Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Afhængighed af Laser-induceret Fordeling spektroskopi Resultater på Pulse Energies og timing parametre ved hjælp Jord Simulanterne

Published: September 23, 2013 doi: 10.3791/50876
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Math and Sciences, Alvernia University, 2Applied Research Associates (ARA), Inc.

Summary

LIBS detektionsforanstaltninger på jord simulatorer, blev testet ved hjælp af en vifte af puls energier og timing parametre. Kalibreringskurver blev anvendt til at bestemme detektionsgrænser og følsomhed for forskellige parametre. Generelt viste resultaterne, at der ikke var en signifikant reduktion i kapaciteter påvisning ved lavere puls energier og ikke-gated detektion.

Abstract

Afhængigheden af ​​nogle LIBS sporingskapaciteten på lavere puls energi (<100 MJ) og timing parametre blev undersøgt ved hjælp af syntetisk silikat prøver. Disse prøver blev anvendt som simulatorer for jord og indeholdt mindre og sporstoffer, der almindeligvis findes i jorden i et bredt område af koncentrationer. Til denne undersøgelse blev over 100 kalibreringskurver fremstillet ved anvendelse af forskellige puls energi og timing parametre; detektionsgrænser og følsomheder blev bestemt ud fra kalibreringskurverne. Plasma temperaturer blev også målt ved hjælp af Boltzmann grunde til de forskellige energier og timingen parametre testet. Elektrontætheden af ​​plasma blev beregnet ved anvendelse fuld bredde halvt maksimum (FWHM) af hydrogen linje på 656,5 nm i løbet af de testede energier. Samlet set viser resultaterne, at brugen af ​​lavere puls energier og ikke-gated afsløring ikke alvorligt at kompromittere analyseresultaterne. Disse resultater er meget relevante for udformningen af ​​felt-og personorienterede bærbar LIBS instrumenter.

Introduction

Laser-induceret nedbrydning spektroskopi (LIBS) er en simpel metode til grundstofanalyse, der anvender en laser-genereret gnist som ekscitationskilden. Laserpulsen er fokuseret på en overflade, der opvarmer, ablates, forstøver og ioniserer overflademateriale resulterer i dannelsen af ​​plasma. Plasmaet lys er spektralt løst, og opdaget og elementer er identificeret ved deres spektrale signaturer. Hvis ordentligt kalibreret, kan LIBS give kvantitative resultater. LIBS kan analysere faste stoffer, gasser og væsker med lille eller ingen prøveforberedelse. 1. Disse egenskaber gør den ideel til analyser, der ikke kan udføres i laboratoriet.

I øjeblikket er LIBS blive undersøgt til mange forskellige applikationer, især dem, der kræver felt-baserede målinger til kvantificering. 1-8 Dette kræver udvikling af LIBS instrumentering hjælp robuste og kompakte komponenter, som egner sig til et område-baseret system. I de fleste tilfældeSE komponenter vil ikke have den fulde kapacitet af laboratorie-baserede instrumentering og dermed at kompromittere analysen ydeevne. LIBS resultaterne er afhængige af laser pulsparametre og andre måleforhold, der omfatter prøvetagning geometri, omgivende atmosfære, og brugen af gated eller ikke-gated detektion. 9-12 For feltbaseret LIBS instrumentering, to vigtige faktorer til at overveje, er pulsen energi og brugen af ​​gated versus ikke-gated detektion. Disse to faktorer bestemmer i stor udstrækning omkostningerne, størrelsen og kompleksiteten af ​​LIBS instrumentet. Små, robust bygget lasere, der kan generere pulser 10-50 mJ ved repetitionshastigheder af 0,3-10 Hz er kommercielt tilgængelige og vil være meget fordelagtigt at anvende. Derfor er det vigtigt at vide, hvad der eventuelt vil tab detektionsforanstaltninger skyldes anvendelse af disse lasere. Pulsen energi er en vigtig parameter for LIBS da det bestemmer mængden af ​​materiale ablateret og fordampet og excitation charteristika af plasma. Desuden kan anvendelsen af ​​gated påvisning fordyre LIBS-systemet, som et resultat, er det nødvendigt at bestemme forskellene mellem spektrene og detektionsforanstaltninger hjælp gated og ikke-gatede detektion.

