采用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度

阐述了激光诱导击穿技术的基本原理,研究了激光诱导击穿光谱技术在探测等离子体温度方面的应用,并进行了实验研究。在等离子体达到局部热平衡时,通过探测Cu的等离子体特征谱线相对强度的方法,达到用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度的目的。实验结果表明,该方法方便、快捷,具有一定的实际应用价值。     

火焰发射光谱对K元素激光诱导击穿光谱测量的影响

在煤和生物质燃烧过程中,燃料中的碱金属元素会发生气态释放,并在随烟气降温的过程中凝结,产生热力设备结渣、腐蚀、积灰等问题,影响设备的安全运行。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是测量煤/生物质火焰中碱金属元素分布的有效手段。建立了一套火焰场内K元素的LIBS测量系统,分别测量了不同ICCD门宽时间条件下火焰场内K元素的火焰发射光谱(FES)信号和LIBS信号,并计算、比较了二者的信号强度随测量系统ICCD门宽时间变化的规律。实验结果表明,相同ICCD门宽时间条件下,火焰场内K元素LIBS信号强度显著高于FES信号强度。随着ICCD门宽时间的增加,二者的信号强度均逐步增加,但是二者的增速变化规律并不相同:K元素LIBS信号强度的增加速度呈现出先快后慢的变化规律;K元素FES信号强度则呈现出线性增加的规律。同时,相同ICCD门宽时间条件下,K元素LIBS信号强度与FES信号强度的比值在ICCD门宽时间为0~8μs的范围内迅速升高至约4;之后,随着ICCD门宽时间的增加,该比值缓慢下降并逐步趋近于1。通过分析火焰场内K元素FES对LIBS测量影响的原理,提出了合理选取LIBS测量系统ICCD门宽时间,使得K元素LIBS信号强度与FES信号强度的比值最大化,从而降低K元素FES对LIBS测量影响,优化了提高火焰场内K元素LIBS信号测量准确度的方法。     

应用LIBS技术测量土壤重金属Cr含量

应用激光诱导击穿光谱分析技术(laser-induced break-down spectroscopy, LIBS)开展了土壤中重金属铬元素含量探测研究。实验中激光波长为1 064 nm, 脉冲宽度为8 ns, 重复频率10 Hz,选取Cr 427.4 nm作为光谱分析谱线。实验结果表明,在光谱采集相对于激光脉冲延迟时间为4.78 μs, 土壤样品表面位于聚焦透镜焦后1 mm的实验条件下, Cr元素浓度测量的相对标准偏差(RSD)为12.1%, 检测限为2.01 ppm, 元素实验测量与标准值的相对偏差为5.15%。可以看出LIBS技术具有低检测限、测量精度高等优点, 这对土壤中重金属污染和监测环境质量的精确、快速检测等问题具有重要意义。     

激光诱导击穿光谱技术快速探测煤灰中的重金属锌

煤灰的成分指的是煤中矿物质的完全燃烧,产生各种金属和非金属氧化物和盐,这是使用煤时的重要参数。煤被广泛用于生产和人民生活,作为重要的能源物质。大量来自燃煤燃烧的煤尘（煤灰）被释放到大气中并与大气中的各种物质相互作用而形成雾霾。煤灰中的金属氧化物和空气中的小液滴之间发生一系列物理化学反应,这导致了雾霾的形成。在实验中,采用激光诱导击穿光谱（LIBS）分析煤灰中的元素。实验样品由某钢铁公司提供,分为七个样品,并标上序号。样品分别加入蒸馏水和0.1‰,0.2‰,0.2％,0.4％,0.8％,1％硫酸锌溶液,分别用1～7号标记。为了获得更好的LIBS信号,样品被研磨为粉末状,并使用蒸馏水使硫酸锌与煤灰充分混合。通过使用压片机将煤灰压制成10 mm直径和10 mm厚的煤灰块。为获得准确的元素结果,X射线荧光光谱也被用作参考,并且原始样品不含锌元素。由于光谱分析和波长漂移现象的不确定性,因此实验中,分别选择了铁,钙,钛和铝四种高纯单质。在相同的实验条件下,将四条测量的元素谱线与NIST原子光谱数据库中相应的谱图比较。实验中的所有光谱根据波长差或偏移进行校正。此时,纯单质的元素谱线可以与样品的光谱对齐。当元素谱中的特征线与样品中的谱线对齐时,样品就可以被识别和确认。由于铝元素与目标元素具有相似的化学和物理性质,铝元素是煤灰和地壳中的主要元素之一,具有中等的光谱强度。因此将铝元素作为内标元素,运用内标校准方法来确定样品中锌的浓度。模拟含锌大气气溶胶是通过向煤灰中添加含锌元素来实现的。还有一些其他的金属元素,包括铁,钙,锰,钛和铝也被用来加入煤灰中,用以模拟大气气溶胶。两种方法的相对差异分别为1.78％,3.39％,5.17％,0.20％。造成差异的原因可能是由于光谱仪缺乏分辨率或背景噪声的影响,这是可能导致测量误差的原因之一。由于实验室条件的限制,无法确定基底是否会影响实验结果,这将在未来的实验中得到进一步的证实。实验拟合曲线测得煤灰中锌的线性相关系数为0.995 72,这表明可以通过粗略估算锌的激光强度来估计煤灰中的锌含量的实现。实验结果证明LIBS技术可用于煤灰中金属元素的快速检测,为基于锌含量的大气环境检测提供了一种新方法。在建立元素的校准曲线后,LIBS技术将来可以用来进行更快速,更准确的定量分析。     

