激光诱导等离子体的实验研究及其在光谱分析中的应用

综述了近几年国内外在激光诱导等离子体方面的实验研究进展 ,及其在光谱分析中的应用。着重阐明了在不同的条件下 (气体种类、环境气压、激光能量、波长、脉宽、功率密度、观测高度 )激光诱导等离子体的形成、辐射、电子温度、电子密度和扩散速度方面的实验研究 ;另外 ,激光诱导等离子体用于物质成分分析中 ,主要阐述了直接采集等离子体的辐射进行固态、液态和气态样品的分析以及激光烧蚀与ICP光源联用进行的光谱化学分析两个方面 ,并对影响分析精确度和检出限的因素进行了简要讨论     

便携式激光生化探测仪

便携式激光生化探测仪采用LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy),即激光诱导击穿光谱分析技术。用一束短脉冲激光聚焦到被测样品上,产生局部等离子体,样品物质的电子跃迁至高能态,返回初始能态时会发出特定光谱辐射,每一种物质都对应各自的特征光谱。用高分辨率光谱仪对该光谱进行适时在线快速分析,在几秒钟内就可以得到被测物质的成分和浓度,可在现场对各种不明固体(炭疽杆菌等有害生化物质)、液体(如有毒饮料)、气体(如各种挥发物,即神经毒气弹等)等生化物进行在线快速探测和辨别。     

激光诱导击穿光谱技术在气体检测中的研究综述

随着工业技术的发展,气体检测领域对在线检测仪器及检测技术的要求越来越高,气体成分在气体流动时会发生复杂变化,通常的检测手段傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、光腔衰荡技术(CRDS)、电化学传感等往往不能满足检测要求或仅对局部区域检测。激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新兴的原子发射光谱分析技术,得到光谱分析领域研究者的广泛重视与研究。LIBS技术具备多元素同时检测、非侵入式、实时在线以及无需样品特殊制备等技术优势,已应用于固体、液体和气体的检测。在环境恶劣、干扰较大的气体制造及检测领域LIBS技术能够实时准确地进行检测。介绍了LIBS技术基本原理并描述等离子体物理特性的两个参数等离子体温度及等离子体电子数密度,针对LIBS技术在气体检测领域中的应用,从通过原子谱线强度比分析燃料的当量比、燃料混合气燃烧产物的气体组分、工业制造中作为保护气的氮气及稀有气体、温室气体和新能源气体的检测,以及与之相关的LIBS实验装置及实验方法的改进与优化等6个方面介绍了LIBS技术应用于气体检测领域的近些年国内外进展。对气体检测领域激光诱导击穿光谱研究的前景进行了展望。     

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。     

激光诱导原子荧光光谱技术及其应用

本文介绍了激光诱导原子荧光技术的发展过程，方法的原理和各种类型的实验装置，对激发源、原子化器和光学检测系统分别进行了讨论，给出了该技术在光谱分析、等离子体诊断和光谱学研究中的几种应用情况，展望了该技术的发展前景。     

电火花诱导击穿光谱技术的发展及研究应用分析

电火花诱导击穿光谱(SIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的物质浓度与成分的定性、定量分析技术。与传统的实验室分析技术如电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、原子吸收光谱(AAS)、质谱(MS)等相比具有实时、实地、在线快速检测、高灵敏度以及低成本、小体积、维护简单等优点。目前对该技术已有的研究集中在气溶胶成分分析、土壤成分分析、金属颗粒物浓度检测、水泥成分分析等方向,在环境监测、工业卫生、食品安全、生物医疗等领域都有广泛且良好的应用前景。从SIBS技术的基本原理入手,综述了其光谱分析的原理,即利用高压脉冲电源产生的电火花激发被测物体表面,使被测物体在电源正负极间产生等离子体,利用光谱仪光纤探头收集等离子体冷却过程中通过跃迁放出的光子与特征辐射谱线,由于不同元素具有独特的特征谱线,进而可以根据特征谱线对被测物质进行成分与浓度的定性和定量分析;接着分析了影响SIBS技术光谱图像和光谱分析的相关因素如脉冲电源参数、电极材料与入射角度和等离子体本身特性等,并定量地指出了部分因素与光谱信号强弱的关系;综述了该技术在发展过程中的一些技术革新和应用创新如激光+电火花诱导(LA-SIBS)...     