For nylig blev en undersøgelse udført sammenligne gated afsløring til ikke-gated opdagelse for mindre elementer, der findes i stål. Resultaterne viste, at detektionsgrænserne var sammenlignelige, hvis ikke bedre for ikke-gatede detektion. 12. En vigtig egenskab af LIBS er, at teknikken oplever fysiske og kemiske matrixeffekter. Et eksempel på førstnævnte er at laserimpulsen par mere effektivt med ledende / metaloverflader end ikke-ledende overflader. 13. For denne undersøgelse, ønskede vi at bestemme virkningerne af puls energi og timing parametre for ikke-ledende materialer som jord prøvevæsker.

Selv har felt bærbare LIBS instrumenter blevet udviklet og anvendtfor nogle applikationer, har en omfattende undersøgelse af detektionsevnen ikke udført sammenligning højere energi-og gated systemer til lavere energi-og ikke-gated systemer, der anvender jord simulatorer,. Denne undersøgelse fokuserer på laserpuls energi og timing parametre for bestemmelse af sporstoffer i komplekse matricer. Laseren impulsenergi varierede fra 10 til 100 mJ at foretage en sammenligning mellem lavere og højere energier. En sammenligning af brugen af ​​gated versus ikke-gated opdagelse blev også udført i det samme energiområde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Laser System

  1. Brug laserpulser produceret af en Q-switched Nd: YAG laser, som fungerer ved 1.064 nm og ved 10 Hz.
  2. Fokus laserpulser på prøve med en 75 mm brændvidde.
  3. Saml plasma lys med en optisk fiber pegede på og placeret i nærheden af ​​plasma dannet på prøven.
  4. Brug en Echelle spektrograf / ICCD at spektralt beslutsomhed og registrere LIBS spektrum.
  5. Betjen ICCD i både ikke-indhegnet og gated tilstande ved hjælp af en gevinst på 125.
  6. Brug en 0 usek tidsforsinkelse (t d), i ikke-gated mode og en 1 usek t d i gated tilstand.
  7. For begge tilstande bruge en gate bredde (t b) i 20 mikrosekunder med en 3 sek eksponering (integrere plasma lys på ICCD kamera chip), hvilket vil resultere i 30 individuelle laser shots bliver tilføjet til producere hvert spektrum.
  8. Optag alt 5 sådanne spektre for hver prøve analyseret.
  9. Anvende en digital forsinkelse generator for at kontrollere tIMing mellem laseren og ICCD gate puls. Den eksperimentelle oprettet er vist i figur 1.
  10. Kontroller, at timingen med et oscilloskop.
  11. Betjen laseren puls energier 10, 25, 50 og 100 mJ ved hjælp af både ikke-indhegnet og gated afsløring.
  12. Overvåger konstant laserenergien og justere til at korrigere for drift, hvis det er nødvendigt.
  13. Sikkerhed betragtning: Nd:. YAG laser er en klasse IV laser bære passende laser beskyttelsesbriller på alle tidspunkter, når de opererer laseren og etablere værelse indgrebsanordninger sammen med værelse døren og laser 14

2. Prøver og Prøveforberedelse

  1. Brug syntetisk silikat certificerede referencematerialer med kendte element koncentrationer som prøver disse efterligne almindelige jordprøver med mindre og spormængder af udvalgte elementer spænder over en række koncentrationer.
  2. Koncentrationerne af sporstofferne svingede fra nogle få ppm til 10.000 ppm. Tabel1 angiver de elementer overvåges her inklusive deres line typer og bølgelængder, der anvendes til analyse. De typer line mærket som I og II betyde neutrale atomer eller en enkeltvis ioniseret atomer, hhv. Den fælles basesammensætning hver silikat prøve er SiO2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO3) 2 (4%), Na2 SO4 ( 2,5%) og K 2 SO 4 (2,5%).
  3. Tryk prøverne i pellets diameter 31 mm ved hjælp af en hydraulisk presse til at skabe en glat overflade til LIBS analyse. Den glatte overflade er med til at skabe sammenhæng med de LIBS resultater.
  4. Analysere en ny prøve sted for hvert spektrum registreres.
  5. Sikkerhed betragtning: De syntetiske silicat prøver indeholder en bred vifte af elementer i forskellige koncentrationer, handsker under håndteringen.

