Waiting
Login processing...

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

Chemistry

اعتماد نتائج الليزر التي يسببها انهيار الطيفي على الطاقات نبض ومعلمات التوقيت عن طريق المحاكاة التربة

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

تم اختبار قدرات الكشف LIBS على المحاكاة التربة باستخدام مجموعة من الطاقات نبض والمعلمات توقيت. وقد استخدمت منحنيات المعايرة لتحديد حدود الكشف والحساسيات لمعلمات مختلفة. عموما، أظهرت النتائج أن لم يكن هناك انخفاض كبير في قدرات الكشف باستخدام أقل الطاقات النبض والكشف غير مسور.

Abstract

تم فحص اعتماد بعض قدرات الكشف LIBS على انخفاض الطاقات نبض (<100 ميغا جول) والمعلمات توقيت باستخدام عينات سيليكات الاصطناعية. واستخدمت هذه العينات والمحاكاة للتربة والعناصر الواردة طفيفة والتتبع التي توجد عادة في التربة في مجموعة واسعة من التركيزات. لهذه الدراسة، تم إعداد أكثر من 100 منحنيات المعايرة باستخدام الطاقات نبض مختلف والمعلمات التوقيت؛ تم تحديد حدود الكشف والحساسيات من منحنيات المعايرة. تم قياس درجات حرارة البلازما أيضا باستخدام المؤامرات بولتزمان لمختلف الطاقات والمعلمات توقيت اختبار. تم حساب كثافة الإلكترونات من البلازما باستخدام نصف كامل أقصى عرض (FWHM) من خط الهيدروجين في 656.5 نانومتر على الطاقات اختبارها. وعموما، فإن النتائج تشير إلى أن استخدام الطاقات انخفاض النبض والكشف غير مسور، لا يضر على نحو خطير على النتائج التحليلية. هذه النتائج هي مهمة جدا لتصميم الميدانوالشخص المحمولة أدوات LIBS.

Introduction

الليزر التي يسببها انهيار الطيفي (LIBS) هي طريقة بسيطة لتحليل العناصر التي تستخدم شرارة ولدت الليزر كمصدر الإثارة. وتركز نبضة ليزر على سطح أن ارتفاع درجات الحرارة، ablates، ويفتت بتأين المواد السطحية مما أدى إلى تشكيل البلازما. يتم حل ضوء البلازما طيفيا والكشف عن وتحديد العناصر التي كتبها توقيعاتهم الطيفية. إذا معايرة بشكل صحيح، يمكن LIBS تقديم النتائج الكمية. يمكن تحليل المواد الصلبة LIBS أو الغازات والسوائل مع إعداد عينة ضئيلة أو معدومة. 1 وهذه الخصائص تجعله مثاليا للتحليلات التي لا يمكن القيام بها في المختبر.

حاليا، يجري درس LIBS للعديد من التطبيقات المختلفة وخاصة تلك التي تتطلب قياسات ميدانية لتقدير. 1-8 وهذا يتطلب تطوير LIBS الأجهزة باستخدام مكونات عرة والمدمجة مناسبة لنظام قائم على الميدان. في معظم الحالات،سوف مكونات حد ذاتها ليس لديها قدرات كاملة من الأجهزة المعملية، وبالتالي المساس الأداء التحليل. النتائج LIBS تعتمد على المعلمات نبضة ليزر وشروط القياس الأخرى التي تشمل الهندسة وأخذ العينات، والغلاف الجوي المحيطة، واستخدام بوابات الكشف أو غير مسور. 9-12 للالميداني LIBS الأجهزة، واثنين من العوامل الهامة للنظر هي الطاقة النبض واستخدام بوابات مقابل الكشف غير مسور. هذان العاملان تحديد إلى حد كبير تكلفة وحجم وتعقيد الصك LIBS. هي، التي بنيت متين الليزر الصغيرة التي يمكن أن تولد نبضات 10-50 ميغا جول في معدلات تكرار ،3-10 هرتز متوفرة تجاريا وسيكون من المفيد للغاية لاستخدام. وبالتالي، فمن المهم أن نعرف ما، إن وجدت، وفقدان في قدرات الكشف سينتج عن استخدام هذه الليزر. الطاقة نبض معلمة رئيسية لLIBS كما أنه يحدد كمية المواد ذاب وتبخر وشار الإثارةacteristics من البلازما. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام بوابات الكشف عن زيادة تكلفة النظام LIBS، ونتيجة لذلك، لا بد من تحديد الاختلافات بين الأطياف وقدرات الكشف باستخدام بوابات الكشف وغير مسور.

