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.     

激光诱导击穿光谱技术成分面扫描分析与应用

为分析和检测铁矿石表面多成分的分布情况,采用532 nm Nd∶YAG脉冲激光,设计面扫描分析方法,结合自行开发的软件,首先对标准样品进行面扫描分析,建立定标曲线,说明元素含量与谱线强度的关系。然后对由标准样品压制的表面元素含量分布不均匀的样品进行面扫描分析,生成二维分布图,并与样品表面形貌进行比较,验证了分析方法的正确性。最后以100 μm的分辨率对天然铁矿石样品表面14 mm×11 mm范围内进行面扫描分析,得到其表面Ca,Al,Ti和Mn四种元素的分布情况,并将分析结果与铁矿石表面形貌相比较。结果表明,激光诱导击穿光谱技术作为一种成分分析方法,可以对不均匀样品的表面成分分布情况进行定性分析。     

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。     

基于激光诱导击穿光谱对长白山黑猪肉部位分类

猪肉内部结构成分复杂,各部位的成分相似,分辨较为困难。结合激光诱导击穿光谱技术,通过光谱分析的方式提高分类精度。以5种不同部位的长白山黑猪肉（里脊肉、梅花肉、后腿肉、前腿肉、五花肉）作为待测样品,通过冷藏、切片等预处理方法,探究激光诱导击穿光谱技术鉴别猪肉脂肪与肌肉及其不同部位的可行性。首先通过采集猪肉脂肪样品与肌肉样品的LIBS谱线信息发现,猪肉中Mg,K,Fe,Cu,Ca和Na等元素较为丰富,并在脂肪样品光谱中发现C-N键,与肌肉样品LIBS谱线信息相比,脂肪样品受其内部水分、有机质成分影响致使其谱线信息背景和噪声信号干扰较大,二者谱线信息存在一定差异,说明LIBS可对脂肪组织与肌肉组织进行鉴别。通过对目标元素Ca,Na,Mg,K和Al其LIBS特征谱线强度进行检测,计算Mg/Ca,Al/Ca,Na/Ca和K/Ca比值,发现与Al/Ca和Mg/Ca相比,Na/Ca和K/Ca各部位元素比值分布差异明显,在此基础上,根据Na/Ca和K/Ca比值,计算猪肉各部位元素分布决策阈值[（1-α）=90%]。发现与Al/Ca和Mg/Ca比值相比,Na/Ca和K/Ca更能明显的反应出各部位元素分布的不同。其比值分布阈值基本可对猪肉各部位进行区分。以前腿肉与后腿肉为例,前腿肉Na/Ca和K/Ca比值分别分布在1.29～1.58和0.31～0.42,后腿肉Na/Ca和K/Ca比值分别分布在0.98～1.18和0.15～0.23。其元素比值分布无明显重叠。最后,为提高LIBS技术对猪肉不同组织分类的可靠性,将光谱元素强度比值数据与主成分分析法相结合,基本可以实现对猪肉各部位的分类,说明元素特征谱线强度比值在对猪肉各部位分类时具有一定的预测精度。该工作证明,使用激光诱导击穿光谱技术对猪肉进行分类识别等定性分析时具有一定可行性,有望适用于其他生物组织检测分析。     

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。     

激光诱导击穿光谱自吸收效应校正方法的研究进展

激光诱导击穿光谱作为一种新型的物质成分检测技术,具有快速、实时、微损、原位、多元素同时分析等优势,目前在环境监测,食品安全,选矿冶金,生物医疗,太空探测等多个领域都具有广泛应用.然而,由于元素谱线的自吸收效应,使得激光诱导击穿光谱谱线强度降低,严重时甚至会使特征谱线峰型产生凹陷(即自蚀现象),定标曲线变弯曲,导致该...     

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。     

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.     

