Name: 对脉冲能量和时序参数使用土壤仿制品激光诱导击穿光谱结果依赖 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-09-23T19:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: 了解激光诱导击穿光谱技术用于土壤仿制品元素检测的方法。本研究评估脉冲能量与时序参数对检测限的影响，建立校准曲线以优化非导电材料的定量分析流程。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本工作由美国能源部科学办公室资助。

1. 激光系统
<ol>
	<li>使用在1,064 nm波长下以10 Hz频率工作的Q开关Nd:YAG激光器产生的激光脉冲。</li>
	<li>使用焦距为75 mm的透镜将激光脉冲聚焦到样品上。</li>
	<li>将光纤对准并放置在样品表面形成的等离子体附近，以收集等离子体发出的光。</li>
	<li>使用Echelle光谱仪/ICCD对LIBS光谱进行光谱分辨并记录。</li>
	<li>以125的增益在非门控模式和门控模式下操作ICCD。</li>
	<li>在非门控模式下使用0 μsec的时间延迟（td），在门控模式下使用1 μsec的td。</li>
	<li>对于两种模式，均使用20 μsec的门宽（tb）和3 sec的曝光时间（在ICCD相机芯片上积分等离子体光）；这将使每次光谱采集累积30次独立的激光脉冲信号。</li>
	<li>对每个被分析的样品共记录5组此类光谱。</li>
	<li>使用数字延迟发生器控制激光器与ICCD门控脉冲之间的时间同步。实验装置如图1所示。</li>
	<li>使用示波器验证时间同步的准确性。</li>
	<li>在非门控和门控检测模式下，分别以10、25、50和100 mJ的脉冲能量操作激光器。</li>
	<li>持续监测激光能量，并在必要时进行调整以校正漂移。</li>
	<li>安全注意事项：Nd:YAG激光器属于4类激光器；操作激光器时必须始终佩戴合适的激光防护眼镜，并将房间门与激光器联动，设置房间互锁装置。14</li>
</ol>
2. 样品与样品制备
<ol>
	<li>使用已知元素浓度的合成硅酸盐有证标准物质作为样品；这些样品模拟了含有少量和痕量选定元素的常见土壤样品，其浓度范围较广。</li>
	<li>痕量元素的浓度范围为几个 ppm 至 10,000 ppm。表1列出了本研究中监测的元素及其分析所用的谱线类型和波长。标记为 I 和 II 的谱线类型分别表示中性原子和单电离原子。每种硅酸盐样品的常见基础组成为 SiO2 (72%)、Al2O3 (15%)、Fe2O3 (4%)、CaMg(CO3)2 (4%)、Na2SO4 (2.5%) 和 K2SO4 (2.5%)。</li>
	<li>使用液压压片机将样品压制成直径为 31 mm 的片状样品，以获得适合进行激光诱导击穿光谱（LIBS）分析的光滑表面。光滑表面有助于提高 LIBS 结果的一致性。</li>
	<li>每记录一条光谱时，均应分析一个新的样品点。</li>
	<li>安全注意事项：合成硅酸盐样品中含有多种不同浓度的元素，操作时应佩戴手套。</li>
</ol>
3. 制备标准曲线
<ol>
	<li>针对所测试的激光能量范围内的各种元素，分别制备门控和非门控检测的校准曲线。</li>
	<li>通过将峰面积或归一化峰面积（y轴）对元素浓度（x轴）作图来生成这些曲线。</li>
	<li>使用线性趋势线拟合校准曲线。[screen shot 1]</li>
	<li>根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）定义的3σ检测标准计算检测限。15 [calculation 1]</li>
</ol>
4. 等离子体温度测定
<ol>
	<li>通过玻尔兹曼图测量等离子体温度。</li>
	<li>使用一组波长范围在 371–408 nm 的铁谱线 [Fe(I)]，根据公式：ln(Iλ/gA) = -Eu/kT - ln(4ρZ/hcN0)（公式 1）绘制玻尔兹曼图，其中 I 为由峰面积确定的跃迁强度，λ 为波长，A 为跃迁概率，g 为跃迁简并度，Eu 为发射的上能级，k 为玻尔兹曼常数，T 为温度，Z 为配分函数，h 为普朗克常数，c 为光速，N0 为总粒子数密度。</li>
	<li>选择具有已知 Eu、g 和 A 值的 Fe 谱线。</li>
</ol>
<ul>
	<li>此处使用的 Fe(I) 谱线为 371.99、374.56、382.04、404.58、406.36 nm。</li>
	<li>Eu、g 和 A 的数值可在以下网站查询：<a href="http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html" target="_blank">http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html</a></li>
	<li>请确保在附加条件中选择“能级信息”以显示 &#34;g&#34; 值。</li>
	<li>使用 Ek 和 gk 的数值。</li>
</ul>
<ol start="4">
	<li>为确定温度，绘制 ln(Iλ/gA) 与 Eu 的关系图，并用线性趋势线拟合数据；该线斜率等于 -1/kT。16,17 [屏幕截图 2]</li>
</ol>
5. 电子密度测定
<ol>
	<li>为测量电子密度，使用波长为 656.5 nm 的氢谱线的半高全宽（FWHM）。</li>
	<li>在 ICCD 上使用 td=0.5 μsec 和 tb= 4.5 μsec 获取该数据。</li>
	<li>测量氢谱线的半高全宽（FWHM）。[screen shot 3]</li>
	<li>使用以下公式计算电子密度：Ne = 8.02 × 1012[Δλ1/2/α1/2]3/2（公式 2），其中 Ne 为电子密度，Δλ1/2 为测得的氢谱线半高全宽，α1/2 为约化波长，其值是温度和电子密度的函数。约化波长的数值可参考 Griem 附录 IIIa16-18 中提供的数据。</li>
	<li>采用 10,000 K 的温度计算电子密度（该值接近等离子体的平均温度）。[screen shot 4]</li>
</ol>
6. 使用能够确定峰面积的程序和/或 Microsoft Excel 处理所有数据