مؤخرا، تم إجراء دراسة مقارنة لكشف بوابات كشف غير مسور لعناصر بسيطة وجدت في الصلب. وأظهرت النتائج أن حدود الكشف كانت مماثلة إن لم تكن أفضل للكشف عن غير مسور. 12 ومن الخصائص الهامة من LIBS هو أن يواجه آثار تقنية المصفوفة الفيزيائية والكيميائية. مثال من السابق هو أن الأزواج نبضة ليزر أكثر كفاءة مع إجراء السطوح / معدن من عدم إجراء السطوح 13 لهذه الدراسة، أردنا أن تحديد آثار الطاقة النبض وتوقيت المعلمات للمواد عدم إجراء مثل المحاكاة التربة.

على الرغم من أن، تم تطوير أدوات LIBS المحمولة الميدانية واستخدامهابالنسبة لبعض التطبيقات، لم يتم إجراء دراسة شاملة عن قدرات الكشف مقارنة العالي الطاقة وأنظمة بوابات لأنظمة الطاقة أقل وغير مسور باستخدام المحاكاة التربة. وتركز هذه الدراسة على الليزر الطاقة النبض وتوقيت المعلمات لتحديد العناصر النزرة في مصفوفات معقدة. وتراوحت الطاقة نبضة ليزر 10-100 ميغا جول للحصول على المقارنة بين الطاقات الدنيا والعليا. وقد أجريت مقارنة بين استخدام بوابات مقابل الكشف غير مسور أيضا على نطاق الطاقة نفسها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. نظام ليزر

  1. استخدام نبضات الليزر التي تنتجها بدون تاريخ Q-تحول: YAG الليزر التي تعمل على 1،064 نانومتر و في 10 هرتز.
  2. التركيز على نبضات الليزر على العينة مع 75 ملم التنسيق عدسة طول.
  3. جمع ضوء البلازما مع الألياف البصرية وأشار في وضعها بالقرب من البلازما المتكونة على العينة.
  4. استخدام ECHELLE طيف / ICCD لطيفيا عزيمة وتسجيل الطيف LIBS.
  5. تشغيل ICCD في كل من وسائط غير مسور ومسور باستخدام كسب 125.
  6. استخدام 0 μsec تأخير الوقت (ر د) في وضع غير مسور و1 μsec ر د في وضع بوابات.
  7. لكل من وسائط، واستخدام عرض البوابة (ر ب) من 20 μsec مع التعرض ثانية 3 (دمج ضوء البلازما على الكاميرا رقاقة ICCD)، وهذا سوف يؤدي إلى 30 طلقات الليزر الفردية التي تضاف إلى إنتاج كل الطيف.
  8. تسجيل ما مجموعه 5 مثل هذه الأطياف لكل عينة تم تحليلها.
  9. استخدام مولد تأخير الرقمية للسيطرة على ريمينغ بين الليزر ونبض بوابة ICCD. يظهر التجريبية التي أنشئت في الشكل 1.
  10. تحقق من توقيت مع الذبذبات.
  11. تعمل الليزر في الطاقات نبض 10، 25، 50، و 100 ميغا جول باستخدام الكشف على حد سواء غير مسور ومسور.
  12. مراقبة باستمرار طاقة الليزر وضبط لتصحيح الانحراف، إذا لزم الأمر.
  13. النظر السلامة: والثانية:. YAG الليزر هو ليزر من الدرجة الرابعة؛ ارتداء نظارات واقية مناسبة الليزر السلامة في جميع الأوقات عند تشغيل الليزر وإقامة المتداخلة الغرفة بالتعاون مع باب الغرفة والليزر 14