一种基于激光诱导击穿光谱的塑料分类方法

传统的废旧塑料处理主要采用焚烧掩埋的方式,不仅污染环境,还造成了资源浪费,废旧塑料回收对于推行循环经济、促进可持续发展具有重要意义。传统的塑料分类装置存在精度较低,成本较高,分类结果易受样品颜色影响及对操作人员身体健康造成威胁的缺点。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有多元素同时分析、无需样品预处理,检测速度快,对样品损害小,不受塑料颜色影响等优点。将其与基于化学计量学的样品分类方法相结合,应用到塑料样品检测领域,有利于提升塑料分类精度。但是,现有分类方法需要更改参数多、所构建模型普适性差。通过自主搭建的LIBS实验平台,研究激光器能量、延时时间、积分时间和光谱信号接收角度对光谱信号强度的影响,获取最佳的实验条件。并通过该平台分析11种塑料的2200个样品点,选用偏最小二乘算法(PLS)对谱图数据进行建模分析,研究最优的训练集和验证集比例及最佳的主成分数的选取方法,实现样品类别与样品数据的最大相关性,达到克服背景干扰、提高分类精度的目的。实验结果表明,不替换干扰谱图时,验证集样品的分类精度为99.80%,测试集样品的分类精度为99.09%;替换掉干扰谱图后,验证集和测试集的样品分类精度均达到100%,且分类时间减少。由此可见,激光诱导击穿光谱与偏最小二乘方法结合可以成功的用于塑料样品分类。     

LIBS技术对羊毛脂复合物中重金属元素的成分分析

利用激光诱导击穿光谱技术对市面上某型号口红的羊毛脂复合物中重金属元素进行分析,使用波长为532nm的激光在口红表面击穿诱导高温等离子体,通过对MCP增益、延迟、门宽三个参数的优化来获得最佳光谱.由发射光谱线的强度计算等离子体的电子温度,研究了激光诱导等离子体的电子温度随时间演化的特性.     

利用激光诱导击穿光谱原位在线检测褐煤及煤烟

褐煤是我国现阶段的主要用煤,但因为其较低的煤化程度,使用时会产生污染环境的二氧化碳和黑灰,而且烟尘中含有的金属离子会危害人体健康,所以开展对褐煤烟尘的研究非常有意义.而激光诱导击穿光谱技术(L IBS)具有快速、多元素同时分析的特点,适合用于煤烟的原位在线探测.实验制备了含铅浓度不同的三种褐煤样本(O,H,L),其中O...     

基于不同化学计量学方法的土壤重金属激光诱导击穿光谱定量分析研究

工业的发展及城市化进程的深入,造成大量耕地土壤遭受重金属污染,土壤重金属元素的准确检测对制定土壤重金属防治决策提供有效参考。本研究应用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合化学计量学方法对土壤中的铅(Pb)和镉(Cd)元素进行定量分析。根据土壤重金属污染的不同程度,人为制作了含有Pb和Cd元素的15个浓度梯度的土壤样本,并采集各个样本的LIBS谱线。采用剔除异常光谱和数据归一化来减少试验误差和噪声。综合土壤LIBS发射谱线中Pb和Cd元素谱峰信息以及美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准原子光谱数据库,选取了Pb,Cd元素的分析谱线与分析谱线区间,对比分析基于多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和反向传播人工神经网络(BP-ANN)算法,建立分析谱线区间与对应Pb和Cd元素浓度之间的定量回归模型。结果表明,非线性的LS-SVM和BP-ANN的模型的预测性能优于线性MLR和PLSR模型,这可能是因为非线性模型能够通过自适应较好地解决土壤基体效应的影响。研究表明,LIBS技术结合多元化学计量学方法能够为土壤重金属准确检测提供新的分析手段,为制定农业土壤重金属防治决策提供有效的理论基础。     

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。     

一种时间分辨激光诱导击穿光谱的测量方法

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种动态光谱。时间分辨LIBS光谱测量是研究激光诱导等离子体演化和谱线自吸收的重要技术。结合激光诱导击穿光谱测量的时序特性,提出一种利用常规性能光谱探测设备获得微秒级时间分辨LIBS光谱的测量方法。通过控制毫秒级光谱探测设备的积分延迟时间,获得不同延时下的LIBS光谱信号,对所得光谱进行处理得到相应特征谱线拟合强度,将所测的特征谱线强度按照一定的时间间隔进行差分,得到差值即为差分间隔时间内特征谱线的积分强度。采用差分时间间隔应大于系统最差时序精度,同时优选无重叠干扰和背底连续的谱线信号进行分析。以等离子体产生后持续时间为横坐标,计算所得谱线差值强度为纵坐标,即可获得特征谱线的强度演化曲线。通过实验验证,使用积分时间为毫秒量级光谱仪和时序精度为0.021微秒控制系统,该方法可以实现微秒量级时间分辨LIBS光谱测量,可用于表征LIBS光谱特征谱线演化过程,降低了LIBS光谱时间分辨测量系统成本。     

