激光诱导击穿光谱增强机制及技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新的材料识别及定量分析技术。但是光谱的重复性低限制其由定性分析向定量分析的发展。因此提高激光诱导等离子光谱信号信噪比及等离子体的空间稳定性对于提高光谱信号的可重复性、降低基体效应等不利因素影响有着积极的作用。同时光谱信号信噪比的增强可降低对激光器输出能量的要求,有效降低了激光诱导击穿光谱集成系统的成本,有利于此技术向更多领域拓展。本文对实验中采用的双脉冲或多脉冲增强,放电脉冲再激发,空间限域,磁场束缚和微波辅助增强四大类方法加以总结及概括。在此基础上深入探讨光谱增强的物理机制,从而为进一步提高光谱信号稳定性及定量化分析的精确度提供有力的理论支持。     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

新型便携式激光诱导击穿光谱系统综述

本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测,对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发,但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响,研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发,利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号,降低了激光能量,从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。     

微波辅助激光诱导击穿光谱增强大米中Cd发射强度的研究

食品安全问题已成为全世界关注的焦点,对食品中污染物的绿色检测方法有利于环境的可持续发展。以大米中重金属污染物Cd元素为研究对象,分别采用激光诱导击穿光谱(LIBS)和微波辅助激光诱导击穿光谱(MA-LIBS)对空白和实验室污染处理的大米样品进行检测,并选用Cd Ⅰ 228.802 nm为分析线,探讨目标元素分析谱线等离子体发射强度的增强效果。同时,采用阳极溶出伏安法获取大米中Cd元素的真实含量。研究结果表明,对于实验室配制的浓度范围在2.16~13.69 μg·g-1的大米样品,LIBS仅能检测出其中大米Cd真实含量为13.69 μg·g-1的样品;而在同一实验条件下,MA-LIBS能检测出所有污染后样品中的Cd元素信号,并且与LIBS方法相比,Cd元素谱线发射强度增强了9~27倍,检测灵敏度提高了6.34倍。结果表明,采用MA-LIBS能有效地增强大米中Cd元素等离子体的发射强度并提高其检测灵敏度。     

表面粗糙度对激光诱导击穿光谱信号的影响

硅橡胶复合绝缘子是高压输电线路的关键设备,长期在复杂外界环境条件下带电运行后会发生表面老化,表现为粉化、褪色、粗糙度和硬度上升等现象。粗糙度作为复合绝缘子的老化特征量之一,其测量是复合绝缘子在线带电检测的难题。激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)适用于开展输电线路复合材料的远程在线检测,但粗糙度对LIBS信号的影响还没有得到系统的研究,利用这种基体效应进行绝缘子表面粗糙度的测量尚无报道。制备了不同粗糙度的硅橡胶新样品,与500 kV线路退运的复合绝缘子样品进行对比分析,研究了硅橡胶材料的粗糙度对LIBS信号的影响,结果表明,对于新制备硅橡胶材料随着粗糙度的增加,各主体元素特征谱线强度会随之增强,不同主体元素之间的原子谱线强度比（Si 288.2 nm/C 247.9 nm和Al 394.4 nm/Si 288.2 nm）随之下降,说明样品粗糙度对LIBS测量结果影响显著。但特征谱线强度及不同主体元素原子谱线强度比与粗糙度之间的函数关系不明显,难以用于粗糙度测量。硅橡胶的主体元素为Si,Al,C和O等,考虑元素含量及特征谱线的选取方便选择Si为主要分析元素。对于Si原子谱线强度比,选取了两条上能级相近（E_ki＝40 991.88, 39 955.05 cm-1）的原子谱线（SiⅠ288.2 nm,SiⅠ250.7 nm）作为分析线,在满足局部热力学平衡与光学薄的条件下两条谱线的强度比应为定值,但样品粗糙度的改变会影响脉冲激光烧蚀材料表面的过程,从而改变等离子体的状态,使得谱线强度比值也随之变化。上述两条硅原子谱线强度比和粗糙度建立的定标关系,线性相关系数为0.88。对于500 kV输电线路退运的老化硅橡胶材料,其表面由于老化有部分氢氧化铝填料析出,使得基体成分不均匀性更为显著,其表面也变得更为粗糙,这导致一对谱线强度比值作为定标函数,实用性降低。因此针对老化硅橡胶材料,除了选择Si元素谱线(SiⅠ250.7 nm,SiⅠ251.4 nm,SiⅠ251.9 nm)以外,还引入了Al元素谱线(AlⅠ305.7 nm, AlⅠ305.9 nm),利用三组谱线强度比进行多元回归分析,对于两个实测粗糙度为2.659和2.523 μm老化硅橡胶样品,LIBS测量的相对误差分别为0.218和0.189。结果表明对同样成分的复合材料,表面粗糙度对LIBS信号的影响是必须考虑的,而利用这种基体效应,开展远程在线测试复合绝缘子表面粗糙度,对于高压输电线路检测运维具有重要的应用价值。     

纳米增强激光诱导击穿光谱的苹果表面农药残留检测

水果表面的农药残留严重危害身体健康,而常规检测方法需要采样处理,耗时、费力。激光诱导击穿光谱技术具有多元素分析和原位测量的能力,在水果表面农药残留检测方面潜力巨大。但是较差的检测灵敏度,限制了此技术在水果表面微量有害元素检测方面的应用。提高激光诱导击穿光谱系统的检测能力是目前的研究热点领域,研究了纳米粒子表面增强技术对苹果表面残留的毒死蜱农药的激光诱导击穿光谱信号的增强效果。通过在被测样品表面涂抹币族金属纳米粒子,然后利用激光诱导击穿光谱激发样品表面,对诱导出的原子发射光谱信号进行测量,实验结果表明,苹果表面涂抹金属纳米粒子后毒死蜱农药中磷元素的特征峰有4倍的增强。此方法的应用对提高果蔬表面微量有害元素的检测能力具有重要意义。然后我们对币族金属纳米粒子的增强效果进行了优化。研究了金纳米粒子和银纳米粒子的增强能力,同时对纳米粒子的粒径的增强效果进行了比较,通过对20 nm的金纳米粒子、20 nm的银纳米粒子和80 nm的银纳米粒子的增强效果比较,发现80 nm的银纳米粒子对苹果表面毒死蜱农药光谱的增强效果最好。研究了信号采集延时时间对光谱信噪比的影响,确定了0.2 μs的延时时间可以获得较为理想的信噪比。在以上研究的基础上,采用最优的实验参数(80 nm银粒子增强、0.2 μs的延时时间),以毒死蜱中磷元素在213.62,214.91,253.56和255.33 nm处的特征峰峰强作为依据,对苹果表面残留的毒死蜱农药进行了定量化分析。分别采集了毒死蜱残留浓度分别为30,20,15,12,10和6 μg·cm-2的苹果表面的LIBS光谱,然后分别利用磷元素的四个特征峰峰强进行了定量化曲线拟合,结果发现LIBS对残留的毒死蜱具有很好的定量化预测能力,R2在0.89以上。根据定量化拟合曲线,探讨了纳米增强LIBS的检测限,计算得到,利用纳米增强LIBS技术测量苹果表面的毒死蜱农药最低可以做到1.61 μg·cm-2的检测限。研究证明了金属纳米粒显著提高了LIBS对苹果表面农药残留的检测灵敏度。     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

土壤中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于正交预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS) 技术对长春市四个地点地表土壤样品中的重金属元素进行了研究, 根据光谱线强度定性分析了重金属元素Mn, Cr, Cu, Pb含量.实验结果发现, 在532和1064 nm激光脉冲能量分别为70和100 mJ的条件下光谱增强随延时的变化出现双峰结构. 脉冲间延时20 μs时, Mn I 406.4 nm光谱增强幅度达到2.75倍, 延时为30 μs时出现第二个尖峰, 增强幅度为2.4倍.最后对正交预烧蚀DP-LIBS光谱增强机理进行了讨论. 关键词： 预烧蚀 双脉冲激光诱导击穿光谱 光谱增强 土壤污染     

远程激光诱导击穿光谱技术进展

远程激光诱导击穿光谱技术(Remote LIBS)是一种利用高能激光和聚焦手段实现远距离分析物质元素组成的光谱探测技术,是远程探测的一种重要手段。本文对远程LIBS的三种探测方式(开放路径式、光纤光路式和便携式探针式)及相应的系统结构做了总结和分析。传统的开放路径式对激光器、光学系统和检测系统的性能和规格要求严格,一直是远程LIBS的研究热点;光纤光路LIBS优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收。本文综述了远程LIBS新技术的研究进展,着重分析了飞秒成丝远程LIBS技术及与Raman光谱探测相结合等远程LIBS新技术的特点和优势。新技术大大提高了探测距离,增强了物质识别能力,为扩大远程LIBS的应用做出巨大的贡献。同时,论文详细介绍了远程LIBS技术在深空探测、危害物质检测、工业冶金、文物检测修复等领域的研究现状和应用新进展。远程LIBS技术随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究,探测距离和应用范围不断扩大,检测精度和准确度也在提升。     

基于激光诱导击穿光谱的岩屑识别方法研究

石油钻井过程中的岩屑录井无论对油气勘探开发还是钻井工程都是极为关键的技术,而岩屑描述工作是岩屑录井过程中的一个重要的环节。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合判别偏最小二乘法(PLS-DA)对来自录井现场的粉砂岩、石英砂岩、青绿色泥岩、黑色泥岩四种岩屑样品进行识别。在获取LIBS光谱数据后分别建立了全谱模型和特征模型,其中特征模型的识别正确率为86.7%,略低于全谱模型的88.3%,但通过特征提取使得模型中变量数由24 041个减少到27个,极大缩减了数据量,提高了运算效率,更加符合岩屑录井现场快速分析的要求。结果表明LIBS技术结合一定的化学计量方法能够对不同种类的岩屑进行快速、有效的识别,在岩屑录井现场中有很大的应用潜力。     

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...     

Analysis of Minerals and Rocks by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique was applied for rapid analysis of major and minor elements composing geological samples including minerals, rocks, and a soil sample. The plasma was produced in air at atmospheric pressure by focusing on the targets a pulsed infrared Nd:YAG laser in open-path configuration. The emitted light in the UV-Vis was analyzed by a compact LIBS system to measure spectral emission lines of Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, C, Cu, Mn, and Ti. The experimental issues relevant for the analysis of the different samples were investigated by taking into account their peculiar features: drilling through a weathered layer, roughness and grain-size considerations, statistical averaging, and accuracy of the measurements. In this approach, the characterization of the samples was achieved by studying the relative variations of the emission intensities of each element normalized with respect to an internal standard. The present study shows the usefulness of LIBS as a tool for reliable identification of field samples.     

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for Chemical Mapping of Materials

Abstract: Analytical techniques able to perform spatially resolved analysis are highly demanded in the surface analysis and material science fields. Compared to other analytical techniques usually employed, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) offers several advantages, such as simplicity and robustness of instrumentation, which permit on-line and in situ measurements. No or minimal sample preparation is required, and the analysis of any sample without restrictions on the shape, size, or conductive nature can be performed under atmospheric conditions in a matter of seconds. In this work, a review of the different instrumental approaches employed in the generation of compositional maps as well as a detailed discussion of the different applications that involve the use of LIBS to obtain two-dimensional or even three-dimensional chemical maps is presented.     

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: An Approach to Detect Adulteration in Turmeric

In the present paper, four turmeric samples, A, B, C, and D, were analyzed using the laser-induced breakdown spectroscopic (LIBS) technique. Laser-induced breakdown spectra of A, B, and C give the spectral lines of elements such as carbon, sodium, potassium, magnesium, calcium, iron, and molecular bands of CN, whereas spectral signatures of the toxic elements lead and chromium are also present in sample D, demonstrating the adulteration in it. Principal component analysis of the LIBS data of the turmeric samples has been used for instant discrimination. The plots and principal components provide clusters belonging to two groups, enabling laser-induced breakdown spectroscopic data along with principal component analysis to be used as an instant monitoring tool.     

激光诱导击穿光谱技术的研究与应用新进展

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种近年来随着激光技术和光谱检测技术的发展而兴起的对元素定性和定量分析的光谱技术。详细介绍了LIBS技术最新的研究发展情况,以及在冶金、环境污染检测、生物医学、植物学、空间探索等领域的最新应用进展。     

激光击穿光谱检测葡萄糖溶液的实验研究

利用Nd∶YAG 脉冲激光器波长为1.064 μm的光束诱导葡萄糖溶液产生等离子体,并用光谱仪和ICCD 来探测其光谱信号。选取碳（C：247.86 nm）作为葡萄糖的特征谱线,比较浓度为3%,6%,9%的葡萄糖溶液谱线强度的大小,得出谱线强度随浓度增大而增强的规律。在同一浓度下,通过改变ICCD 延时采样的时间,获得特征谱线的强度演化曲线,实验结果表明,特征谱线的衰减时间约为300 ns。改变溶液浓度,发现特征谱线的衰减过程不受溶液浓度的影响。     

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。     

一种多元非线性模型在激光诱导击穿光谱定量分析中的应用

现有的激光诱导击穿光谱定量分析模型大多是基于激光诱导等离子体处于局部热平衡这一假设,而实际上等离子体只是在有限的时间、空间内近似处于热平衡状态。非热平衡状态下各个能级上的粒子布居数不服从玻尔兹曼分布,故用某一能级的单一谱线做定量分析会带来一定误差。考虑到等离子体的非热平衡状态,提出了一种多元非线性定量分析模型,该模型充分利用了待分析粒子的不同上能级对应的多条跃迁谱线信息,能够有效减小信号不稳定对定量分析结果的影响。利用此模型和建立在等离子体局部热平衡假设上的单谱线内标模型分别对30块钢铁样品中Mn元素的含量进行定量分析对比,对比结果表明,多元非线性模型的测量准确性和重复性均优于单谱线内标模型。     

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。