基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新型的原子光谱分析技术,具有实时快速、 多元素同时分析和样品预处理简单等特点,从一出现便受到研究人员的广泛关注,但分析灵敏度差一直是限制该技术发展的重要因素。基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术将原子荧光光谱技术和激光诱导击穿光谱技术结合,对目标元素进行选择性激发,可以大幅提高激光诱导击穿光谱技术的分析灵敏度,极大地拓展了LIBS技术在痕量元素检测领域的应用。本文综述了基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的研究进展,介绍了激光诱导等离子体中荧光光谱的产生过程以及基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的基本类型和基础原理,详细分析了烧蚀激光能量、 共振激发激光能量和波长、 烧蚀激光和共振激发激光之间的延时以及光谱采集门宽对光谱增强效果的影响,阐述了其在冶金、 环境监测、 同位素检测等领域的应用现状和存在的问题,并对其未来发展前景进行了展望。     

用于激光诱导等离子体光谱分析的便携式中阶梯光栅光谱仪设计(英文)

激光诱导等离子体光谱分析技术是一种非接触式实时检测技术,它已成为一种新兴的物质成分与浓度分析手段,并在工业生产等领域有着重要应用。为了使激光诱导等离子体光谱分析技术在极短的时间内同时获得全面的光谱信息,本文设计了一款波段范围为180～400 nm的轻小型中阶梯光栅光谱仪。通过分析其光学性能,确定了系统的结构参数,并对像差进行了分析校正。对汞灯特征光谱进行了测试标定,仪器光谱分辨率在253.652 nm处可达0.036 8 nm,满足激光诱导光谱分析技术对仪器光学性能的需求。     

激光诱导金属等离子体中的自吸效应研究

为了减小激光诱导等离子体中光谱线自吸收对分析结果的影响,提高发射光谱的谱线质量,实验利用组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息,采用平面反射镜装置对激光等离子体进行约束,比较了不同实验条件下光谱线的线型演化过程,并且通过测量等离子体的温度、电子密度以及样品蒸发量给出了合理解释。实验结果表明,当采用合适的平面反射镜装置约束激光等离子体时,等离子体的轴向温度有所升高,径向温度分布趋于均匀;等离子体的电子密度有较大幅度的提高;然而,样品蒸发量却有比较明显的减小。这几个方面的原因能够有效地降低光谱线的自吸收程度。由此可见,利用平面反射镜装置优化实验条件以后,可以有效减小激光诱导等离子体发射光谱的自吸收效应,在常量元素的定量分析中,允许选择灵敏谱线作为分析线,这为提高激光诱导击穿光谱技术的精确测量奠定了基础。     

激光诱导氩气等离子体时间分辨特性研究

激光诱导击穿光谱(L IB S)以激光诱导微等离子体的原子发射为技术特征,在科研与工业领域正得到重视与蓬勃发展.作为环境气体的氩气对等离子体演化过程中粒子的碰撞过程有重要影响,决定着L IBS技术分析性能的发挥.利用光谱诊断技术深入研究LIBS技术条件下氩气的光谱特征,对于提升LIBS技术及其应用水平具有重要的意义.利...     

用光电双脉冲LIBS技术快速测量水中痕量汞元素

用木片吸收水溶液,将水溶液样品转变为固体样品,从而解决用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术直接分析水样品所带来的诸多问题,并首次采用光电双脉冲LIBs技术来增强激光等离子体中汞的原子辐射.实验绘制了用单脉冲LIBS技术和光电舣脉冲LIBS技术所得到的汞的校正曲线并得出这两种技术中汞的最低检出限分别为2.4和0.3 mg·...     