2. العينات وإعداد نموذج

  1. استخدام المواد المرجعية المعتمدة سيليكات الاصطناعية مع تركيزات العناصر المعروفة كعينات، وهذه تحاكي عينات من التربة مشتركة مع قاصر وكميات ضئيلة من العناصر المحددة التي تغطي مجموعة من التركيزات.
  2. تراوحت تركيزات من العناصر النزرة من عدد قليل من جزء في المليون إلى 10،000 جزء في المليون. الجدول1 قوائم العناصر رصدها هنا بما في ذلك أنواع الخط والأطوال الموجية المستخدمة للتحليل. أنواع الخط وصفت بأنها الأولى والثانية دلالة ذرات محايدة أو الذرات المتأينة منفردة، على التوالي. تكوين قاعدة مشتركة من كل عينة سيليكات هو شافي 2 (72٪)، آل 2 O 3 (15٪)، الحديد 2 O 3 (4٪)، CaMg (CO 3) 2 (4٪)، نا 2 SO 4 ( 2.5٪)، وK 2 SO 4 (2.5٪).
  3. اضغط على العينات في كريات قطرها 31 مم باستخدام الضغط الهيدروليكي لإنشاء سطح أملس لتحليل LIBS. سطح أملس يساعد على خلق الاتساق مع نتائج LIBS.
  4. تحليل عينة بقعة جديدة لكل الطيف المسجلة.
  5. الاعتبار سلامة: عينات سيليكات الاصطناعية تحتوي على تشكيلة واسعة من العناصر بتركيزات مختلفة؛ ارتداء القفازات أثناء التعامل مع.

3. إعداد منحنيات المعايرة

  1. إعداد منحنيات المعايرة للفاريعناصر الأوس في كل بوابات وبوابات الكشف غير على مجموعة من الطاقات الليزر اختبارها.
  2. جعل هذه المنحنيات التي كتبها المتهم بالتآمر في منطقة ذروة أو منطقة ذروة ratioed (المحور الصادي) مقابل تركيز عنصر (محور س).
  3. استخدام خط الاتجاه الخطي لتناسب منحنى المعايرة. [لقطة من الشاشة 1]
  4. حساب حدود الكشف باستخدام الكشف 3σ على النحو المحدد من قبل IUPAC 15 [حساب 1]

4. البلازما درجة الحرارة تقدير

  1. قياس درجات حرارة البلازما من المؤامرات بولتزمان.
  2. استخدام مجموعة من خطوط الحديد [الحديد (I)] بين موجات من 371-408 نانومتر لخلق المؤامرات بولتزمان باستخدام: قانون الجنسية (Iλ / GA) =-E ش / كيلوطن - قانون الجنسية (4ρZ/hcN 0) (ما يعادل 1) حيث I هي شدة الانتقالية كما هو محدد من منطقة الذروة، λ هو الطول الموجي، A هو احتمال الانتقال، ز هو الانحطاط من المرحلة الانتقالية، E يو هي الدولة العليا للالانبعاثات، ك هو ثابت بولتزمان، T هي درجة الحرارة،Z هي وظيفة التقسيم، h هو ثابت، ج بلانك هو سرعة الضوء، N 0 هو عدد سكان إجمالي الأنواع.
  3. اختار خطوط الحديد التي يعرف أن لها E ش، ز، و A القيم.
  • والحديد (I) خطوط المستخدمة هنا هي 371.99، 374.56، 382.04، 404.58، 406.36 نانومتر.
  • وE ش، ز، والقيم ويمكن العثور على هذا الموقع ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • تأكد من تحديد الخيار لإظهار "ز" تحت معايير إضافية وصفت بانها المعلومات المستوى.
  • استخدام ك E والقيم ز ك.
  1. لتحديد درجة الحرارة، وقانون الجنسية مؤامرة (Iλ / GA) ضد E u و احتواء البيانات مع خط الاتجاه الخطي؛ المنحدر هو يساوي 16،17 -1/kT [قطة الشاشة 2]

5. الإلكترون الكثافة تحديد

  1. لقياس الكهربائيةن الكثافة، واستخدام العرض الكامل في نصف كحد أقصى (FWHM) من خط الهيدروجين في 656.5 نانومتر.
  2. أغتنم هذه البيانات باستخدام ر د = 0.5 μsec ور ب = 4.5 μsec على ICCD.
  3. قياس FWHM من خط الهيدروجين. [لقطة من الشاشة 3]
  4. حساب كثافة الإلكترونات باستخدام: N ه = 8.02 × 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 2/3 (ما يعادل 2) حيث N e هو كثافة الإلكترونات، Δλ 1/2 هو FWHM المقاسة من خط الهيدروجين، وα 1/2 هو انخفاض الطول الموجي الذي هو وظيفة من درجة الحرارة وكثافة الإلكترون. يتم توفير القيم لخفض موجات في Griem في الملحق الثالث ألف. 16-18
  5. حساب كثافة الإلكترونات باستخدام درجة حرارة 10،000 كلفن (وكان هذا قريب من متوسط ​​درجة حرارة البلازما). [لقطة من الشاشة 4]