<ol><li>Song, K., Lee, Y., Sneddon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+developments+in+instrumentation+for+laser+induced+breakdown+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Spec.+Rev%22%5BJournal%5D)">Recent developments in instrumentation for laser induced breakdown spectroscopy.</a> Appl. Spec. Rev. 37 (1), 89-117 (2002).</li>
<li>Yamamoto, K. Y., Cremers, D. A., Foster, L. E., Ferris, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+Metals+in+the+Environment+Using+a+Portable+Laser-Induced+Breakdown+Spectroscopy+Instrument%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Spec%22%5BJournal%5D)">Detection of Metals in the Environment Using a Portable Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Instrument.</a> Appl. Spec. 50 (2), 222-233 (1996).</li>
<li>Cuñat, J., Fortes, F. J., Cabalín, L. M., Carrasco, F., Simón, M. D., Laserna, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Man-Portable+Laser-Induced+Breakdown+Spectroscopy+System+for+in+Situ+Characterization+of+Karstic+Formations%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Spec%22%5BJournal%5D)">Man-Portable Laser-Induced Breakdown Spectroscopy System for in Situ Characterization of Karstic Formations.</a> Appl. Spec. 62 (11), 1250-1255 (2008).</li>
<li>Munson, C. A., Gottfried, J. L., Gibb-Snyder, E., DeLucia, F. C., Gullett, B., Miziolek, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+indoor+biological+hazards+using+the+man-portable+laser+induced+breakdown+spectrometer%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Detection of indoor biological hazards using the man-portable laser induced breakdown spectrometer.</a> Appl. Opt. 47 (31), G48-G57 (2008).</li>
<li>Multari, R. A., Foster, L. E., Cremers, D. A., Ferris, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Sampling+Geometry+on+Elemental+Emissions+in+Laser-Induced+Breakdown+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Spec%22%5BJournal%5D)">Effect of Sampling Geometry on Elemental Emissions in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy.</a> Appl. Spec. 50 (12), 1483-1499 (1996).</li>
<li>Harmon, R. S., DeLucia, F. C., McManus, C. E., McMillan, N. J., Jenkins, T. F., Walsh, M. E., Miziolek, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser-induced+breakdown+spectroscopy+-+An+emerging+chemical+sensor+technology+for+real-time+field-portable%2C+geochemical%2C+mineralogical%2C+and+environmental+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Geochem%22%5BJournal%5D)">Laser-induced breakdown spectroscopy - An emerging chemical sensor technology for real-time field-portable, geochemical, mineralogical, and environmental applications.</a> Appl. Geochem. 21 (5), 730-747 (2006).</li>
<li>Schill, A. W., Heaps, D. A., Stratis-Cullum, D. N., Arnold, B. R., Pellegrino, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+near-infrared+low+energy+ultra-short+laser+pulses+for+portable+applications+of+laser+induced+breakdown+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Characterization of near-infrared low energy ultra-short laser pulses for portable applications of laser induced breakdown spectroscopy.</a> Opt. Express. 15 (21), 14044-14056 (2007).</li>
