIBS spectral characteristics and the time evolution characteristics to supply the basis of parameter optimization for the measurement. In addition, we have studied the relationship between nitrogen concentration and LIBS spectral intensity. The results demonstrated that LIBS was an effective measurement method of nitrogen content in farmland soil with simple hardware structure, fast detection, and high precision.     

激光诱导击穿光谱分析钢中酸不溶铝含量

激光诱导击穿光谱(LIBS)具有分析速度快、非接触测量、表面微区分析以及易于实现在线实时监控分析等优点。通过LIBS对块状钢铁样品表面进行扫描分析,实现了钢中酸不溶铝含量的定量表征。铝的异常信号采用Nalimov迭代法剔除,以剩余信号强度的平均值加三倍标准偏差作为阈值强度,高于阈值强度的信号认为由酸不溶铝产生,反之由酸溶铝产生。在用含量校准曲线获得钢中总铝的含量后,分别根据酸不溶铝信号总强度或信号总个数与总铝信号之比,计算钢中酸不溶铝的含量。几种钢铁标准样品及实际生产板坯样品中酸不溶铝含量的对比分析结果表明,根据铝信号总强度获得的分析结果与传统湿法分析结果吻合得更好,可用于快速定量表征钢中酸不溶铝的含量。     

激光诱导击穿光谱对四种香的快速检测

激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。对四种香(艾草香、藏香、檀香、沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析, 得到了样品中元素的成分;并且对四种香样品中的Cu,Mn,Ca和Fe四种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析和元素含量的对比。基于等离子体的局域热动力学的平衡模型, 计算了Ca元素的等离子体温度。实验结果为采用激光诱导击穿光谱对香品成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。     

激光击穿光谱技术监测固土过程中阳离子交换

为了实时探测离子土固化剂(ISS)在固土过程中的阳离子交换量(CEC),采用激光击穿光谱技术(LIBS),对ISS处理后的土壤溶液中的K、Ca、Na、Mg、Al、Si这6种离子含量进行探测。分别对由不同配比(1∶100、1∶200和1∶300)的ISS处理过的高岭土、膨胀土、红粘土等5种标准土壤进行了研究,结果表明:同一土壤中的各种离子随ISS配比的变化趋势各不相同;不同土壤与ISS作用的效果各不相同;ISS的配比并非越高越好。这些工作为ISS固化机理的研究提供实验依据,而利用激光击穿光谱技术进行探测的方式为ISS固化机理的研究提供了新的思路。     

微波消解-塞曼石墨炉原子吸收法测定土壤中的痕量铍

采用微波制样技术和石墨炉原子吸收法测定土壤中痕量铍。方法的线性范围为0－10μg.L^－1，检出限为0．076ng.g^-1，相对标准偏差为2．64％，回收率为98．7％。本方法准确、快速、简便、并与常压酸消解法的结果比较，基本一致。     

基于激光诱导击穿光谱技术检测分析原铝中硅、铁元素含量

利用自行搭建的LIBS装置对原铝中硅铁含量进行了分析测试,测试前对原铝试样进行了微观形貌分析,研究发现原铝中硅元素除有个别区域聚团现象外,其分布相对较为均匀;铁元素多以团状汇聚形态出现,且无明显的分布规律。实验分别考察了激光脉冲能量对激光诱导原铝等离子体光谱的影响,发现随着激光脉冲能量的增大,硅、铁元素信噪比先增加后减小,硅、铁谱线信噪比最大值均出现在160 mJ处,实验选取的激光脉冲能量为160 mJ。在上述较为合理的实验条件下,以内标法为基础,分别采用两种标样（纯铝标样与自选标样）建立了定标模型;结果表明：相比于纯铝标准试样,采用自选试样建立的定标模型不够理想,且数据的离散程度较大,铁元素直线拟合优度仅为0.921 3,相对标准偏差也较大。采用纯铝标样时,在试样不旋转的情况下,硅、铁元素定标曲线拟合优度分别为0.961 1与0.974 1,相对标准偏差分别为8.85%与9.43%,且误差棒显示误差随定标试样的硅、铁含量升高而增大。当试样台保持转速50 r·min-1条件下进行实验,发现硅、铁元素定标曲线的拟合优度分别为0.978 5与0.988,相对标准偏差分别为3.78%与3.4%,相比于试样平台固定情况下的定标结果,拟合优度明显改善,相对标准偏差也有所降低,定标模型明显优于自选试样建立的模型。使用两种定标模型对25个测试样进行了分析测试,比较了两种测试结果的相对误差,纯铝定标试样由于含量梯度较大,跨度较宽,采用该标样建立的定标模型对低铁原铝试样测试适应性相对较差,而自选试样建立的定标模型虽然不够理想,但针对低铁原铝试样的测试适应性相对较好。对激光诱导原铝产生的等离子体进行了诊断,通过镁元素几条离子谱线的玻耳兹曼图,计算出了等离子体温度约为9 163.63 K,利用镁元素一条谱线的Stark展宽估算出等离子体电子密度为1.69×1017 cm-3,验证了激光诱导原铝等离子体处于局部热力学平衡状态的假设是成立的。     

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。     

塞曼效应石墨炉原子吸收法测定河水中微量铍

以镧或钡盐涂覆石管，大幅度提高测定铍的灵敏度和稳定性，并用铝或钙为基体改进剂，消除干扰，方法简便，快速，回收率９２．６％－１０５．０％，ＲＳＤ〈１０．２４％。