6. العمل لمدة تصل كل البيانات عن طريق برنامجالتي يمكن أن تحدد مناطق الذروة و / أو Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

سجلت تأثير الليزر الطاقة النبض وسائط الكشف عن قدرات الكشف. LIBS أطياف من العينات سيليكات الاصطناعية باستخدام بوابات الكشف وغير مسور على مدى مجموعة من الطاقات نبضة ليزر اختبارها. شيدت أكثر من 100 منحنيات المعايرة من هذه البيانات لتقييم تأثير الطاقة نبضة ليزر. وقد أعدت منحنيات المعايرة (1) استخدام المساحة تحت الذروة الحليلة و (2) من ratioing منطقة ذروة الحليلة إلى منطقة ذروة الحديد في 405.58 نانومتر. كان تركيز الحديد موحدة بين العينات، وبالتالي، كان يستخدم كمعيار داخلي. Ratioing منطقة الحليلة إلى منطقة عنصر القياسية الداخلية قد يزيد من استنساخ قياس خاصة إذا كان هناك تقلبات طاقة الليزر شوت لاطلاق النار. وتظهر حساسية الكشف (منحنى المعايرة المنحدر) وبيانات حد الكشف باستخدام كل من غير بوابات وبوابات وسائط الكشف في الجدولين 2 و 3 و 4 و 5. لجميع العناصر، وذلك باستخدام منحنيات المعايرة unratioed للكشف عن كل من بوابات وبوابات غير، كان هناك علاقة مباشرة بين الليزر الطاقة النبض وحساسية: زيادة الحساسية مع الطاقة. لذلك، كانت إشارات الحليلة أكبر في الطاقات نبض أعلى لأن حساسية يعتمد على إشارة الحليلة نسبة إلى تركيزه. هذه النتائج تشير إلى أن الطاقات نبض أعلى قد يكون من المفيد لزيادة إشارات الحليلة ضعيفة. بشكل عام، عند مقارنة البيانات حساسية للكشف ratioed غير مسور، كان هناك انخفاض طفيف في حساسية كما تمت زيادة الطاقة، وهذا هو الأرجح بسبب الخلفية أعلى في الطيف LIBS وتمت مناقشته في القسم المسمى "تأثير من طاقة الليزر وسائط الكشف على الأطياف ". ومع ذلك، عند مقارنة البيانات حساسية ratioed للكشف عن بوابات، كانت الحساسيات ثابتة نسبيا خلال مجموعة من الطاقات اختبارها، كما هو متوقع. هذا يرجعإلى حقيقة أنه عندما يتم ratioed المناطق ذروة الحليلة إلى منطقة من عنصر ما هو في تركيز مستمر، هناك تصحيح تجري الداخلية التي تحافظ على المناطق عنصري ratioed نسبيا ثابت. وتظهر هذه البيانات في الجداول 2 و 3.

وعلى النقيض من النتائج التي تم الحصول عليها للحساسية في البيانات unratioed، وعموما، لم يكن هناك وجود ارتباط بين حد الكشف والطاقة نبضة ليزر، ومن المتوقع منذ حد الكشف يعتمد على كل من حساسية واستنساخ إشارة (الجدول 4) هذا. عند مقارنة البيانات ratioed إلى البيانات غير ratioed لكل من بوابات الكشف وغير مسور، البيانات ratioed عرضت في الغالب حدود الكشف أقل وتنتج عادة الارتباط الخطي أفضل من البيانات غير ratioed؛ هذه النتائج تشير إلى أن معيار الداخلية قد تكون تستخدم لتوفير أدنى حدود الكشف (الجدولان 4 و 5). ق البيانات ratioed أيضاhowed أقل الانحرافات المعيارية النسبية في المئة من البيانات غير ratioed، وهذا يرتبط بشكل مباشر مع النتائج كانت أقل حد الكشف عن البيانات ratioed من البيانات غير ratioed.