<li>Fortes, F. J., Laserna, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+development+of+fieldable+laser-induced+breakdown+spectrometer%3A+No+limits+on+the+horizon%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochim.+Acta+Part+B%22%5BJournal%5D)">The development of fieldable laser-induced breakdown spectrometer: No limits on the horizon.</a> Spectrochim. Acta Part B. 65 (12), 975-990 (2010).</li>
<li>Leis, F., Sdorra, W., Ko, J. B., Niemax, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Basic+Investigations+for+Laser+Microanalysis%3A+I.+Optical+Emission+Spectrometry+of+Laser-Produced+Sample+Plumes%5BTitle%5D)+AND+%22Mikrochim.+Acta+II%22%5BJournal%5D)">Basic Investigations for Laser Microanalysis: I. Optical Emission Spectrometry of Laser-Produced Sample Plumes.</a> Mikrochim. Acta II. 98, 185-199 (1989).</li>
<li>Lida, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+atmosphere+on+laser+vaporization+and+excitation+processes+of+solid+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochim.+Acta+Part+B%22%5BJournal%5D)">Effects of atmosphere on laser vaporization and excitation processes of solid samples.</a> Spectrochim. Acta Part B. 45 (12), 1353-1367 (1990).</li>
<li>Radziemski, L. J., Loree, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser-induced+breakdown+spectroscopy%3A+Time-integrated+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Plasma+Chem.+Plasma+Proc%22%5BJournal%5D)">Laser-induced breakdown spectroscopy: Time-integrated applications.</a> J. Plasma Chem. Plasma Proc. 1 (3), 281-293 (1981).</li>
<li>Mueller, M., Gornushkin, I. B., Florek, S., Mory, D., Panne, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Approach+to+Detection+in+Laser-Induced+Breakdown+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Approach to Detection in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy.</a> Anal. Chem. 79 (12), 4419-4426 (2007).</li>
<li>Fan, C., Longtin, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+Optical+Breakdown+in+Dielectrics+During+Ultrafast+Laser+Processing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Modeling Optical Breakdown in Dielectrics During Ultrafast Laser Processing.</a> Appl. Opt. 40 (18), 3124-3131 (2001).</li>
<li>ANSI Z-136.5. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22American+National+Standard+for+Safe+Use+of+Lasers+in+Educational+Institutions%22">American National Standard for Safe Use of Lasers in Educational Institutions</a>. , (2009).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Compendium+of+Chemical+Terminology%22">Compendium of Chemical Terminology</a>. , 2nd ed, Research Triangle Park, NC. IUPAC. (1997).</li>
<li>Cremers, D. A., Radziemski, L. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCremers%2C+DA+%22Handbook+of+Laser-Induced+Breakdown+Spectroscopy%22">Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy</a>. , John Wiley &, Sons, Ltd. Chichester, England. (2006).</li>
<li>Griem, H. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGriem%2C+HR+%22Spectral+Line+Broadening+by+Plasmas%22">Spectral Line Broadening by Plasmas</a>. , Academic Press. New York. (1974).</li>
<li>Ashkenazy, J., Kipper, R., Caner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopic+Measurements+of+Electron+Density+of+Capillary+Plasma+Based+on+Stark+Broadening+of+Hydrogen+Lines%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+A%22%5BJournal%5D)">Spectroscopic Measurements of Electron Density of Capillary Plasma Based on Stark Broadening of Hydrogen Lines.</a> Phys. Rev. A. 43 (10), 5568-5574 (1991).</li>
</ol>

