Afhankelijkheid van Laser-geïnduceerde Breakdown Spectroscopy Resultaten op Pulse Energies en timing parameters met Bodem Simulants

Samenvatting

LIBS opsporingsmogelijkheden op grond simulanten werden getest met behulp van een scala aan pulsenergieën en timing parameters. Kalibratiecurves werden gebruikt om detectie en gevoeligheden voor verschillende parameters bepalen. Algemeen de resultaten bleek dat er geen significante vermindering detectiemogelijkheden door minder pulsenergieën en niet-gated detectie.

Samenvatting

De afhankelijkheid van enkele LIBS detectiecapaciteit op lagere pulsenergieën (<100 mJ) en de timing parameters werden onderzocht met behulp van synthetische silicaat monsters. Deze monsters werden gebruikt als simulanten voor grond en bevatte sporenelementen vaak gevonden in de bodem bij een breed scala aan concentraties. Voor dit onderzoek werden meer dan 100 kalibratiekrommen bereid met verschillende pulsenergieën en tijdparameters, detectiegrenzen en gevoeligheden werden bepaald uit de kalibratiekromme. Plasma temperaturen werden ook gemeten met behulp van Boltzmann percelen voor de verschillende energieën en de timing parameters getest. De elektronendichtheid van het plasma werd berekend met behulp van de volledige breedte half maximum (FWHM) van de waterstof lijn op 656,5 nm over de geteste energieën. Kortom, de resultaten aan dat het gebruik van lagere pulsenergieën en niet-gated detectie niet serieus de analyseresultaten compromitteren. Deze resultaten zijn bijzonder relevant voor het ontwerp van veld-en persoon-portable LIBS instrumenten.

Inleiding

Laser geïnduceerde afbraak spectroscopie (LIBS) is een eenvoudige methode van elementair analyse die een laser opgewekte vonk gebruik als de excitatiebron. De laserpuls wordt gefocusseerd op een oppervlak dat verhit ablateert, vernevelt en ioniseert het oppervlaktemateriaal resulteert in de vorming van plasma. De plasma licht wordt spectraal opgelost en gedetecteerd en elementen worden geïdentificeerd door hun spectrale signatuur. Als dit goed wordt gekalibreerd, kan LIBS kwantitatieve resultaten. LIBS kan vaste stoffen, gassen en vloeistoffen te analyseren met weinig of geen monstervoorbereiding. ¹ Deze eigenschappen maken het ideaal voor analyses die niet buiten het laboratorium worden uitgevoerd.

Momenteel wordt LIBS bestudeerd voor vele toepassingen bijzonder die met velden metingen vereisen voor kwantificering. ^1-8 Dit vereist de ontwikkeling van LIBS instrumenten met robuuste en compacte onderdelen voor een veld gebaseerd systeem. In de meeste gevallen, dese componenten zullen niet de volledige capaciteiten van laboratorium-gebaseerde instrumenten, waardoor de analyse doen aan prestaties. LIBS resultaten zijn afhankelijk van de laserpuls parameters en andere meetomstandigheden dat bemonstering geometrie, omringende atmosfeer, en het gebruik van een gesloten of niet-gated detectie omvatten. ^9-12 voor field-based LIBS instrumentatie, twee belangrijke factoren te overwegen zijn de puls energie en het gebruik van gated versus niet-gated detectie. Deze twee factoren bepalen in grote mate de kosten, omvang en complexiteit van de LIBS instrument. Klein, robuust gebouwd lasers die pulsen kan genereren 10-50 mJ bij herhaling tarieven van 0,3-10 Hz zijn commercieel verkrijgbaar en zou zeer voordelig zijn om te gebruiken. Daarom is het belangrijk te weten wat eventueel verlies van de detectiecapaciteit zal voortvloeien uit het gebruik van deze lasers. De pulsenergie is een belangrijke parameter voor LIBS waarop zij de hoeveelheid materiaal geablateerd en verdampt en de excitatie houtskoolschappen van het plasma. Bovendien kan het gebruik van gated detectie de kosten van het LIBS systeem te verhogen, als gevolg, is het noodzakelijk om de verschillen tussen spectra en detectiemogelijkheden bepalen middels gated en non-gated detectie.

Onlangs, werd een studie vergeleken gated detectie niet-gated detectie voor kleine elementen in staal. De resultaten toonden aan dat de detectiegrenzen waren vergelijkbaar of zelfs beter voor niet-gated detectie. ¹² Een belangrijk kenmerk van LIBS is dat de techniek ervaart fysische en chemische matrixeffecten. Een voorbeeld van het eerste is dat de laserpuls paren efficiënter met geleidende / metalen dan niet-geleidende oppervlakken. ¹³ Voor deze studie, wilden we de effecten van pulsenergie en tijdparameters voor niet-geleidende materialen zoals grond simulant bepalen.

Hoewel, zijn veld draagbare LIBS instrumenten ontwikkeld en gebruiktvoor sommige toepassingen, heeft een uitgebreide studie over de opsporingsmogelijkheden niet uitgevoerd vergelijken hogere energie-en gated systemen om lagere energie-en non-gated systemen met behulp van bodem simulanten. Deze studie richt zich op laserpuls energie en timing parameters voor de bepaling van spoorelementen in complexe matrices. De laserpuls energie varieerde van 10 tot 100 mJ een vergelijking tussen lagere en hogere energieën te verkrijgen. Een vergelijking van het gebruik van gated versus niet-gated detectie werd ook uitgevoerd via hetzelfde energiebereik.

Protocol

1. Laser System

1. Gebruik laserpulsen door een Q-switched Nd: YAG laser werkt bij 1064 nm en bij 10 Hz.
2. Focus de laserpulsen op het monster met een 75 mm brandpuntsafstand.
3. Verzamel de plasma licht met een optische vezel wees op en geplaatst in de buurt van het plasma gevormd op het monster.
4. Gebruik een Echelle spectrograaf / ICCD te lossen spectraal en noteer de LIBS spectrum.
5. Bedien de ICCD in zowel niet-omheind en gated modi met een winst van 125.
6. Gebruik een 0 msec vertraging (t _d) in niet-gated modus en een 1 usee t _d in een gesloten stand.
7. Voor beide modi gebruikt een poort breedte (t _b) van 20 usec met een 3 seconden blootstelling (integratie van de plasma licht op de ICCD camera chip), hetgeen resulteert in 30 afzonderlijke laserschoten toegevoegd aan elk spectrum te produceren.
8. Neem een ​​totaal van 5 dergelijke spectra voor elk monster geanalyseerd.
9. Gebruik een digitale delay generator om de controle van de timing tussen de laser en de ICCD drukimpuls. De experimentele opstelling wordt getoond in figuur 1.
10. Controleer de timing met een oscilloscoop.
11. Bedien de laser op pulsenergieën van 10, 25, 50, en 100 mJ middels zowel niet-gated en gated detectie.
12. Continu de laserenergie en passen om te corrigeren voor drift, indien nodig.
13. Veiligheid overweging: De Nd:. YAG laser is een klasse IV laser; geschikte kleding te dragen laser veiligheidsbril te allen tijde bij het ​​bedienen van de laser en de kamer vergrendelingen vast in samenwerking met de kamer deur en laser ¹⁴

2. Monsters en Monstervoorbereiding

1. Gebruik synthetische silicaat gecertificeerde referentiematerialen met bekende element concentraties als monsters, deze na te bootsen gemeenschappelijke grondmonsters met kleine en sporen van geselecteerde elementen verspreid over een reeks concentraties.
2. Concentraties van sporenelementen varieerde van enkele dpm tot 10.000 dpm. Tabel1 staan ​​de elementen hier gecontroleerd inclusief hun lijn soorten en golflengtes gebruikt voor analyse. De lijn types aangeduid als I en II betekenen neutrale atomen of een enkelvoudig geïoniseerde atomen, respectievelijk. De gemeenschappelijke basis samenstelling van elke silicaat monster _SiO2 (72%), Al ₂ O ₃ (15%), Fe ₂ O ₃ (4%), CaMg _{(CO3) 2} (4%), Na ₂ SO ₄ ( 2,5%) en K ₂ SO ₄ (2.5%).
3. Druk op de monsters in 31 mm diameter pellets met behulp van een hydraulische pers om een ​​glad oppervlak te creëren voor LIBS analyse. Het gladde oppervlak helpt om de samenhang met de LIBS resultaten te creëren.
4. Analyseer een nieuw monster plek voor elk spectrum opgenomen.
5. Veiligheid overweging: De synthetische silicaat monsters bevatten diverse elementen in verschillende concentraties; handschoenen tijdens hantering.

3. Het voorbereiden IJkkrommen

1. Bereid kalibratiecurven voor het varilende elementen in zowel afgesloten als niet-gated detectie over de reeks laser energie getest.
2. Maak deze curven plotten het piekoppervlak of de ratioed piekoppervlak (y-as) tegen elk element (x-as).
3. Gebruik een lineaire trendlijn om de kalibratiecurve te trekken. [Schermafdruk 1]
4. Bereken detectielimieten gebruik 3σ detectie zoals gedefinieerd door de IUPAC. ¹⁵ [berekening 1]

4. Plasma Temperatuur Bepaling

1. Meet plasma temperaturen van Boltzmann percelen.
2. Gebruik een set van ijzer lijnen [Fe (I)] tussen golflengten van 371-408 nm tot Boltzmann percelen maken met: ln (Iλ / GA) =-E _u / kT - ln (4ρZ/hcN ₀₎ (Vgl. 1) waarin I de intensiteit van de overgang zoals bepaald uit het piekoppervlak, λ de golflengte is, A de overgangswaarschijnlijkheid, g de degeneratie van de overgang, E _u de bovenste staat voor emissie, k de Boltzmann constante, T de temperatuur,Z is de verdelingsfunctie, h is de constante van Planck, c de lichtsnelheid, N ₀ is de totale populatie soorten.
3. Koos Fe lijnen die E _u, g, en A waarden bekend zijn.

• De Fe (I) lijnen die hier gebruikt zijn 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
• De E _u, g, en A waarden is te vinden op deze website ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
• Zorg ervoor dat de optie om de "g" tonen onder aanvullende criteria bestempeld als niveau informatie te selecteren.
• Gebruik de E _k en g _k-waarden.

4. Temperatuur, perceel ln (Iλ / GA) te bepalen tegen E _u en past de gegevens met een lineaire trendlijn;. De helling is gelijk aan -1/kT ^16,17 [screenshot 2]

5. Elektronendichtheid Bepaling

1. Om de elektro metenn dichtheid, gebruik maken van de volledige breedte op halve hoogte (FWHM) van de waterstof lijn op 656,5 nm.
2. Neem deze gegevens met behulp van t = 0,5 _d usee en t _b = 4,5 msec op de ICCD.
3. Meet de FWHM van de waterstof-lijn. [Screenshot 3]
4. Bereken de elektronendichtheid met N _e = 8,02 x 10 ¹² [Δλ _1/2 / α _1/2] ^3/2 (Vgl. 2) waarbij N _e de elektronendichtheid, Δλ _1/2 is de gemeten FWHM van de waterstoflijn en α _1/2 is het verminderde golflengte die een functie is van de temperatuur en de elektronendichtheid. De waarden voor de lagere golflengten worden in Griem het aanhangsel IIIa. ^16-18
5. Bereken de elektronendichtheid met een temperatuur van 10.000 K (dit was dicht bij de gemiddelde temperatuur van het plasma). [Screenshot 4]

6. Werken van alle gegevens met behulp van een programmadie kan bepalen de Peak Gebieden en / of Microsoft Excel

Resultaten

Effect van laserpulsenergie en detectie modes op detectiemogelijkheden. LIBS spectra van het synthetische silicaat monsters werden opgenomen met gated en non-gated detectie over de reeks laserpuls energieën getest. Meer dan 100 kalibratiecurves werden geconstrueerd uit deze gegevens om het effect van de laserpulsenergie evalueren. Kalibratiecurves werden bereid door (1) met het oppervlak onder de analyt piek en (2) door ratioing het gebied van de analyt piek tot het gebied van de ijzer piek bij 405,58 n...

Discussie

Bij vergelijking non-gated en gated detectie modes, de detectiegrens gegevens blijkt dat de gated detectiemodus termijn voor detectie van alle elementen ook die welke niet werden waargenomen met hogere energieën laser in niet-gated detectie modus. Met gated detectie, wordt de aanvankelijke hoge achtergrond van de vorming van het plasma niet waargenomen en de achtergrond wordt verminderd met de elementaire emissie beter opgelost. Bovendien is de detectielimieten waren iets lager met behulp van gated detectie.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Equipment
Nd:YAG laser	Continuum	Surelite II
Echelle spectrograh/ICCD	Catalina/Andor	SE200/iStar
Digital delay generator	BNC	Model 575-4C
Hydraulic Press	Carver	Model-C
31-mm pellet die	Carver	3902
Power meter indictor model	Scientech, Inc.	Model number: AI310D
Power meter detector model	Scientech, Inc.	Model number: AC2501S
Oscilloscope	Tektronix	MSO 4054
Optical fiber	Ocean Optics	QP1000-2-UV-VIS
Lens kit (this kit contains the 75 mm f.l. lens)	CVI Optics	LK-24-C-1064
Reagent/Material list
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07704
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07705
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07706
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07708
Synthetic silicate sample	Brammer Standard Company	GBW 07709
Aluminum caps (for pressing synthetic silicate samples)	SCP Science	040-080-001