وأظهرت مزيدا من الدراسة من نتائج الكشف غير مسور التي في أعلى الطاقات نبضة ليزر، بعض العناصر لم تظهر أي ارتباط (R 2 <0.7)، وهذا يتأثر أساسا تحديد الرصاص والمنغنيز. منذ كان هناك أكثر كثافة البلازما في أعلى الطاقات، وبعض من الخطوط الطيفية وتحجب قليلا مع الكشف غير مسور، في الطاقات نبض أعلى بسبب خلفية عالية من الاستمرارية في الطيف LIBS؛ هذه الخلفية أعلى على الأرجح تسبب الفقراء الارتباط الخطي مع الرصاص والمنغنيز. وأوضح مزيد من هذه الخلفية في "تأثير وسائط طاقة الليزر والكشف على أطياف" أدناه. بالإضافة إلى ذلك، كانت هناك حالات قليلة مع نتائج لحدود الكشف غير مسور، حيث nوقد لوحظ ارتباط س للبيانات unratioed ولكن تم الحصول على علاقة من البيانات ratioed. من هذا، يمكننا أن نستنتج أن ratioing إشارة عنصري إلى عنصر آخر يساعد على تحسين الارتباطات باستخدام إشارات عنصري unratioed. وعموما، فإن عملية ratioing مجال العنصر تحليلها إلى منطقة عنصر القياسية الداخلية ظهرت لتوفير تصحيحا لبعض التقلبات في إشارات بسبب الخلافات اقتران مع نبضة ليزر والعينة؛ وقد لوحظ ذلك مع الارتباط الخطي أفضل من البيانات ratioed.

تأثير الطاقة والكشف عن وسائط الليزر على الأطياف. كما هو معروف جيدا، والأطياف المسجلة باستخدام بوابات الكشف تظهر خط الأساس أقل بالمقارنة مع الأطياف التي يتم التقاطها باستخدام الوضع غير مسور. وهذا يمكن أن ينظر إليه عند مقارنة أطياف من سيليكات الاصطناعية عينة GBW 07709 باستخدام بوابات الكشف وغير مسور، في 10 ميغا جول / نبض في أرقام 2A و ب. لم يلاحظ أي امتصاص الذاتي طن الأطياف باستخدام بوابات الكشف على مجموعة من الطاقات نبض اختبارها. زيادة مجالات الذروة من العناصر في العينات سيليكات الاصطناعية كما تم زيادة الطاقة نبضة ليزر للكشف عن بوابات، وهذا هو الأرجح بسبب كتلة أكبر من عينة ذاب والبلازما أكبر مما أدى إلى إثارة أقوى. وتم الحصول على نتائج مماثلة لعرض كشف غير مسور، بشكل عام، زيادة في إشارة كما تم زيادة الطاقة النبض. ويمكن رؤية هذه النتائج في الشكل 3 على الألمنيوم والمغنيسيوم، وخطوط محايدة والمتأينة الكالسيوم.

ويبين الشكل 4 كذلك أن خلفية يزيد بشكل واضح كما تمت زيادة طاقة الليزر للكشف عن غير مسور. تسبب هذه الخطوط الطيفية في مناطق معينة لتصبح أوسع وأقل كثافة والأكثر احتمالا بسبب امتصاص الذاتي وخلفية زيادة الناجمة عن استمرارية البلازما. وهذا يمكن أن يؤثر على زيادة قدرات الكشف في أعلى الطاقات وهو السبب الأكثر احتمالا لماذا لم يكن هناك ارتباط في الطاقات أعلى باستخدام الليزر الكشف غير مسور. لتجنب هذه المشكلة، سيكون من الأفضل استخدام أقل الطاقات نبض مع الكشف غير مسور.

تأثير طاقة الليزر وسائط الكشف على درجة الحرارة وكثافة الإلكترونات. باستخدام المؤامرات بولتزمان، تم تحديد متوسط ​​درجة حرارة البلازما المتكونة على عينة منشط بوصفها وظيفة من طاقة الليزر على حد سواء وسائط المستمر وبوابات الكشف. ويرد مؤامرة بولتزمان نموذجية في الشكل 5. أظهرت النتائج أن درجة حرارة البلازما كان ثابتا نسبيا خلال مجموعة من الطاقات اختبار للكشف عن كل من وسائط. وتراوحت درجات الحرارة البلازما من 10،000-11،000 K في وضع غير مسور و8،100 إلى 8،700 K في وضع بوابات. أنتجت غير مسور للبترول وضع درجات حرارة أعلى قليلا، وهذا أمر معقول لأن يتم رصد أقرب جزء من تكوين البلازما في وضع غير مسور.