3. Forberedelse Kalibreringskurver

  1. Forbered kalibreringskurver for variskellige elementer i både låge og ikke-gated påvisning over området laser testet energier.
  2. Gøre disse kurver ved at afbilde toparealet eller ratioed topareal (y-aksen) mod koncentrationen element (x-aksen).
  3. Brug en lineær tendens linie til at passe til kalibreringskurven. [Skærmbillede 1]
  4. Beregn detektionsgrænser hjælp 3σ detektion som defineret af IUPAC. 15. [beregning 1]

4.. Plasma Temperatur Bestemmelse

  1. Måle plasma temperaturer fra Boltzmann plots.
  2. Brug et sæt jern linjer [Fe (I)] mellem bølgelængder på 371-408 nm til at skabe Boltzmann plots med: ln (Iλ / gA) =-E u / kT - ln (4ρZ/hcN 0) (Eq. 1) hvor I er intensiteten af overgangen så bestemt ud fra topareal, λ er bølgelængden, A er overgangen sandsynlighed, g er degenerationen af overgangen, E u er den øvre stat for emission, k er Boltzmann konstant, T er den temperatur,Z er tilstandssummen, h er Plancks konstant, c er lysets hastighed, N 0 er den samlede arter befolkning.
  3. Valgte Fe linjer, der har kendt E u, g, og A værdier.
  • Fe (I) linjer her anvendes, er 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • E u, g, og A værdier kan findes på denne hjemmeside ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Sørg for at vælge den mulighed for at vise "g" under yderligere kriterier mærket som informationsniveau.
  • Brug e k og g k-værdier.
  1. For at bestemme temperaturen, plot ln (Iλ / gA) mod E u og passer til dataene med en lineær trend linje. Hældningen er lig med -1/kT 16,17 [skærmbillede 2]

5.. Elektrontæthed Bestemmelse

  1. Til måling af elektron tæthed, bruge den fulde bredde i halv maksimum (FWHM) af brint line på 656,5 nm.
  2. Tag denne data ved hjælp af t d = 0,5 mikrosekunder og t b = 4,5 mikrosekunder på ICCD.
  3. Måle FWHM af hydrogen linje. [Skærmbillede 3]
  4. Beregn elektrontætheden med: N e = 8,02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (ligning 2) hvor N e er elektrontætheden, Δλ 1/2 er den målte FWHM af hydrogen linje og α 1/2 er reduceret bølgelængde, som er en funktion af temperatur og elektrontætheden. Værdierne for de reducerede bølgelængder leveres i Griem s Appendiks IIIa. 16-18
  5. Beregn elektrontætheden anvendelse af en temperatur på 10.000 K (dette var tæt på den gennemsnitlige temperatur af plasma). [Skærmbillede 4]

6.. Arbejde alle data Brug af et programder kan afgøre Peak områder og / eller Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Effekt af laser puls energi og registreringstilstande på sporingskapaciteten. LIBS spektre af de syntetiske silikat prøverne blev registreret ved hjælp indhegnet og ikke-gated påvisning over området laserpuls testede energier. Over 100 kalibreringskurver blev konstrueret ud fra disse data til evaluering af effekten af ​​laser-pulsen energi. Kalibreringskurver blev fremstillet ved (1) ved hjælp af arealet under analyt peak og (2) ved ratioing området af analysanden spids til det område af jern top ved 405,58 nm. Koncentrationen af ​​jern var ensartede mellem prøverne, og derfor blev det brugt som en intern standard. Ratioing analytten område til området af en intern standard element kan øge målingens reproducerbarhed især hvis der er skudt-til-shot laserenergi udsving. Detektionsfølsomheden (kalibreringskurve hældning) og detektionsgrænse data ved hjælp af både ikke-indhegnet og gated registreringstilstande er vist i tabel 2, 3, 4 og 5. For alle elementer, ved hjælp af de unratioed kalibreringskurver for både indhegnet og ikke-gated opdagelse, var der en direkte sammenhæng mellem laser puls energi og følsomhed: følsomhed øges med energi. Derfor analyt signaler var større ved højere puls energi, da følsomhed er afhængig af analyt signal i forhold til dets koncentration. Disse resultater viser, at højere puls energier kan være nyttige til at øge svage analyt-signaler. I almindelighed, når de ratioed følsomhed data for ikke-gated påvisning sammenligning var der et mindre fald i følsomhed som den energi blev øget, hvilket er mest sandsynligt på grund af den højere baggrunden i LIBS spektrum og diskuteres i afsnittet mærket "effekt laser energi og afsløring tilstande på spektre. " Men når ratioed følsomhed data for gated påvisning sammenlignede følsomheder var relativt konstant over den række af testede energier, som forventet. Dette skyldesdet faktum, at når analyt toparealer er ratioed til et område af et element, der er i en konstant koncentration, der er en intern korrektion sted, der holder ratioed elementære områder relativt konstant. Disse data er vist i tabel 2 og 3.