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.     

Double-pulse neodymium YAG/Carbon dioxide laser-induced breakdown spectroscopy for excitation of bulk and trace analytes

The mechanisms involved in signal enhancement and persistence of the plasma in double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy are investigated, and their implications to improving figures of merit for bulk and trace analytes in sample are discussed. For double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy, 1064 nm neodymium YAG laser is used for ablation and 10.6 µm transversely excited atmospheric carbon dioxide laser in near-collinear geometry is used for reheating. Significant improvement in signal detection and sensitivity of both bulk and trace analytes using double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy as compared to conventional single-pulse laser-induced breakdown spectroscopy are observed. Using double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy in near-collinear geometry, Cu and Fe as bulk and trace analytes, respectively, in brass sample, showed 5 and 6 times improvement in persistence of the spectral emission. Temporal and time-integrated studies show that ionic lines are significantly enhanced compared to neutral lines. Plasma characterization employing spectroscopic methods showed significant enhancement in plasma temperature resulting in higher signal as well as increased plasma persistence of the species studied.     

Assessment of LIBS for Spectrochemical Analysis: A Review

Abstract

This review assesses the applications of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for the analysis of a variety of samples, including biomaterials (teeth, nail, hair, gallstones, and kidney stones, etc.), food materials (fruits and vegetables, milk, salt, nutritional supplements, etc.), medicinal plants, industrial waste, liquid samples, etc. In addition, for the first time the identification of cholesterol and pigment stones was performed on the basis of atomic lines of different elements and molecular bands of C₂ molecules present in the LIBS spectra of gallstones. Chemometric techniques such as principal component analysis (PCA) was also applied to LIBS data for rapid identification/classification of different gallstone samples. LIBS analysis of toxic/heavy elements present in vegetables (spinach, tomato) and rice is also presented in this review. It was observed that vegetables grown near industrial areas are rich in several toxic metals like Pb and Cr. The wastewater samples from different industries were also analyzed by recording their spectra using a liquid jet. These results clearly demonstrate the ability of LIBS technique as an instant monitoring device to detect heavy metals present in liquid samples. Finally, this review shows that LIBS is a versatile analytical technique with unlimited applications.     

基于多谱线内标法的不规则铜合金样品中 Pb元素成分检测研究

原位分析和在线检测是激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的一大优势,但是,在野外环境中,人们无法对样品进行统一预处理,面对各种形态的待测样品如何保证LIBS的检测精度是函待解决的一大难题。提出一种多谱线内定标的方法来解决上述问题,即通过求解多条分析谱线的强度和与内标元素谱线的强度比值来建立定标曲线,进而降低光谱信号波动带来的误差,提高线性相关性和检测精度。实验中以铅黄铜合金样品为例,采用LIBS对厚度不一（最大变化值为±2 mm）的铅黄铜样品中的Pb元素进行了定量检测研究,并分别采用传统定标法和多谱线内定标法对这种不规则样品进行校正和建立定标曲线。实验发现,对于不规则样品,传统定标法的检测精度大大降低,定标曲线没有明显的线性关系。当采用单条谱线的内定标方法时,定标曲线线性相关度大大提高,校正决定系数达到0.724 89。而采用多条谱线内标方法（考虑多条分析谱线的相对强度总和）计算发现,当选取5条Pb谱线（Pb 261.42 nm,Pb 280.20 nm,Pb 368.35 nm,Pb 405.78 nm和Pb 520.14 nm）进行计算时,定标曲线线性拟合度达到0.984 6,由此可见该方法消除了样品不规则所带来的光谱强度波动误差,显著提高了测量精度。虽然继续增加分析谱线数目可以进一步提升线性相关度,但是也会增加计算的复杂度,所以选择合适的分析谱线是十分重要的。此外,通过多谱线内标法也能一定程度上消除基体效应和光谱干扰等影响,是一种简单有效且具备普适性的数据处理方法。当然,该方法也存在一定的局限性（如样品成分分布极不均匀、样品表面极不规则致使激光能量低于击穿阈值等）,不过通过调整和优化检测装置方案（例如增大激光能量、增大聚焦光斑、采用长焦距聚焦透镜等）可以更好的发挥该方法的优势。该研究内容可以为LIBS原位检测和在线检测的应用提供一种新思路。     

太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究

综述了近年来将太赫兹光谱技术应用于毒品检测与识别方面的研究成果：利用自主研发的可移动式小型太赫兹时域光谱仪作为实验平台,建立了含有38种纯度在90%以上的毒品太赫兹光谱数据库;用密度泛函理论进行了光谱解析;讨论了干涉以及包装物对光谱的影响;结合人工神经网络、支持向量机等方法对毒品光谱进行定性识别;同时,研究确定毒品纯度和有效成份含量的理论和实验方法。     

不同样品温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导铜击穿光谱的影响

研究了不同温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)强度的影响,使用Nd:YAG脉冲激光激发样品并产生等离子体,探测的等离子体发射的光谱线为Cu(Ⅰ)510.55 nm,Cu(Ⅰ)515.32 nm和Cu(Ⅰ)521.82 nm.使用透镜的焦距为200 mm,测量的聚焦透镜到样品表面距离的范围为170—200 mm,样品温度从25℃升高到270℃,激光能量为26 mJ.总体上,升高样品温度能有效地提高LIBS光谱的辐射强度.在25℃和100℃时,光谱强度随着聚焦透镜到样品表面距离的增加而单调增加;在样品温度更高(150, 200, 250和270℃)时,光谱强度随着距离的增加出现先升高而后又降低的变化.同时,在样品接近焦点附近,随着样品温度的升高,LIBS光谱强度的变化不明显,还可能出现光谱强度随着样品温度升高而降低的情况,这在通过升高样品温度来提高LIBS光谱强度中特别值得我们注意.为了更进一步了解这两个条件对LIBS的影响,计算了等离子体温度和电子密度,发现等离子体温度和电子密度的变化与光谱强度的变化几乎一致,更高样品温度下产生的等离子体温度和电子密度更高.     

激光大气等离子体光谱特性实验研究

报道了对波长为1．06μm的脉冲激光在气体样品中产生的等离子体进行光谱研究的结果。气体样品为一个标准大气压的纯氮、纯氧和空气,光谱探测范围为300～900nm。结果表明,各种气体样品的激光等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加,文中分别给出了连续谱和线状谱的基本特征,讨论了这些特征与等离子体物理特性的关系,并分析了纯氮、纯氧与空气激光等离子体光谱之间的异同。给出了激光等离子体光谱的时间演化和空间分布的基本特征,并初步讨论了与这些特征相关的等离子体物理特性。这些结果有助于加深对激光等离子体特性和机理,特别是对等离子体产生后的弛豫过程和复合机制的了解。     

样品温度对纳秒激光诱导土壤等离子体辐射特性的影响

利用脉宽8 ns,波长为532 nm的Nd:YAG单脉冲纳秒激光器,在一个标准大气压下入射到土壤中(样品土壤来自蚌埠学院校园),改变样品温度,获得了不同样品温度下激光诱导击穿光谱. 通过分析光谱,得到土壤中不同特征谱线的强度和信噪比. 分别利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法计算并分析了等离子体电子温度和电子密度随样品温度的演化规律;同时讨论了提高样品温度和激光诱导土壤等离子体辐射增强的原因. 实验结果表明,随着样品温度的升高,等离子体的谱线强度、信噪比、电子温度和电子密度会逐渐增强,并且在温度为100 °C时达到最大.