< ع الطبقة = "jove_content"> تم قياس متوسط ​​كثافة الإلكترونات من البلازما باستخدام FWHM من خط الهيدروجين في 656.2 نانومتر وتأخير الوقت من 0.5 μsec مع عرض بوابة μsec 4.5. خط الهيدروجين يمكن أن تنشأ من كل من الهواء والعينة سيليكات الاصطناعية. تم الحصول على إشارة الهيدروجين كافية في جميع الطاقات التي تم اختبارها. زيادة كثافة الإلكترونات مع الطاقة 1،5-2،0 × 10 17 سم -3، مما يشير إلى زيادة طفيفة في كثافة الإلكترونات على زيادة 10 أضعاف في الطاقة.

الشكل 1
الشكل 1. رسم تخطيطي من الإعداد LIBS. وهذا يدل على الإعداد العامة للتجربة LIBS المستخدمة لهذا التحليل. اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

إعادة 2 "سرك =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
الشكل 2. A LIBS الطيف نموذجي (10 ميغا جول) من عينة سيليكات الاصطناعية 07709 (أ) باستخدام بوابات الكشف من 0 μsec تأخير الوقت وعرض 20 μsec البوابة و (ب) باستخدام بوابات الكشف غير ل1 μsec تأخير الوقت وعرض 20 μsec البوابة . اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الرقم 3
الرقم 3. مقارنة بين المناطق الذروة تطبيع لقناة (I)، ص (الثاني)، والمغنيسيوم (I)، والمغنيسيوم (II)، الكالسيوم (I)، والكالسيوم (II) في العينة 07709 سيليكات الاصطناعية على نطاق الطاقات اختبار ل كلا غير مسور (ر د = 0 μsec) وبوابات الكشف (ر د = 1 μsec). اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الرقم 4
الشكل 4. أطياف LIBS لعينة سيليكات الاصطناعية 07709 باستخدام بوابات الكشف غير-في 10، 25، 50، و 100 ميغا جول. اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

الرقم 5
الرقم 5. مؤامرة بولتزمان نموذجية. وتأتي هذه البيانات من استخدام 25 ميغا جول من الطاقة مع 1 μsec وقت التأخير. كل نقطة تمثل ما معدله خمس تجارب. اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.

عنصر نوع الخط الطول الموجي (نانومتر) </ الدفتيريا>
با (II) 493.41
يكون * (II) 313.04، 313.11
الحديد ** (I) 404.58
للبرميل (I) 405.78
لى * (I) 670.78، 670.79
MN * (I) 403.08، 403.31، 403.45
ريال (II) 407.77
منظمة الشفافية الدولية (II) 334.94

الجدول 1. المعلومات الطيفية للعناصر تحليل في عينات سيليكات الاصطناعية. يحتوي هذا الجدول رمز عنصري، ونوع الخط، والطول الموجي (ق) المستخدمة في التحليل. * للحصول على هذه العناصر لم تحل خطوط متباعدة عن كثب. في هذه الحالة، تم تحديد المساحة الكلية تحت خطوط دون حل. ** كان الحديد عند تركيز ثابت فيعينات سيليكات الاصطناعية، كما تم استخدام هذا العنصر إلى نسبة أخرى في مناطق ذروة الحليلة.

<الدفتيريا> تي
الحساسيات (X10 4 جزء في المليون -1) لRatioed البيانات باستخدام μsec 0 ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 11 تسعة 8.3 5.0
يكون 340 210 200 230
لى 63 60 69 39
مليون 6.0 4.7 4.1 NC
للبرميل 6.1 NC 1.0 NC
ريال 38 27 24 16
منظمة الشفافية الدولية 7.7 2.0 5.7 4.5
الحساسيات لUnratioed البيانات باستخدام μsec 0 ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 38 68 80 90
يكون 1200 1500 2100 4400
لى NC 400 NC 660
مليون 17 34 NC NC
للبرميل 21 NC NC NC
ريال 130 210 NC 290
27 46 55 81

الجدول 2. الحساسيات ل0 بيانات μsec وقت التأخير. وقد تم الحصول على هذه من منحدرات منحنيات المعايرة الخطي للعناصر المختلفة باستخدام غير مسور (ر د = 0 μsec) الكشف على مجموعة من الطاقات التي تم اختبارها. للحساسيات ratioed، وratioed منطقة عنصري تحليلها إلى خط الحديد (I). NC = لا علاقة: R 2 <0.7.