I modsætning til resultaterne opnået for følsomheden i unratioed data generelt ikke var der en korrelation mellem detektionsgrænsen og laser impulsenergi og dette er forventet, da detektionsgrænsen afhænger både følsomhed og signalet reproducerbarhed (tabel 4). Når man sammenligner ratioed data til ikke-ratioed data for både indhegnet og ikke-gated afsløring, de ratioed data overvejende udstillet lavere detektionsgrænser og generelt fremkommer bedre lineære korrelationer end de ikke-ratioed data indikerer disse resultater, at en intern standard, kan være anvendes til at tilvejebringe lavere detektionsgrænser (tabel 4 og 5). De ratioed data også showed lavere procent relative standardafvigelser end den ikke-ratioed data dette direkte korrelerer med grænseværdierne afsløring resultater er lavere for de ratioed data end de ikke-ratioed data.

Yderligere undersøgelse af de ikke-gated detektion Resultaterne viste, at der på de højere laserpuls energier, viste nogle af de elementer, ingen korrelation (R 2 <0,7), hvilket primært påvirket bestemmelsen af bly og mangan. Da der var en mere intens plasma ved højere energier, var nogle af de spektrallinier lidt utydelige med ikke-gated detektion ved de højere puls energier på grund af den høje baggrund af kontinuum i LIBS spektrum denne højere baggrund sandsynligvis forårsagede fattige lineære korrelationer med bly og mangan. Denne baggrund er yderligere forklaret i "effekt af laser energi og afsløring tilstande på spektre" nedenfor. Derudover var der nogle få tilfælde med resultaterne for ikke-gated detektionsgrænser hvor no korrelation blev observeret for de unratioed data, men en korrelation er indhentet fra ratioed data. Fra dette kan vi konkludere, at ratioing elementært signal til et andet element bidrager til at forbedre sammenhænge ved hjælp af de unratioed elementære signaler. Samlet processen ratioing området af analysanden element til området af en intern standard element syntes at give en korrektion for udsving i signaler på grund af koblingsmidler forskelle laserpuls og prøven, og dette blev observeret med de bedre lineære korrelationer de ratioed oplysninger.

Effekt af laser energi og afsløring tilstande på spektre. Som det er velkendt, spektre registreret ved hjælp af gated påvisning viser en lavere baseline sammenlignet med spektre taget ved hjælp af ikke-gatede funktion. Dette kan ses, når man sammenligner spektre af et syntetisk silicat prøve GBW 07709 hjælp gated og ikke-gatede detektion ved 10 mJ / puls i figur 2a og b. Ingen selvoptagethed blev observeret in spektre ved hjælp af gated påvisning over området af puls testede energier. Toparealerne for elementerne i de syntetiske silikat prøver steg som laserpuls energi blev øget til gated påvisning det er mest sandsynligt på grund af en større masse af prøve ablated og en større plasma resulterer i en stærkere excitation. Lignende resultater blev opnået for ikke-gated påvisning viser generelt en stigning i signal som impulsenergien blev øget. Disse resultater kan ses i figur 3 for aluminium, magnesium og calcium neutrale og ioniserede linjer.