作者无任何披露事项。

在比较非门控和门控检测模式时，检测限数据显示，门控检测模式能够检测到所有元素，包括那些在非门控检测模式下即使使用更高激光能量也无法观测到的元素。采用门控检测时，等离子体形成初期产生的高背景信号不会被记录，背景信号因此降低，使得元素发射谱线得到更清晰的分辨。此外，使用门控检测的检测限略低。
通常情况下，对于选通和非选通检测，在测试的能量范围内计算出的检测限相似。在某些情况下，使用较高能量进行非选通检测时检测限更高；这很可能归因于激光诱导击穿光谱（LIBS）中背景信号的增强。
由于在能量增加10倍的情况下，电子密度和等离子体温度没有显著变化，因此这些因素不应影响所测试激光能量范围内的检测能力。这与我们的结果一致，即随着脉冲能量的增加，检测限未出现显著降低。
根据所提供的数据，可以得出一些关于使用10-100 mJ激光脉冲能量及不同时间参数测定土壤模拟物中痕量元素的结论。10 mJ和25 mJ的较低能量所提供的检出限与50 mJ和100 mJ时获得的结果相似。这表明，使用较低脉...

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种利用激光产生火花作为激发源的简单元素分析方法。激光脉冲聚焦于样品表面，使材料受热、烧蚀、原子化并电离，从而形成等离子体。等离子体发出的光经光谱分光后被检测，通过其光谱特征可识别所含元素。若经过适当校准，LIBS 可提供定量分析结果。LIBS 可对固体、气体和液体进行分析，通常无需或仅需极少的样品前处理1。这些特性使其成为无法在实验室中开展分析的理想选择。
目前，激光诱导击穿光谱技术（LIBS）正在被研究用于多种不同的应用，尤其是那些需要在现场进行定量测量的应用1-8。这要求开发采用坚固且紧凑组件的LIBS仪器，以适用于现场系统。在大多数情况下，这些组件不具备实验室仪器的全部功能，从而可能影响分析性能。LIBS的结果依赖于激光脉冲参数以及其他测量条件，包括采样几何结构、周围气氛以及是否采用门控或非门控检测9-12。对于现场使用的LIBS仪器，两个需要重点考虑的因素是脉冲能量以及采用门控检测还是非门控检测。这两个因素在很大程度上决定了LIBS仪器的成本、体积和复杂性。目前市面上已有可商用的小型化、坚固型激光器，能够在0.3–10 Hz的重复频率下产生10–50 mJ的脉冲能量，使用这类激光器将具有显著优势。因此，明确使用此类激光器是否会导致检测能力下降（以及下降程度）显得尤为重要。脉冲能量是LIBS的关键参数，因为它决定了被烧蚀和汽化的材料量以及等离子体的激发特性。此外，使用门控检测会增加LIBS系统的成本；因此，必须明确采用门控与非门控检测时在光谱特征和检测能力方面的差异。
最近，一项研究比较了门控检测与非门控检测在检测钢中微量元素时的性能。结果表明，对于非门控检测，检测限相当甚至更优。12 激光诱导击穿光谱（LIBS）的一个重要特征是该技术会受到物理和化学基体效应的影响。前者的例子是，激光脉冲与导电/金属表面的耦合效率高于非导电表面。13 在本研究中，我们旨在确定脉冲能量和时序参数对土壤模拟物等非导电材料的影响。
尽管便携式激光诱导击穿光谱（LIBS）仪器已经开发并应用于某些领域，但尚未开展针对使用土壤模拟物来比较高能量与门控系统和低能量与非门控系统的检测能力的全面研究。本研究聚焦于激光脉冲能量及时间参数，用于在复杂基质中测定痕量元素。激光脉冲能量范围为10至100 mJ，以实现低能量与高能量之间的对比。在同一能量范围内，也对门控检测与非门控检测的使用进行了比较。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;仪器设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Nd:YAG 激光器</td><td>Continuum</td><td>Surelite II</td><td></td></tr><tr><td>阶梯光栅光谱仪/ICCD</td><td>Catalina/Andor</td><td>SE200/iStar</td><td></td></tr><tr><td>数字延时发生器</td><td>BNC</td><td>Model 575-4C</td><td></td></tr><tr><td>液压机</td><td>Carver</td><td>Model-C</td><td></td></tr><tr><td>31 mm 压片模具</td><td>Carver</td><td>3902</td><td></td></tr><tr><td>功率计显示单元型号</td><td>Scientech, Inc.</td><td>型号：AI310D</td><td></td></tr><tr><td>功率计探测器型号</td><td>Scientech, Inc.</td><td>型号：AC2501S</td><td></td></tr><tr><td>示波器</td><td>Tektronix</td><td>MSO 4054</td><td></td></tr><tr><td>光纤</td><td>Ocean Optics</td><td>QP1000-2-UV-VIS</td><td></td></tr><tr><td>透镜套件（该套件包含焦距为 75 mm 的透镜）</td><td>CVI Optics</td><td>LK-24-C-1064</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;试剂/材料清单&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>合成硅酸盐样品</td><td>Brammer 标准公司</td><td>GBW 07704</td><td></td></tr><tr><td>合成硅酸盐样品</td><td>Brammer 标准公司</td><td>GBW 07705</td><td></td></tr><tr><td>合成硅酸盐样品</td><td>Brammer 标准公司</td><td>GBW 07706</td><td></td></tr><tr><td>合成硅酸盐样品</td><td>Brammer 标准公司</td><td>GBW 07708</td><td></td></tr><tr><td>合成硅酸盐样品</td><td>Brammer 标准公司</td><td>GBW 07709</td><td></td></tr><tr><td>铝制压片帽（用于压制合成硅酸盐样品）</td><td>SCP Science</td><td>040-080-001</td><td></td></tr></tbody></table>