水溶液中金属元素的激光诱导击穿光谱的检测分析

文章对竖直流动的CuSO₄和Pb(NO₃)₂水溶液样品表面的激光诱导击穿光谱的（简称LIBS）特性进行了观测分析。实验中采用的烧蚀激光波长为532 nm,脉冲宽度为10 ns,重复频率为10 Hz;LIBS信号的探测通过一色散相加型双光栅单色仪、Boxcar和PMT的组合来完成。通过对水溶液中金属元素的LIBS信号随时间和能量演化规律的分析,初步确定了系统 的最佳烧蚀能量和最佳探测延时。受样品表面附近空气击穿时氧元素信号的影响,实验对Cu和Pb各自的击穿位置进行了优化。在分析影响LIBS光谱探测因素的基础上,进一步优化了系统的工作条件和探测 参数。通过对不同浓度下LIBS信号的探测分析,初步确定了系统对Cu与Pb的最低检测浓度,分别约为31,50 ppm(μg·mL-1)。文章还对将LIBS技术运用到海水中重金属的实时在线检测的可 行性进行了讨论。     

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。     

基于激光诱导击穿光谱的大米Cr元素检测

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种元素快速分析的光学检测技术.在工业化发展进程中,重金属污染时刻威胁着大米等粮食作物生产地的安全性.以四川地区常见的Cr元素污染为例,采用双脉冲LIBS技术对市面上购买的五种地区大米中的Cr元素进行定量分析,并与电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)检测结果进行对比.结果显示LIBS测量误差满足相对误差标准,证明了LIBS方法具有对元素进行快速定量分析的能力,是检测大米重金属元素含量的一种有效手段.     

激光诱导击穿谱检测土壤微量铜元素污染研究

理论分析激光诱导击穿光谱(LIBS)的特性,研究谱线信噪比随激光能量和样品属性变化的规律,对土壤样品中的微量Cu元素进行实验测量有重要意义。实验采用的烧蚀激光波长为1 064 nm,脉冲宽度约10 ns,重复率为1 Hz。实验证实背景热辐射和元素特征辐射具有不同的空间变化规律,通过在空间上将两者分离获得较高的信噪比。当激光脉冲能量为40 mJ时,实验采用的土壤样品的最佳测量位置为距离火花中心0.75 mm处,选取Cu 324.75 nm和Cu 327.39 nm作为分析线,对含微量Cu元素土壤样品进行测量。采用内标法对测量结果进行定量分析,得到土壤中Cu元素的检测限可达到67 mg·kg-1,满足国家土壤环境质量标准规定的二级土壤中Cu含量的要求。实验结果表明选择最佳光谱测量位置的方法能够有效提高信噪比,满足土壤中微量Cu污染检测的需求。     