Figur 4 viser endvidere, at baggrunden øger klart som laserenergien blev forøget til ikke-gatede detektion. Dette forårsagede de spektrale linjer i visse regioner at blive bredere og mindre intens og er mest sandsynligt på grund af selvoptagethed og en øget baggrund forårsaget af plasma kontinuum. Dette kunne endvidere påvirke detektionsevnen ved højere energier oger den mest sandsynlige årsag til, hvorfor der ikke var nogen sammenhæng i de højere laserenergier anvender ikke-gated detektion. For at undgå dette problem, ville det være bedst at bruge en lavere puls energier med ikke-gated detektion.

Effekt af laser energi og afsløring tilstande på temperatur og elektron tæthed. Brug af Boltzmann plots blev den gennemsnitlige temperatur af plasma dannet på en simulator prøve bestemmes som en funktion af laser energi til både kontinuerlig og gated former for afsløring. En typisk Boltzmann plot er vist i figur 5. Resultaterne viser, at temperaturen af ​​plasmaet var relativt konstant over området testet for både detekteringsmodi energier. Plasma temperaturer varierede fra 10,000-11,000 K i ikke-gated mode og 8.100 til 8.700 K i gated tilstand. Ikke-gated mode operation produceres lidt højere temperaturer, hvilket er rimeligt, da den tidligste del af plasmaet dannelsen overvåges i ikke-lukket tilstand.

< p class = "jove_content"> Den gennemsnitlige elektron tæthed af plasmaet blev målt under anvendelse FWHM af hydrogen linje på 656,2 nm og en tidsforsinkelse på 0,5 mikrosekunder med en port bredde på 4,5 mikrosekunder. Brinten linje kunne stamme fra både luften og syntetisk silikat prøven. Tilstrækkelig brint signal blev opnået på alle testede energier. Elektrontætheden steget med energi fra 1,5 til 2,0 x 10 17 cm -3, hvilket indikerer en mindre stigning i elektron tæthed over en 10-dobling i energi.

Figur 1
Figur 1. Et diagram af LIBS setup. Dette viser den generelle opsætning for LIBS eksperimentet bruges til denne analyse. Klik her for at se større billede.

ad 2 "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Figur 2. En typisk LIBS spektrum (10 mJ) af syntetisk silicat prøve 07709 (a) under anvendelse gated påvisning af 0 usek tidsforsinkelse og en 20 mikrosekunder gate bredde og (b) anvendelse af ikke-gated påvisning af 1 usek tidsforsinkelse og en 20 mikrosekunder portbredde . Klik her for at se større billede.

Figur 3
Figur 3. En sammenligning af de normaliserede toparealer for Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I) og Ca (II) i det syntetiske silicat prøve 07709 over området testet for energier både ikke-gated (t d = 0 usek) og gated detektion (t d = 1 usek). Klik her for at se større billede.

Figur 4
Figur 4.. Libs spektre for syntetisk silikat prøve 07709 ved hjælp af ikke-gated detektion ved 10, 25, 50 og 100 mJ. Klik her for at se større billede.

Figur 5
Figur 5. En typisk Boltzmann plot. Disse data kommer fra at bruge 25 mJ energi med en 1 usek tidsforsinkelse. Hvert punkt repræsenterer et gennemsnit af fem forsøg. Klik her for at se større billede.

Element Line type Bølgelængde (nm) </ Td>
Ba (II) 493,41
Be * (II) 313,04, 313,11
Fe ** (I) 404,58
Pb (I) 405,78
Li * (I) 670,78, 670,79
Mn * (I) 403,08, 403,31, 403,45
Sr (II) 407,77
Ti (II) 334,94

Tabel 1. Spectral oplysninger om de elementer, der er analyseret i de syntetiske silikat prøverne. Denne tabel indeholder elementært symbol, stregtype, og bølgelængden (r), der anvendes til analysen. * For disse elementer de tætliggende linier blev ikke løst. I dette tilfælde er det samlede areal under de uløste linier bestemmes. ** Fe var ved konstant koncentration isyntetiske silikat prøver dette element blev brugt til at forholdet de andre analyt arealer.