激光诱导击穿光谱结果对脉冲能量和时序参数的依赖性研究：基于土壤模拟物的实验

Dependence of Laser-induced Breakdown Spectroscopy Results on Pulse Energies and Timing Parameters Using Soil Simulants

本研究采用合成硅酸盐样品，考察了激光诱导击穿光谱（LIBS）的某些检测能力对较低脉冲能量（&lt;100 mJ）和时序参数的依赖性。这些样品用作土壤模拟物，含有在土壤中常见的多种主量、微量及痕量元素，浓度范围广泛。在本研究中，利用不同脉冲能量和时序参数建立了100多条校准曲线，并据此确定了检测限和灵敏度。同时，通过玻尔兹曼图（Boltzmann plots）测量了不同能量和时序参数条件下的等离子体温度。等离子体电子密度则通过在测试能量范围内测量656.5 nm氢谱线的半高全宽（FWHM）计算得出。总体而言，结果表明，使用较低脉冲能量和非门控检测方式并不会显著影响分析结果。这些发现对于现场便携式和个体携带式LIBS仪器的设计具有重要参考价值。

激光脉冲能量和检测模式对检测能力的影响。 在所测试的激光脉冲能量范围内，采用门控和非门控检测模式记录了合成硅酸盐样品的激光诱导击穿光谱（LIBS）。基于这些数据构建了100多条校准曲线，以评估激光脉冲能量的影响。校准曲线的建立方法包括：（1）使用分析物峰下面积；（2）将分析物峰面积与位于405.58 nm处的铁峰面积进行比值计算。样品中铁元素浓度保持一致，因此被用作内标。将分析物峰面积与内标元素峰面积进行比值处理，可提高测量的重复性，特别是在存在激光脉冲间能量波动的情况下。采用非门控和门控检测模式所获得的检测灵敏度（校准曲线斜率）和检测限数据分别列于表2、3、4和5中。
对于所有元素，使用门控和非门控检测的未归一化校准曲线时，激光脉冲能量与灵敏度之间存在直接相关性：灵敏度随能量增加而提高。因此，在较高的脉冲能量下，分析物信号更强，因为灵敏度取决于分析物信号与其浓度的相对关系。这些结果表明，较高的脉冲能量可能有助于增强较弱的分析物信号。通常情况下，在比较非门控检测的归一化灵敏度数据时，随着能量增加，灵敏度略有下降；这...

采用不同脉冲能量和时序参数测试了激光诱导击穿光谱（LIBS）对土壤模拟物的检测能力。利用校准曲线确定了不同参数下的检测限和灵敏度。结果总体表明，使用较低脉冲能量和非门控检测方式并未显著降低检测能力。