الحساسيات (x10M 4 جزء في المليون -1) لRatioed البيانات باستخدام 1 ميكرو ثانية ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 9.9 10 10 8.4
يكون 110 100 170 140
لى 72 59 67 52
مليون 5.6 5.2 5.1 4.8
للبرميل 6.8 7.9 6.9 7.4
ريال 33 30 31 27
منظمة الشفافية الدولية 3.7 4.3 5.0 4.9
الحساسيات لUnratioed البيانات باستخدام 1 ميكرو ثانية ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 30 60 98 140
يكون 330 600 1700 2500
لى 220 720 1100 1600
مليون 16 30 49 80
للبرميل 21 48 72 130
ريال 100 180 310 480
منظمة الشفافية الدولية 11 25 48 84

الجدول 3. الحساسيات للبيانات ميكرو ثانية تأخير الوقت 1. وقد تم الحصول على هذه من منحدرات منحنيات المعايرة الخطي للعناصر المختلفة باستخدام بوابات (ر د = 1 ميكرو ثانية) الكشف على مجموعة من الطاقات التي تم اختبارها. للحساسيات ratioed، وratioed منطقة عنصري تحليلها إلى خط الحديد (I).

حدود الكشف عن Ratioed البيانات باستخدام μsec 0 ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 310 (0.99) 310 (0.99) 280 (0.99) 610 (0.96)
يكون 2.1 (0.99) 6.7 (0.99) 3.7 (0.99) 4.8 (0.89)
لى 170 (0.98) 48 (0.97) 87 (0.98) 100 (0.78)
مليون 710 (0.99) 1400 (0.99) 820 (0.99) NC
للبرميل 250 (0.97) NC 3200 (0.85) NC
ريال 60 (0.99) 70 (0.99) 50 (0.99) 32 (0.96)
منظمة الشفافية الدولية 310 (0.99) 690 (0.97) 500 (0.99) 250 (0.89)
حدود الكشف عن Unratioed البيانات باستخدام μsec 0 ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 660 (0.92) 450 (0.99) 480 (0.76) 830 (0.93)
يكون 5.6 (0.97) 9.9 (0.99) 5.5 (0.77) 6.5 (0.84)
لى NC 160 (0.91) NC 220 (0.76)
مليون 2900 (0.79) 1500 (0.98) NC NC
للبرميل 1000 (0.88) NC NC NC
ريال 230 (0.93) 100 (0.99) NC 60 (0.92)
منظمة الشفافية الدولية 800 (0.94) 770 (0.99) 530 (0.71) 1100 (0.92)

الجدول 4. الكشف عن الحد بيانات ل0 μsec وقت التأخير. وتظهر البيانات حد الكشف في جزء في المليون باستخدام 0 تأخير μsec الوقت على مختلف الطاقات ليزر تظهر البيانات على حد سواء ratioed وunratioed. الارتباطات الرسم البياني الخطي (R 2) بين قوسين. NC يعني لوحظ عدم وجود ارتباط (R 2 <0.7). للحساسيات ratioed، وratioed منطقة عنصري تحليلها إلى خط الحديد (I).

10 ميغا جول

الجدول 5. الكشف عن الحد بيانات ل1 μsec وقت التأخير. وتظهر البيانات حد الكشف باستخدام 1 تأخير μsec الوقت على مختلف الطاقات ليزر تظهر البيانات على حد سواء ratioed وunratioed. الارتباطات الرسم البياني الخطي (R 2) بين قوسين. للحساسيات ratioed، وratioed منطقة عنصري تحليلها إلى خط الحديد (I).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

عند مقارنة أوضاع الكشف غير مسور ومسور، وتشير البيانات إلى حد الكشف أن طريقة الكشف عن بوابات يسمح للكشف عن كافة العناصر بما فيها تلك التي لم ينظر باستخدام الطاقات الليزر العالي في وضع الكشف غير مسور. باستخدام بوابات الكشف، ولم يلاحظ خلفية عالية الأولي من تشكيل البلازما وانخفضت الخلفية تظهر الانبعاثات عنصري أفضل حل. وعلاوة على ذلك، كانت حدود الكشف أقل قليلا باستخدام بوابات الكشف.

عموما، كانت هناك حدود مماثلة كشف حسابه خلال مجموعة من الطاقات اختبار للكشف عن كل من بوابات وبوابات غير. كانت هناك حالات قليلة حيث كانت حدود الكشف أعلى باستخدام طاقات أعلى مع الكشف غير مسور؛ كان هذا على الأرجح بسبب زيادة الخلفية في الطيف LIBS.

منذ لم يكن هناك تغيير كبير في كثافة الإلكترونات والبلازما درجات الحرارة أكثر من 10 -أضعاف الزيادة في الطاقة، وينبغي لهذه العوامل لا تؤثر على قدرات الكشف على الطاقات الليزر اختبارها. وهذا يتفق مع نتائجنا تظهر أي انخفاض كبير في حدود الكشف مع زيادة الطاقة النبض.

من البيانات المقدمة، بضعة استنتاجات يمكن أن يتم عن استخدام الطاقات نبضة ليزر من 10-100 ميغا جول والمعلمات توقيت مختلفة لتحديد العناصر النزرة في التربة المنشطات. قدمت الطاقات أقل من 10 و 25 ميغا جول حدود الكشف مماثلة لتلك التي تحققت في 50 و 100 ميغا جول. وأظهر هذا أن استخدام أقل الطاقات نبض لا تتحلل بشكل ملحوظ قدرات الكشف وأن استخدام الطاقة أقل، من الضروري لشخص والمحمولة LIBS الأجهزة، لن يقلل من قدرات الكشف. وأظهرت النتائج أيضا أن البيانات ratioed أنتجت حدود الكشف أقل من البيانات غير ratioed. لذلك، يمكن تحسين قدرات الكشف عن نظام LIBS المدمجة من خلال استخدام مشترك بيننال القياسية للمساعدة في تطبيع النتائج.

عند مقارنة أطياف بين غير مسور وبوابات وسائط الكشف، تبين أن الأطياف المسجلة باستخدام بوابات الكشف أنتج خط الأساس أقل وكانت خطوط الانبعاثات عنصري حل أكثر وضوحا لبعض العناصر. أيضا، تم الحصول على أقل قليلا حدود الكشف باستخدام بوابات الكشف على الطاقات الليزر اختبارها. وهذا يدل على أنه لن يكون هناك خسارة طفيفة في قدرات الكشف عند استخدام غير بوابات الكشف عن وضع المحاكاة التربة المستخدمة هنا.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

والكتاب لم يكن لديك أي شيء في الكشف عنها.

Acknowledgments

وقد تم تمويل هذا العمل من خلال وزارة الطاقة الأميركية، مكتب العلوم.

Materials

حدود الكشف عن Ratioed البيانات باستخدام μsec 1 ر د
10 ميغا جول 25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 93 (0.99) 170 (0.99) 160 (0.99) 170 (0.99)
يكون 2.5 (0.99) 1.5 (0.99) 1.9 (0.99) 2.1 (0.99)
لى 78 (0.98) 82 (0.91) 62 (0.92) 130 (0.95)
مليون 250 (0.96) 280 (0.99) 220 (0.97) 370 (0.98)
للبرميل 53 (0.99) 160 (0.99) 91 (0.99) 120 (0.98)
ريال 21 (0.99) 15 (0.99) 28 (0.99) 11 (0.99)
منظمة الشفافية الدولية 280 (0.97) 290 (0.99) 120 (0.99) 150 (0.99)
حدود الكشف عن Unratioed البيانات باستخدام μsec 1 ر د
25 ميغا جول 50 ميغا جول 100 ميغا جول
با 760 (0.86) 280 (0.82) 190 (0.96) 340 (0.86)
يكون 5.1 (0.89) 2.1 (0.87) 2.9 (0.99) 4.7 (0.92)
لى 220 (0.78) 52 (0.86) 100 (0.88) 260 (0.89)
مليون 1200 (0.72) 460 (0.74) 470 (0.89) 1300 (0.81)
للبرميل 100 (0.88) 170 (0.79) 150 (0.97) 130 (0.84)
ريال 83 (0.89) 18 (0.84) 44 (0.99) 26 (0.86)
منظمة الشفافية الدولية 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

الكيمياء، العدد 79، والكيمياء التحليلية، والأبحاث ليزر، الفيزياء الذرية، [LIBS، الناجم عن انهيار الليزر التحليل الطيفي، وبوابات وبوابات الكشف غير، دراسة الطاقة]
اعتماد نتائج الليزر التي يسببها انهيار الطيفي على الطاقات نبض ومعلمات التوقيت عن طريق المحاكاة التربة
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