<td> Ti
Følsomheder (x10 4 ppm -1) ratioed data ved hjælp af en 0 usek t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9.0 8.3 5,0
Være 340 210 200 230
Li 63 60 69 39
Mn 6,0 4.7 4.1 NC
Pb 6.1 NC 1.0 NC
Sr 38 27 24 16
Ti 7.7 2,0 5.7 4.5
Følsomheder for Unratioed data ved hjælp af en 0 usek t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
Være 1200 1500 2100 4400
Li NC 400 NC 660
Mn 17 34 NC NC
Pb 21 NC NC NC
Sr 130 210 NC 290
27 46 55 81

Tabel 2. Følsomheder til 0 usek tidsforsinkelse data. Disse blev indhentet fra skråningerne af de lineære kalibreringskurver for forskellige elementer ved hjælp af ikke-gatede (t d = 0 usek) påvisning over området testede energier. For ratioed følsomheder blev analysanden elementært område ratioed til en Fe (I) linje. NC = ingen korrelation: R2 <0,7.

Følsomheder (X10m 4 ppm -1) ratioed data via en 1 mikrosekund t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9.9 10 10 8.4
Være 110 100 170 140
Li 72 59 67 52
Mn 5.6 5.2 5.1 4.8
Pb 6.8 7.9 6.9 7.4
Sr 33 30 31 27
Ti 3.7 4.3 5,0 4.9
Følsomheder for Unratioed data via en 1 mikrosekund t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
Være 330 600 1700 2500
Li 220 720 1100 1600
Mn 16 30 49 80
Pb 21 48 72 130
Sr 100 180 310 480
Ti 11 25 48 84

Tabel 3. Følsomheder for 1 mikrosekund tidsforsinkelse data. Disse blev indhentet fra skråningerne af de lineære kalibreringskurver for forskellige elementer ved hjælp af gated (t d = 1 mikrosekund) påvisning over området testede energier. For ratioed følsomheder blev analysanden elementært område ratioed til en Fe (I) linje.

Detektionsgrænser for ratioed data ved hjælp af en 0 usek t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 310 (0,99) 310 (0,99) 280 (0,99) 610 (0,96)
Være 2,1 (0,99) 6,7 (0,99) 3,7 (0,99) 4,8 (0,89)
Li 170 (0,98) 48 (0,97) 87 (0,98) 100 (0,78)
Mn 710 (0,99) 1400 (0,99) 820 (0,99) NC
Pb 250 (0,97) NC 3200 (0,85) NC
Sr 60 (0,99) 70 (0,99) 50 (0,99) 32 (0,96)
Ti 310 (0,99) 690 (0,97) 500 (0,99) 250 (0,89)
Detektionsgrænser for Unratioed data ved hjælp af en 0 usek t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 660 (0,92) 450 (0,99) 480 (0,76) 830 (0,93)
Være 5,6 (0,97) 9,9 (0,99) 5,5 (0,77) 6,5 (0,84)
Li NC 160 (0,91) NC 220 (0,76)
Mn 2900 (0,79) 1500 (0,98) NC NC
Pb 1000 (0,88) NC NC NC
Sr 230 (0,93) 100 (0,99) NC 60 (0,92)
Ti 800 (0,94) 770 (0,99) 530 (0,71) 1100 (0,92)

Tabel 4. Detektionsgrænse data for en 0 usek tidsforsinkelse. Detektionsgrænsen data er vist i ppm ved hjælp af en 0 usek tidsforsinkelse på de forskellige laserenergier viser både ratioed og unratioed data. De lineære graf korrelationer (R 2) er i parentes. NC betyder ingen korrelation observeredes (R 2 <0,7). For ratioed følsomheder blev analysanden elementært område ratioed til en Fe (I) linje.

10 mJ

Tabel 5. Detektionsgrænse data for en 1 usek tidsforsinkelse. Detektionsgrænsen data er vist ved hjælp af en 1 usek tidsforsinkelse på de forskellige laserenergier viser både ratioed og unratioed data. De lineære graf korrelationer (R 2) er i parentes. For ratioed følsomheder blev analysanden elementært område ratioed til en Fe (I) linje.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Når man sammenligner ikke-indhegnet og gated registreringstilstande viser grænseværdierne afsløring data, gated tilstand afsløring tilladt for detektion af alle de elementer, herunder dem, der ikke blev set ved hjælp af højere laserenergier i ikke-gated tilstand detektion. Ved hjælp af gated detektion, er den indledende høj baggrund fra dannelsen af ​​plasma ikke overholdes, og baggrunden er faldet viser elementært emission bedre løst. Desuden detektionsgrænser var lidt lavere ved brug gated detektion.