一些LIBS检测能力对较低脉冲能量（<100 mJ）和时序参数的依赖性，通过合成硅酸盐进行了研究。

以下实验的总体目标是确定使用激光诱导击穿光谱（LIPS）检测非导电材料（如土壤模拟物）中元素时，脉冲能量和时序参数的影响。该方法通过将激光脉冲聚焦到土壤模拟物上产生等离子体，随后对等离子体发出的光进行光谱分光和检测，从而获得样品中所含元素的信息。第二步，利用合成硅酸盐样品光谱中不同微量元素浓度对应的原子发射谱线，在多种能量和时间参数下绘制校准曲线。随后，利用这些校准曲线确定在不同脉冲能量和时间参数下的灵敏度和检测限。实验结果表明，使用较低的脉冲能量可获得与较高脉冲能量相似的检测限，而在非门控模式下检测时，检测能力会略有下降。LIBS 技术的优点包括能够对固体、液体或气体进行分析，且几乎无需样品制备，可同时提供定性和定量分析，具备多元素检测能力，且仅需对样品表面进行光学接触。这使得该技术非常适用于无法在实验室中开展的分析工作。目前，激光诱导击穿光谱（LIBS）正被用于多种不同的应用，尤其是需要进行野外现场测量的场景。本视频中的系统采用了一台在1064纳米波长下工作的Q开关Nd:YAG激光器，脉冲重复频率为10赫兹。通过反射镜将激光束引导至一个焦距为75毫米的透镜，该透镜将激光脉冲聚焦到放置在平移台上的样品表面。将光纤置于等离子体形成点附近，收集样品产生的等离子体光，利用带增强型CCD的壳层光谱仪对光谱进行分光和记录。使用数字延时发生器控制激光器与ICCD探测器之间的时间同步，并通过示波器验证时序准确性。接下来，准备用于实验的样品以模拟常见的土壤样品。使用已知元素浓度的合成硅酸盐有证标准物质。采用铝制圆盘、D型模具组和液压机，制备表面光滑、直径为31毫米的压片，以确保分析的一致性。首先，使用样品绘制标准曲线。为采集 LIBS 数据，在计算机控制下将样品置于聚焦透镜的焦点位置。检查 ICCD 设置，确保处于非门控工作模式。将时间延迟设为 0 微秒。将激光脉冲能量调整至先前使用过的能量值之一，然后开始采集数据。每次记录完光谱后，选择样品上的一个新位置进行分析。完成所有非门控记录后，将ICCD的时间延迟调整为一微秒，用于门控检测，并在此配置下记录五组新的光谱。对所有待测样品和能量，重复进行非门控和门控测量。通过在Y轴上绘制某元素光谱峰的平均面积、在X轴上绘制该元素浓度，生成校准曲线。或者，绘制峰面积与位于406纳米处的铁峰面积的比值。在Y轴上，使用线性趋势线拟合校准曲线，并通过三倍标准差（三西格玛）检测法确定检测限，以求得等离子体温度；在数据中识别波长介于371至408纳米之间、且具有已知上能级简并度和跃迁概率的铁谱线。这些物理量与跃迁强度应满足该方程，并作为跃迁上能级的函数呈现一条直线。斜率的绝对值为负的1除以kt，其中K是玻尔兹曼常数，T是温度。绘制数据并将曲线拟合为一条直线，然后由此解出温度，即8,400开尔文，以求得激光系统焦点处样品的电子密度。将 ICCD 门宽设置为 4.5 微秒，时间延迟设置为 0.5 微秒。测量 656 纳米氢谱线的半高全宽。利用缩减波长和 10,000 开尔文的温度计算电子密度。此图用于钡的检测，展示了使用延迟时间为一微秒的门控数据计算检测限的两种校准曲线方法的比较。基于光谱峰面积计算得到的检测限以蓝色表示，称为未比值化方法；而以黑色表示的是比值化方法，即通过将光谱峰下面积与铁406纳米谱线下峰面积的比值来计算检测限。在本实验所用的脉冲能量范围内，比值化数据获得的检测限更低。使用无延迟采集的比率数据获得的非门控数据也显示出相同结果。该图比较了在钡的能量范围内，黑色表示的门控检测与蓝色表示的非门控检测之间的检测限。可以看出，门控检测模式可实现更低的检测限。这通常适用于使用门控检测与非门控检测对同一样品光谱进行的所有数据比较。使用非G门控检测显示出门控检测预期的较低基线。这些光谱在非G门控检测下使用10毫焦脉冲采集。合成硅酸盐样品中各元素谱峰下的峰面积随激光脉冲能量的增加而增大。时间门控检测也观察到相同现象。这种增加很可能是由于样品被烧蚀的质量增大，导致产生更大的等离子体和更强的激发信号。请注意，在此非门控测量中，随着激光脉冲能量的增加，背景信号也随之增强。这表明存在自吸收现象，且等离子体连续背景的增强可能在较高能量下影响检测能力。然而，总体结果表明，使用较低脉冲能量和非门控检测并未显著降低检测能力。对于两种检测模式，在所测试的能量范围内，平均温度随激光能量的变化呈现相对恒定的趋势。然而，非门控模式下的温度范围为10,000至11,000开尔文，而门控模式下的温度范围为8,100至8,700开尔文。这是合理的，因为非门控模式监测的是等离子体形成初期阶段；电子密度测量结果显示，当激光脉冲能量增加10倍时，密度仅有轻微上升。观看本视频后，您应能充分理解如何成功进行唇部测量。它。