LIBS技术在污染土壤重金属含量分布测量中的应用

诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实时快速、多元素同时探测的优势,并且无需样品预处理,检测成本低,是土壤重金属定量分析检测的一种重要分析手段。将LIBS技术应用于冶炼厂区周围土壤中重金属的含量分布分析研究,利用Cu,Pb和Cr三种元素的特征谱线强度分析了冶炼厂区周围土壤中Cu,Pb和Cr三种元素的含量分布。实验结果表明冶炼厂区土壤LIBS光谱中Cu和Pb两种元素的特征谱线强度分布与实际含量分布呈较好的线性关系,而Cr元素的特征谱线强度分布与实际含量分布相关性较差。为了提高Cr元素含量分布分析的准确性,利用CF-LIBS结合Saha方程应用于土壤Cr元素的含量分布分析中。实验结果表明基于CF-LIBS计算的Cr和Si两种元素含量比值分布与土壤Cr元素的实际含量分布之间具有良好的一致性。相比于其他的化学分析方法,LIBS技术结合CF-LIBS可以快速的对区域土壤重金属元素的含量分布进行检测,因此将LIBS技术与CF-LIBS相结合用于土壤重金属的含量分布检测中,为污染区域的重金属防治提供方向。     

基于原子和分子谱线分析的LIBS快速测量CO_2

作为温室气体的主要成分,CO_2的排放控制有利于应对全球气候变暖以及生态环境变化,对CO_2的快速检测具有重要意义。目前检测CO_2的方法有滴定法,电化学法,气相色谱法,红外吸收光谱法等,但对应用于工业现场的在线监测还存在着不足。激光诱导击穿光谱(LIBS)具有远程测量,无需或仅需简单预处理,多组分同步测量等优点,本文提出将其应用于CO_2在线监测,期望发展适用于工业过程碳排放的在线监测技术。利用质量流量控制器控制纯度为99.99%的CO_2和N2配比形成不同CO_2浓度的混合气体模拟烟气环境,经过混气瓶充分混合后送入密封样品池进行LIBS测量实验。研究不同延迟时间下C247.86nm和CN38.34nm谱线的演化规律,验证了等离子体形成过程中存在部分CO_2分子解离反应生成CN分子,在CO_2定量分析时应考虑CN分子谱线的影响,并获得同步测量C原子和分子谱线的最佳延迟时间为800ns。在此基础上,由于等离子体演化过程中,各种信息相互影响,分析指标与多个测量参数存在关系,综合考虑C原子、CN碎片及修正高浓度影响下的自吸收效应,采用多元回归分析方法建立了CO_2定量分析曲线,其拟合度R~2和斜率分别达到了0.978和0.981,结果表明相比单个指标直接定标,该方法提高了定量分析模型的可靠性,验证了LIBS技术快速测量CO_2的可行性。     

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。     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。     

激光诱导击穿光谱分析系统中微型同步时序发生器研制

在激光诱谱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)中,元素特征光谱信号强度和信噪比在不同采集延时下具有显著差异,直接影响定量分析的结果。LIBS分析系统通常采用通用型延时发生器来控制采集延时,然而其体积大、功耗高、价格昂贵,不利于LIBS仪器的小型化和便携化。为此,采用单片微控制器芯片和简单外围电路设计实现了具有55 ps可调延时精度的多通道微型同步时序发生器(简称LDG3.0),大幅度降低了同步时序发生器的体积、功耗和成本。对比LDG3.0与一种典型通用延时发生器DG535作为同步时序发生器的LIBS系统,以钒钛生铁中微量钒(V)元素定量检测为例进行两种同步时序发生器性能分析。结果表明,采用LDG3.0和DG535的LIBS系统建立的V元素定标曲线拟合系数R2均大于0.997,前者的平均相对标准偏差ARSD略小于后者,达到2.28%;前者检测极限LoD略低于后者,达到19.90 μg·g-1。因此,自主设计的同步时序发生器LDG3.0与DG535在LIBS系统中的精度基本一致,完全满足LIBS系统的实际控制和集成应用需求,特别适合于体积与功耗受限的LIBS仪器。     

多次放电的激光诱导击穿光谱信号增强

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种广泛应用于科学和工程方面的元素分析技术.LIBS测量一些微量元素时存在探测极限高的不足,因此增强LIBS信号强度,降低元素探测极限,对扩展其应用范围有着重要的意义.为了实现L IBS光谱信号的增强,提出多次放电增强激光诱导击穿光谱方法,并以固体铝合金材料为例进行了光谱信号强度增强的...