Generelt var der lignende detektionsgrænser beregnet over den række af testet for både indhegnet og ikke-gated opdagelse energier. Der var et par tilfælde, hvor detektionsgrænserne var højere ved hjælp af de højere energier med ikke-gated påvisning dette var sandsynligvis på grund af den øgede baggrunden i LIBS spektrum.

Da der ikke var en stor ændring i elektron tæthed og plasma temperaturer over en 10 -fold stigning i energiforbruget, bør disse faktorer ikke påvirke detektionsevnen over laser testede energier. Dette er i overensstemmelse med vores resultater viser ingen store fald i detektionsgrænser med øget puls energi.

Fra de fremlagte oplysninger kan gøres nogle konklusioner om brugen af ​​laser puls energier 10-100 mJ og forskellige timing parametre til bestemmelse af sporstoffer i jord stimulanser. Lavere energier 10 og 25 mJ forudsat lignende detektionsgrænser til dem, der opnås ved 50 og 100 mJ. Dette viste, at brugen af ​​lavere puls energier ikke væsentligt forringe detektionsforanstaltninger, og at anvendelsen af ​​en lavere energi, som er nødvendig for at personen bærbare LIBS instrumentering, ikke vil mindske detektionsevnen. Resultaterne viste også, at ratioed data produceret lavere detektionsgrænser end de ikke-ratioed data. Kunne derfor sporingskapaciteten i et kompakt LIBS system forbedres gennem brug af en internal standard til at normalisere resultaterne.

Når man sammenligner spektre mellem ikke-indhegnet og gated registreringstilstande, blev det konstateret, at spektre optaget ved hjælp gated påvisning produceret en lavere baseline og elementært emission linjer var mere klart løst for nogle af elementerne. Desuden var lidt lavere detektionsgrænser opnås ved gated påvisning over laser testede energier. Dette viser, at der vil være et lille tab i sporingskapaciteten ved brug af ikke-gated afsløring mode for jord simulatorer, der anvendes her.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev finansieret gennem US Department of Energy, Office of Science.

Materials

Detektionsgrænser for ratioed data ved hjælp af en 1 mikrosekunder t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 93 (0,99) 170 (0,99) 160 (0,99) 170 (0,99)
Være 2,5 (0,99) 1,5 (0,99) 1,9 (0,99) 2,1 (0,99)
Li 78 (0,98) 82 (0,91) 62 (0,92) 130 (0,95)
Mn 250 (0,96) 280 (0,99) 220 (0,97) 370 (0,98)
Pb 53 (0,99) 160 (0,99) 91 (0,99) 120 (0,98)
Sr 21 (0,99) 15 (0,99) 28 (0,99) 11 (0,99)
Ti 280 (0,97) 290 (0,99) 120 (0,99) 150 (0,99)
Detektionsgrænser for Unratioed data ved hjælp af en 1 mikrosekunder t d
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0,86) 280 (0,82) 190 (0,96) 340 (0,86)
Være 5,1 (0,89) 2,1 (0,87) 2,9 (0,99) 4,7 (0,92)
Li 220 (0,78) 52 (0,86) 100 (0,88) 260 (0,89)
Mn 1200 (0,72) 460 (0,74) 470 (0,89) 1300 (0,81)
Pb 100 (0,88) 170 (0,79) 150 (0,97) 130 (0,84)
Sr 83 (0,89) 18 (0,84) 44 (0,99) 26 (0,86)
Ti 1400 (0,77) 370 (0,79) 290 (0,97) 370 (0.88)
Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Kemi analytisk kemi laser forskning atomfysik [LIBS Laser-induceret opdeling spektroskopi indhegnet og ikke-gated detektion energi undersøgelse]
Afhængighed af Laser-induceret Fordeling spektroskopi Resultater på Pulse Energies og timing parametre ved hjælp Jord Simulanterne
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kurek, L., Najarian, M. L., Cremers, … More

Kurek, L., Najarian, M. L., Cremers, D. A., Chinni, R. C. Dependence of Laser-induced Breakdown Spectroscopy Results on Pulse Energies and Timing Parameters Using Soil Simulants. J. Vis. Exp. (79), e50876, doi:10.3791/50876 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter