מאמר שיטה

תלות של תוצאות ספקטרוסקופיה ההתפלגות מושרה לייזר על אנרגיות דופק ופרמטרים תזמון שימוש Simulants קרקע

DOI:

10.3791/50876

⸱

23 בספטמבר 2013

 ,  ,  , 
1Department of Math and Sciences, Alvernia University, 2Applied Research Associates (ARA), Inc.

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

יכולות זיהוי LIBS על simulants הקרקע נבדקו באמצעות מגוון של אנרגיות דופק ופרמטרי עיתוי. עקומות כיול שימשו לקביעת מגבלות זיהוי ורגישויות לפרמטרים שונים. באופן כללי, התוצאות הראו שלא הייתה ירידה משמעותית ביכולות זיהוי באמצעות אנרגיות דופק נמוכות וגילוי שאינו מגודרת.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התלות של כמה יכולות זיהוי LIBS על אנרגיות נמוכות יותר דופק (<100 MJ) ופרמטרי תזמון נבדקה באמצעות דגימות סיליקט סינתטיות. דגימות אלה שימשו כsimulants לאדמה והכילו אלמנטים קטנים ועקבות נמצאים בדרך כלל בקרקע במגוון רחב של ריכוזים. במחקר זה, מעל 100 עקומות כיול הוכנו באמצעות אנרגיות דופק שונות ופרמטרי עיתוי; זיהוי גבולות ורגישויות נקבעו מעקומות הכיול. טמפרטורות פלזמה נמדדו גם באמצעות חלקות בולצמן לאנרגיות השונות ופרמטרי העיתוי שנבדקו. צפיפות האלקטרונים של הפלזמה חושב באמצעות המחצית המרבית ברוחב המלא (FWHM) של קו המימן ב656.5 ננומטר על האנרגיות שנבדקו. בסך הכל, תוצאות המחקר מראים כי השימוש באנרגיות דופק נמוכים וגילוי שאינו מגודרת לא מתפשרות ברצינות תוצאות האנליטיות. תוצאות אלו הן רלוונטיות מאוד לעיצוב של שדהומכשירי LIBS אדם נייד.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ספקטרוסקופיה התמוטטות מושרה לייזר (LIBS) היא שיטה פשוטה של ​​ניתוח יסודות המשתמשת ניצוץ לייזר שנוצר כמקור העירור. על גבי משטח שמתחמם, ablates, atomizes וionizes חומר משטח כתוצאה מכך היווצרות של פלזמה דופק הלייזר ממוקד. אור הפלזמה ספקטרלית נפתר וזוהה ואלמנטים מזוהים על ידי החתימה ספקטראלית שלהם. אם מכויל כראוי, LIBS יכול לספק תוצאות כמותיות. LIBS יכול לנתח מוצקים, גזים ונוזלים עם הכנת מדגם קטנה או לא. 1 תכונות אלו הופכות אותו לאידיאלי עבור ניתוחים שאינם יכול להתבצע במעבדה.

נכון לעכשיו, LIBS הוא נחקר עבור יישומים רבים ושונים במיוחד אלה הדורשים מדידות המבוסס על שדה לכימות. 1-8 זה דורש הפיתוח של מכשור LIBS תוך שימוש ברכיבים קשיחים וקומפקטי מתאימים למערכת מבוססת תחום. ברוב המקרים,רכיבי se לא יהיו את מלוא היכולות של מכשור מעבדה מבוססת, וכך לפגוע בביצועי הניתוח. תוצאות LIBS תלויות בפרמטרי דופק לייזר ותנאי מדידה אחר הכוללים גיאומטריה דגימה, אווירה שמסביב, ואת השימוש בזיהוי מגודרת או בלתי מגודרת. 9-12 למכשור LIBS מבוסס שדה, שני גורמים חשובים שיש לשקול הם את האנרגיה הדופק והשימוש במגודר לעומת גילוי שאינו מגודרת. שני גורמים אלה קובעים במידה רבה את העלות, גודל ומורכבות של מכשיר LIBS. לייזרים קטנים, שנבנו מחוספס שיכול ליצור פולסים 10-50 mJ בשיעורי החזרה של .3-10 הרץ זמינים מסחרי ויהיה יתרון מאוד לשימוש. לכן, חשוב לדעת מה, אם בכלל, הפסד ביכולות זיהוי יגרום מהשימוש בלייזרים אלה. האנרגיה הדופק היא פרמטר מרכזי לLIBS כפי שהוא קובע את כמות החומר ablated ומתאדה וchar העירורתכונותיהם של הפלזמה. בנוסף, השימוש בזיהוי מגודרת יכול להגדיל את העלות של מערכת LIBS; כתוצאה מכך, זה הכרחי כדי לקבוע את ההבדלים בין הספקטרום ויכולות זיהוי באמצעות זיהוי מגודרת ואינו מגודרת.

לאחרונה, בוצע מחקר שהשווה איתור מגודר לזיהוי שאינו מגודרת לקטין אלמנטים שנמצאו בפלדה. התוצאות הראו כי מגבלות זיהוי היו דומות אם לא טובים יותר לגילוי שאינו מגודרת. 12 מאפיין חשוב אחד LIBS הוא שהטכניקה חווה השפעות מטריצה ​​פיזיות וכימיות. דוגמא הראשונה היא שזוגות דופק לייזר בצורה יעילה יותר עם ​​משטחי הניצוח / מטאל מאשר שאינם מנהלי משטחים. 13 במחקר זה, אנחנו רוצים לקבוע את ההשפעות של פרמטרים אנרגיה דופק ותזמון עבור חומרים שאינם מנהלים כמו simulants אדמה.

אמנם, מכשירים ניידים LIBS שדה פותחו ומשמשיםעבור יישומים מסוימים, מחקר מקיף על יכולות זיהוי לא בוצע השוואת אנרגיה ומערכות מגודרות גבוהות יותר למערכות אנרגיה ושאינו מגודרות נמוכות באמצעות simulants אדמה. מחקר זה מתמקד בפרמטרי אנרגיה דופק לייזר ועיתוי לקביעת יסודות קורט במטריצות מורכבות. האנרגיה דופק לייזר נעה 10-100 mJ לקבל השוואה בין אנרגיות נמוכות יותר וגבוהות יותר. השוואה של השימוש במגודר לעומת גילוי שאינו מגודרת בוצעה גם על אותו טווח האנרגיה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. מערכת לייזר

  1. השתמש בפעימות לייזר המיוצרים על ידי ממותג Q Nd: YAG לייזר הפועל ב1,064 ננומטר וב10 הרץ.
  2. להתמקד פעימות לייזר על המדגם עם אורך מוקד עדשת 75 מ"מ.
  3. לאסוף הפלזמה האור עם סיבים אופטיים הצביעו על והניחו ליד הפלזמה נוצרה על המדגם.
  4. השתמש הספקטרוגרף / ICCD Echelle לספקטרלית נחישות ולהקליט את ספקטרום LIBS.
  5. פועל ICCD בשני מצבים שאינם מגודרות ומגודרים באמצעות רווח של 125.
  6. השתמש עיכוב 0 μsec זמן (ד t) במצב שאינו מגודרת וד לא μsec 1 במצב סגור.
  7. לשני המצבים, להשתמש ברוחב שער (t) ב 20 μsec עם חשיפת 3 שניות (שילוב אור הפלזמה על שבב המצלמה ICCD); זה יביא להתווסף 30 יריות לייזר יחידים לייצר בכל ספקטרום.
  8. הקלט כולל של 5 ספקטרום כזה עבור כל דגימה נותחה.
  9. השתמש בגנרטור עיכוב דיגיטלי לשלוט tהתכתבות במסרים מיידי בין הלייזר ודופק שער ICCD. הניסיון להגדיר מוצג באיור 1.
  10. ודא עיתוי עם אוסצילוסקופ.
  11. להפעיל את הלייזר באנרגיות דופק של 10, 25, 50, ו100 mJ באמצעות זיהוי שני שאינם מגודרת וסגור.
  12. הרף לפקח על אנרגיית הלייזר ולהתאים לתיקון לסחיפה, במידת צורך.
  13. שיקול בטיחות: Nd:. YAG לייזר הוא לייזר IV הייצוגית; ללבוש משקפי בטיחות הלייזר מתאימים בכל העת בעת הפעלת הלייזר ולהקים חדר משתלב בשילוב עם דלת החדר ולייזר 14

2. דגימות והכנת דוגמאות

  1. השתמש בחומרי עזר סיליקט מוסמכים סינטטיים עם ריכוזי מרכיב ידועים כדגימות; אלה לחקות דגימות קרקע משותפות עם קטין וכמויות זעירות של אלמנטים נבחרים פורש מגוון רחב של ריכוזים.
  2. ריכוזים של יסודות הקורט נעו בין כמה עמודים לדקה ל -10,000 עמודים לדקה. שולחן1 רשימות האלמנטים המנוטרים כאן כוללים סוגיהם הקו ואורכי גל המשמשים לניתוח. סוגי הקווים שכותרתו I ו-II מסמנים אטומים ניטראליים או אטומים מיוננים ביחידות, בהתאמה. הרכב הבסיס המשותף של כל דגימת סיליקט הוא SiO 2 (72%), אל 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO 3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2.5%), ו-K 2 SO 4 (2.5%).
  3. לחץ על הדגימות לתוך כדורים בקוטר 31 במ"מ באמצעות לחץ הידראולי כדי ליצור משטח חלק לניתוח LIBS. משטח החלק מסייע ליצור עקביות עם תוצאות LIBS.
  4. לנתח נקודת מדגם חדשה עבור כל ספקטרום שנרשם.
  5. שיקול בטיחות: דגימות סיליקט סינתטיות מכילות מגוון רחב של אלמנטים בריכוזים שונים; ללבוש כפפות במהלך טיפול.

3. הכנת עקומות כיול

  1. הכן את עקומות כיול עבור Variאלמנטים מפוקפקים בזיהוי שני מגודרות ואינו מגודרת על פני הטווח של אנרגיות לייזר שנבדקו.
  2. עושה את העיגולים האלה על ידי התוויית אזור השיא או אזור ratioed השיא (ציר y) נגד ריכוז אלמנט (ציר x).
  3. השתמש בקו מגמה ליניארי כדי להתאים את עקומת הכיול. [צילום מסך 1]
  4. חישוב מגבלות זיהוי באמצעות זיהוי 3σ כהגדרתו על ידי IUPAC. 15 [חישוב 1]

4. קביעת טמפרטורת פלזמה

  1. למדוד טמפרטורות פלזמה ממגרשים בולצמן.
  2. להשתמש בערכה של קווי ברזל [Fe (אני)] בין אורכי הגל של 371-408 ננומטר כדי ליצור חלקות בולצמן באמצעות: ln (Iλ / GA) = E-u / KT - ln (4ρZ/hcN 0) (1 Eq.) שבו אני הוא את עוצמת מעבר שנקבע מאזור השיא, λ הוא אורך הגל, היא הסתברות המעבר, גרם הוא הניוון של המעבר, E u הוא המדינה העליונה לפליטה, k הוא הקבוע בולצמן, T היא הטמפרטורה,Z היא פונקציית החלוקה, h הוא קבוע, ג של פלאנק הוא מהירות אור, N 0 הוא סכה הכל אוכלוסיית המין.
  3. בחר קווים פה שידועים E u, g, וערכים.
  • קווים פה (אני) משמשים כאן הם 371.99, 374.56, 382.04, 404.58, 406.36 ננומטר.
  • ניתן למצוא E u, g, וערכים באתר זה (http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html)
  • הקפד לבחור את האפשרות להראות את "G" על פי קריטריונים נוספים שכותרתו מידע ברמה.
  • השתמש k E וערכי k גרם.
  1. כדי לקבוע טמפרטורה, LN עלילה (Iλ / GA) נגד u E ולהתאים את הנתונים עם קו מגמה ליניארי;. המדרון הוא שווה ל-1/kT 16,17 [צילום מסך 2]