dependence-laser-induced-breakdown-spectroscopy-results-on-pulse

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

对脉冲能量和时序参数使用土壤仿制品激光诱导击穿光谱结果依赖

使用激光诱导击穿光谱（LIBS）测量时间分辨的原子和双原子分子种类。在Nd:YAG激光辐射引发光学击穿等离子体后，于不同时间延迟下采集光谱。 并被用于推断电子密度和温度。...

激光诱导光学击穿后原子氢及双原子分子AlO、C2、CN和TiO光谱的测量与分析

在薄层器官和肿瘤组织上进行的激光诱导击穿光谱成功检测到了天然元素以及人工注入的钆（Gd），后者来源于基于钆的纳米颗粒。化学元素成像的空间分辨率达到100...

激光诱导击穿光谱：一种用于组织中纳米颗粒成像与定量的新方法

我们展示了利用激光将真实的核燃料、包壳和 containment 材料加热至超过 3,000 K...

模拟核电厂事故条件下研究核材料的激光加热与辐射光谱测量法

共聚焦荧光显微镜与激光显微照射技术可用于在细胞核内特定区域诱导DNA损伤，并监测DNA修复蛋白的响应。该技术极大地推动了我们对损伤识别、信号传导及蛋白募集过程的理解。本文展示了如何利用这些技术研究单链和双链断裂的修复过程。...

激光微照射技术在哺乳动物细胞单链与双链断裂修复研究中的应用

本方案描述了利用飞秒光学激光器与自由电子激光器相结合，开展和分析泵浦-探测实验的关键步骤，以研究气相分子中的超快光化学反应。...

一种用于自由电子激光器的飞秒近红外/紫外-极紫外泵浦-探测实验方案

研究DNA损伤修复动力学需要一种能够在细胞核内特定区域诱导损伤的系统。本文介绍一种利用配备405...

利用405 nm激光显微照射技术研究蛋白质向DNA损伤位点的招募

土壤有机质（SOM）是多种土壤功能和过程的基础，但其傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征常受到土壤矿物干扰的限制。本方法通过使用经验获得的矿物参考光谱，从土壤光谱中扣除矿物干扰，从而提高利用FTIR光谱法分析土壤有机质的实用性。...

通过光谱减法改进土壤有机质的红外光谱表征

在真空感应熔炼过程中，采用激光诱导击穿光谱法对熔融合金主要成分元素进行实时定量分析。...

基于激光诱导击穿光谱的真空感应熔炼定量分析

冰冻圈中的碳通量目前几乎尚未得到评估，但在气候变化方面至关重要。本文展示了一种新型原型装置，该装置基于激光诱导荧光发射（L.I.F.E.）技术，在原位条件下提供高光谱和高空间分辨率的数据，用于捕捉表生冰川环境中的光合潜力。...

激光诱导荧光发射（L.I.F.E.）作为一种新型非侵入式工具用于冰冻圈生境中生物标志物的原位测量

本方案介绍了一种利用薄膜扩散梯度（DGT）结合质谱成像技术，对多种不稳定的无机营养元素和污染物溶质进行亚毫米级二维可视化的实验流程。文中详细描述了溶质采样及高分辨率化学分析方法，用于对陆生植物根际溶质进行定量分布图谱绘制。...

土壤中不稳定的无机植物养分与污染物的二维可视化与定量分析

了解激光诱导击穿光谱技术用于土壤仿制品元素检测的方法。本研究评估脉冲能量与时序参数对检测限的影响，建立校准曲线以优化非导电材料的定量分析流程。

激光诱导击穿光谱结果对脉冲能量和时序参数的依赖性研究：基于土壤模拟物的实验

探索更多视频