基于激光诱导击穿光谱技术的混合溶液重金属元素检测

利用激光诱导击穿光谱技术对混合溶液中的Cu,Mg,Zn和Cd四种重金属元素进行实验测量,实验中采用波长为1 064 nm,脉宽10 ns,重频10 Hz的激光器。在蒸馏水中加入CuSO₄,Mg(NO₃)₂,Zn(NO₃)₂和Cd(NO₃)₂四种溶质,配置7种不同Cu,Mg,Zn和Cd浓度的混合溶液,采用统计探索性数据分析方法处理LIBS实验数据,得到水溶液中Cu,Mg,Zn和Cd元素的定标曲线,拟合度系数R2均大于0.99,计算出Cu,Mg,Zn和Cd四种元素的检测限分别为5.62,4.71,13.67和4.43 ppm,单一溶质CuSO₄溶液中的Cu元素的LOD值为3.98 ppm。最后对单一溶质和四种溶质的LIBS检测结果差异进行了分析。研究结果表明激光诱导击穿光谱技术在环境水污染多种重金属元素检测方面具有潜在的应用前景。     

Analysis of the Near-Surface Layers of Lithium Coatings Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy

The paper reports results of studying the geometry of craters formed by the action of laser pulses on solid-state targets of aluminum and lithium films at a power density on the target of (1–5) × 1010 W/cm2 and variation of the number of pulses in the range of 1–150, as well as the results of ex situ layer-by-layer analysis of lithium films on quartz coatings carried out using the method laser induced breakdown spectroscopy to determine the thickness of the films.     

基于激光诱导击穿光谱技术的土壤快速分类方法研究

为实现不同种类土壤的快速分类鉴别,实验研究了基于激光诱导击穿光谱技术的土壤快速分类方法。由于不同类型的土壤在元素组成上会存在较大差异,所以利用激光诱导击穿光谱技术进行土壤分类具有可行性。不同土壤在相同实验条件下产生的等离子体温度会存在较大差异,可以作为分类的重要依据,所选择的7类土壤中,赤红壤的等离子体温度最高。选取土壤中6种常量元素Si,Fe,Al,Mg,Ca和Ti的光谱强度作为分类指标,利用主成分分析(principal component analysis,PCA)对7种土类的25个样品进行了分类,其中砖红壤和赤红壤分类出现了交叠,而不同高山草甸土样品之间元素差异较大,并没有实现较好的聚类。利用反向传播神经网络(back-propagation artificial neural network)结合土壤的LIBS光谱对土壤进行了分类,分类结果与PCA结果相近,赤红壤与砖红壤出现了识别错误。当用PCA分析获得三个主成分值作为BP神经网络的输入量时,获得了较好的分类结果,因为简化了输入量,降低了BP神经网络的误差,此时只有一个高山草甸土被识别成褐土,而高山草甸土的等离子体温度显著低于褐土,所以结合不同土壤类型的等离子体温度差异,能够实现不同土壤的分类识别。实验证明激光诱导击穿光谱技术可以应用于土壤分类,为土壤普查和合理利用提高了一种新的技术。     

激光诱导击穿光谱在疾病诊断中的应用前景

微量元素与人体健康密切相关.比如,金属元素的稳态可能会影响细胞的代谢功能,进而诱发某些疾病的产生.激光诱导击穿光谱(LIBS),是一种可用于分子复杂的生物材料或临床标本的无因子分析技术,具有从单个激光脉冲和少量材料(纳克级数)中获得元素信号的能力.综述了2015年以来LIBS技术在疾病诊断方面的相关研究,包括几种常见疾...     

激光诱导击穿光谱联合UVE变量优选检测大豆油中的铬含量

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对大豆油中的重金属Cr进行检测研究。以松木木片对重金属Cr进行富集,采用AvaSpec双通道高精度光谱仪在206.28~481.77 nm波段范围内采集松木木片样本的LIBS光谱,利用无信息变量消除(UVE)方法筛选与重金属Cr相关的波长变量,应用偏最小二乘(PLS)回归建立大豆油中重金属Cr的定标模型,并与单变量及全波段PLS定标模型进行比较。结果表明,相比单变量及全波段PLS定标模型,UVE-PLS定标模型的性能更优,其相关系数、校正均方根误差、交互验证均方根误差及预测均方根误差分别为0.990,0.045,0.050及0.054 mg·g-1。经UVE变量筛选后,UVE-PLS定标模型所用的波长变量数仅为全波段PLS的2%。由此可见,UVE是一种有效的波长变量筛选方法,能有效筛选出与重金属Cr相关的波长变量。     

缅甸翡翠中铁元素的激光诱导击穿光谱定量检测

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术定量分析缅甸翡翠中Fe元素的浓度。选择Fe元素的275.57 nm光谱线作为定量分析谱线,选取Si元素的288.17 nm光谱线作为内标谱线,选取12个缅甸翡翠样品作为研究对象,以其中9个样品绘制了传统定标法和内定标法的Fe元素定标曲线,并将定标曲线用于3个检验样品的Fe含量的实际预测。实验结果表明,采用传统定标方法时,定标样品光谱强度的相对标准偏差(RSD)在1.4%～8.3%之间,所建立的Fe元素浓度含量定标曲线的拟合相关系数R2为0.979,使用该方法建立的定标曲线对3个检验样品中Fe元素含量进行测定,最大相对误差为10.6%;而采用内定标法时,定标样品光谱强度的比值(I_Fe/I_Si)的相对标准偏差(RSD)在0.9%～5.7%之间,Fe的拟合相关系数R2达到0.989,样品中Fe元素的测定相对误差均可降低到7%以下。结果证明,利用内定标法定量分析翡翠中Fe的含量比传统定标法相对误差更小,采用LIBS技术结合内定标法更适于缅甸翡翠样品中Fe元素定量分析。     

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。     

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%。     

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。     

激光诱导击穿光谱对农药气溶胶的在线监测

作为现代农业的重要工具,农药凭借其高效的灭病虫害能力在农业生产中应用广泛,然而其灭杀虫害的同时对大气环境和人体健康等方面也会造成危害。使用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术对农药的气溶胶喷雾进行了在线探测,研究了使用LIBS技术对农药使用过程的实时监测。首先检测了清洁环境下的空气LIBS光谱,在空气的光谱中探测到大量的氮（N）、氧（O）原子发射谱,这个结果与空气成分是相吻合的;同时还观察到了氢（H）的两条巴尔默系原子谱线,这主要是来源于空气中的水蒸气。值得注意的是,在空气谱中还发现了两条氩（Ar）的原子谱线,这也表明LIBS技术在微量元素检测方面有着重大潜力。选用农药敌杀死作为研究对象,对其有效成分溴氰菊酯（C₂₂H₁₉Br₂NO₃,CAS: 52918-63-5）进行了LIBS检测。在溴氰菊酯的LIBS光谱中观察到了卤素元素溴（Br）的存在,标记出了两条Br的原子发射谱线（827.294和833.470 nm）。对农药样品进行探测时也发现了包括CN分子发射谱与C₂分子发射谱等大量空气光谱中没有检测到的特征谱线;同时还检测到了空气谱中没有观测到的元素纳（Na）以及钙（Ca）;尤其是Ca,农药中不仅仅检测出了Ca的存在,而且相比于溴氰菊酯光谱中Ca谱线的能量以及数量都有着非常明显的上升。最后,实验中对CN分子的温度进行了研究;拟合得到溴氰菊酯与农药的CN分子的振动温度分别为8 800和6 200 K,转动温度分别为8 600和5 500 K。以上结果表明了使用LIBS技术对农药的在线监测是可行的,是有发展前景的。     

激光诱导击穿光谱法定量分析水泥中的铜元素

为定量分析水泥中的铜(Cu)元素,根据激光诱导击穿光谱分析方法(Ll BS)的特点,建立了激光诱导击穿光谱分析系统。采用标准加入法为定标方法,制备了5个不同含铜量的水泥样品。根据LIBS谱图,以213.598 nm和219.958 nm作为分析线。应用Savitzky-Golary卷积平滑方法对光谱数据进行了预处理,比较了Guass、Lorentz和Voigt拟合方法对光谱曲线的拟合效果。对测量结果采用一元线性拟合建立了相应的定标曲线,213.598 nm和219.958 nm定标曲线的校正决定系数分别为0.994 8和0.986 4,平均相对误差分别为3.20%和5.78%。实验结果表明:213.598 nm作为分析线的准确度优于219.958 nm分析线,该方法能够满足水泥中Cu元素定量分析的要求。     

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.