5. קביעת צפיפות אלקטרונים

  1. כדי למדוד את אלקטרוצפיפות n, להשתמש בכל הרוחב בחצי לכל היותר (FWHM) של קו המימן ב656.5 ננומטר.
  2. קח את המידע הזה באמצעות ד t = 0.5 μsec ולא ב = 4.5 μsec על ICCD.
  3. מדוד את FWHM של קו המימן. [צילום מסך 3]
  4. לחשב את צפיפות האלקטרונים באמצעות: דואר N = 8.02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (Eq. 2) שבו דואר N הוא צפיפות האלקטרונים, Δλ 1/2 הוא FWHM הנמדד של שורת המימן, וα 1/2 הוא אורך הגל מופחת אשר הוא פונקציה של הטמפרטורה וצפיפות האלקטרונים. הערכים לאורכי הגל המופחת ניתנים בנספח IIIa של Griem. 16-18
  5. לחשב את צפיפות האלקטרונים באמצעות טמפרטורה של 10,000 K (זה היה קרוב לטמפרטורה הממוצעת של הפלזמה). [צילום מסך 4]

6. לעבוד את כל הנתונים באמצעות תכניתשיכול לקבוע את אזורי השיא ו / או Microsoft Excel

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השפעה של אנרגיית לייזר דופק ומצבי גילוי על יכולות זיהוי. ספקטרום LIBS של דגימות סיליקט סינתטיות נרשם באמצעות זיהוי מגודרת ואינו מגודרת על פני הטווח של אנרגיות דופק לייזר שנבדקו. מעל 100 עקומות כיול נבנו מנתונים אלה כדי להעריך את ההשפעה של אנרגיית לייזר הדופק. עקומות כיול הוכנו על ידי (1) שימוש בשטח מתחת לשיא אנליטי ו( 2) על ידי ratioing השטח של שיא אנליטי לאזור של שיא הברזל ב405.58 ננומטר. ריכוז הברזל היה אחיד בין דגימות, ולכן זה היה בשימוש כסטנדרט פנימי. Ratioing...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאשר משווים את מצבי זיהוי שאינו מגודרות ומגודרים, הנתונים מראים כי גבול גילוי מצב זיהוי מגודרת אפשר זיהוי של כל האלמנטים, כולל אלה שלא ראו את השימוש באנרגיות לייזר גבוהות יותר במצב זיהוי שאינו מגודרת. באמצעות זיהוי מגודרת, גבוה הרקע הראשוני מההיווצרות של הפלזמה הוא לא נצפה ורקע ירידה המציג את פליטת היסודות טובה יותר נפתרה. יתר על כן, מגבלות זיהוי היו מעט נמוכות יותר באמצעות זיהוי מגודרת.

באופן כללי, היו מגבלות זי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אין לי המחברים הכל כדי לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו מומנה על ידי משרד האנרגיה, משרד המדע בארה"ב.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Equipment
Nd:YAG לייזר ContinuumSurelite II
Echelle spectrograh / ICCDCatalina / AndorSE200 / iStar
מחולל עיכוב דיגיטליBNCדגם 575-4C
עיתונות הידראוליתCarverדגם-C
31 מ"מ גלולה למותCarver3902
מחוון מד כוח דגםScientech, Inc.מספר דגם: AI310D
גלאי מד כוח דגםScientech, Inc.מספר דגם: AC2501S
אוסילוסקופTektronixMSO 4054
אופטיים אוקיינוס אופטיקהערכת עדשות QP1000-2-UV-VIS
(ערכה זו מכילה את עדשת 75 מ"מ f.l.)CVI OpticsLK-24-C-1064
<חזק>רשימת ריאגנטים/חומרים
דגימת סיליקט סינתטיתBrammer Standard CompanyGBW 07704
מדגם סיליקט סינטטיBrammer Standard CompanyGBW 07705
מדגם סיליקט סינטטיBrammer Standard CompanyGBW 07706
מדגם סיליקט סינטטיBrammer Standard CompanyGBW 07708
מדגם סיליקט סינטטיBrammer Standard CompanyGBW 07709
מכסי אלומיניום (ללחיצה על דגימות סיליקט סינתטיות)SCP Science040-080-001
סיבים

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Gated DetectionNon Gated Detection

מאמרים קשורים