Waiting
Login processing...

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

Chemistry

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

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

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 האזור אנליטי לאזור של אלמנט סטנדרטי פנימי עלול להגביר את שחזור המדידה במיוחד אם יחולו תנודות אנרגיית לייזר נורו לזריקה. רגישות זיהוי (שיפוע עקום כיול) ונתונים גבול גילוי באמצעות שני שאינם מגודרות ומגודרים מצבי זיהוי מוצגים בלוחות 2, 3, 4, ו -5. לכל האלמנטים, תוך שימוש בעקומות כיול unratioed לגילוי שני מגודרת ולא מגודרת, לא היה קשר ישיר בין אנרגיה דופק לייזר והרגישות: רגישות מוגברת באנרגיה. לכן, אותות אנליטי היו גדולים יותר באנרגיות הדופק גבוהות יותר שכן רגישות תלויה באנליטי האות ביחס לריכוז שלה. תוצאות אלו מצביעות על כך שאנרגיות דופק גבוהות יותר עשויות להיות שימושיות להגברת אותות אנליטי חלשים. באופן כללי, כאשר משווה את נתוני רגישות ratioed לגילוי שאינו מגודרת, חלה ירידה קלה ברגישות כמו האנרגיה מוגברת, וזאת ככל הנראה בשל הרקע גבוה יותר בספקטרום LIBS ונדונה בסעיף שכותרתו "השפעה אנרגיית לייזר ומצבי זיהוי על ספקטרום ". עם זאת, כאשר משווים את נתוני רגישות ratioed לגילוי מגודרת, הרגישויות היו קבועים יחסית על פני הטווח של אנרגיות שנבדקו, כצפוי. זאת בשללעובדה שכאשר אזורי שיא אנליטי הם ratioed לאזור של אלמנט שהוא בריכוז קבוע, יש מקום לתיקון לוקח פנימי השומר על אזורי יסודות ratioed יחסית קבועים. נתונים אלו מוצגים בלוחות 2 ו -3.

בניגוד לתוצאות שהתקבלו לרגישות בנתונים unratioed, בדרך כלל, לא היה מתאם בין גבול גילוי ואנרגיה דופק לייזר; זה צפוי שכן גבול הגילוי תלוי בשניהם רגישות ושחזור האות (לוח 4). בהשוואת נתוני ratioed לנתונים שאינם ratioed עבור שניהם הגילוי מגודרת ואינו מגודרת, נתוני ratioed בעיקר הציגו גבולות התחתונים איתור ומתאמים ליניארית טובים יותר מיוצרים בדרך כלל מהנתונים שאינם ratioed; תוצאות אלו מצביעות על כך שתקן פנימי עשוי להיות משמש כדי לספק זיהוי גבולות נמוכים (לוחות 4 ו -5). נתוני ratioed גם זהhowed סטיות נמוכות אחוזים יחסית סטנדרטיות מהנתונים שאינם ratioed; זה ישירות בקורלציה עם תוצאות גבול הגילוי להיות נמוכות יותר עבור נתונים ratioed מהנתונים שאינם ratioed.

בדיקה נוספת של תוצאות זיהוי שאינו מגודרות הראתה כי באנרגיות דופק לייזר גבוהות יותר, חלק מהרכיבים לא הראה מתאם (R 2 <0.7); זה פגע בעיקר בנחישות של עופרת ומנגן. מאז לא הייתה פלזמה אינטנסיבית יותר באנרגיות גבוהות יותר, חלק מהקווים ספקטרליים טושטש מעט עם זיהוי שאינו מגודרת באנרגיות דופק גבוהות יותר בשל הרקע הגבוה של הרצף בספקטרום LIBS; רקע גבוה יותר סביר להניח שנגרם לעניים מתאמים ליניארי בעופרת ומנגן. רקע זה מוסבר נוסף ב" ההשפעה של מצבי אנרגיית לייזר וגילוי על ספקטרום "להלן. בנוסף, היו כמה מקרים עם התוצאות למגבלות זיהוי שאינו מגודרות כאשר nמתאם o נצפה לנתונים unratioed אבל מתאם היה מתקבל על פי נתוני ratioed. מכאן, אנו יכולים להסיק כי ratioing האות אלמנטרית אלמנט נוסף מסייע לשפר מתאמים באמצעות אותות יסודות unratioed. בסך הכל, התהליך של ratioing השטח של אלמנט אנליטי לאזור של אלמנט סטנדרטי פנימי הופיע לספק תיקון עבור חלק מתנודות באותות בשל הבדלי צימוד עם דופק לייזר והמדגם; זה נצפה עם המתאמים ליניארית טובים יותר של נתוני ratioed.

השפעה של מצבי אנרגיה וגילוי לייזר בספקטרום. כידוע, ספקטרום נרשם באמצעות זיהוי מגודרת להראות נקודת התחלה נמוכה יותר בהשוואה לספקטרום צולם באמצעות מצב שאינו מגודרת. ניתן לראות זאת כאשר משווה ספקטרום של GBW מדגם סיליקט הסינתטי 07,709 באמצעות זיהוי מגודרת ואינו מגודרת ב10 mJ / דופק ב2a דמויות וb. אין קליטה עצמית נצפתה in הספקטרום באמצעות זיהוי מגודרת על פני הטווח של אנרגיות דופק נבדקות. אזורי השיא של האלמנטים בדגימות סיליקט סינטטיים מוגברים כאנרגיה דופק לייזר הוגדלה לגילוי מגודרת, וזאת ככל הנראה בשל מסה גדולה יותר של מדגם ablated ופלזמה גדולה יותר וכתוצאה מעירור חזק יותר. תוצאות דומות התקבלו להקרנת זיהוי שאינו מגודרת, באופן כללי, עלייה באות כאנרגיה הדופק הוגדלה. ניתן לראות את התוצאות הללו באיור 3 לאלומיניום, מגנזיום, וקווים ניטראליים ומיוננים סידן.

איור 4 מראה עוד, כי הרקע בבירור גדל ככל שאנרגית הלייזר הוגדלה לגילוי שאינו מגודרת. זה גרם לקווים ספקטרליים באזורים מסוימים כדי להיות רחבים יותר ופחות אינטנסיביים וסביר ביותר עקב ספיגה עצמית ורקע מוגבר שנגרם על ידי רצף הפלזמה. זה עוד יותר יכול להשפיע על יכולות זיהוי באנרגיות גבוהות יותר והסיבה הסבירה ביותר לשאלה מדוע לא היה מתאם באנרגיות הלייזר גבוהות יותר באמצעות זיהוי שאינו מגודרת. כדי להימנע מבעיה זו, זה יהיה הכי טוב להשתמש באנרגיות דופק נמוכות יותר עם גילוי שאינו מגודרת.

השפעה של אנרגיית לייזר ומצבי זיהוי בטמפרטורה ובצפיפות אלקטרונים. שימוש במגרשים בולצמן, הטמפרטורה הממוצעת של הפלזמה שנוצרה על מדגם simulant נקבעה כפונקציה של אנרגיית לייזר לשני מצבים רציפים ומגודרים של זיהוי. עלילת בולצמן טיפוסית מוצגת באיור 5. התוצאות מראות כי הטמפרטורה של הפלזמה הייתה קבועה יחסית על פני הטווח של אנרגיות נבדקו עבור שני מצבי זיהוי. טמפרטורות הפלזמה נעו בין 10,000-11,000 K במצב שאינו מגודרת ו8,100 ל 8,700 K במצב סגור. פעולת מצב שאינו מגודרת מיוצרת טמפרטורות מעט גבוהות יותר, זה סביר, כי החלק הראשון של היווצרות הפלזמה מנוטר במצב שאינו מגודרת.

< כיתת p = "jove_content"> צפיפות האלקטרונים הממוצעת של הפלזמה נמדדה באמצעות FWHM של קו המימן ב656.2 ננומטר ועיכוב זמן של 0.5 μsec עם רוחב שער של 4.5 μsec. קו המימן יכול לנבוע משני האוויר ומדגם סיליקט הסינתטי. אות מימן מספיק הושגה בכלל נבדקו האנרגיות. צפיפות האלקטרונים גדלה עם אנרגיה 1.5-2.0 x 10 17 סנטימטר -3, המצביעה על עלייה קלה בצפיפות אלקטרונים על עלייה של פי 10 באנרגיה.

איור 1
איור 1. תרשים של התקנת LIBS. זו מציגה את ההגדרה הכללית לניסוי LIBS משמש לניתוח זה. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

מחדש 2 "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
איור 2. ספקטרום LIBS טיפוסי (10 MJ) של מדגם סיליקט הסינתטי 07,709 (א) באמצעות זיהוי מגודרת של 0 עיכוב μsec זמן ורוחב 20 μsec שער ו( ב) באמצעות זיהוי שאינו מגודרת של עיכוב μsec זמן 1 ורוחב 20 μsec שער . לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 3
איור 3. השוואה של אזורי שיא מנורמלים לאל (I), אל (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I), וCa (II) במדגם סיליקט הסינתטי 07,709 על פני הטווח של אנרגיות נבדקו שניהם אינם מגודרת (ד t = 0 μsec) ומגודר זיהוי (ד t = 1 μsec). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 4
איור 4. ספקטרום LIBS למדגם סיליקט הסינתטי 07,709 באמצעות זיהוי שאינו מגודרת ב10, 25, 50, ו100 MJ. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 5
איור 5. הנתונים אלה עלילת בולצמן טיפוסית. מגיע באמצעות 25 mJ של אנרגיה באיחור μsec זמן 1. כל נקודה מייצגת ממוצעת של חמישה מחקרים. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

אלמנט סוג הקו אורך הגל (nm) </ Td>
Ba (II) 493.41
להיות * (II) 313.04, 313.11
פה ** (אני) 404.58
Pb (אני) 405.78
לי * (אני) 670.78, 670.79
MN * (אני) 403.08, 403.31, 403.45
Sr (II) 407.77
סי (II) 334.94

טבלת 1. מידע ספקטרלי לאלמנטים נותחו בדגימות סיליקט סינתטיות. טבלה זו מכילה את סמל היסודות, סוג קו, ואת אורך הגל (ים) המשמש לניתוח. * לרכיבים אלה הקווים מקרוב ברווח לא נפתרו. במקרה זה, השטח הכולל מתחת לקווים בלתי פתורים היה נחוש. ** פה היה בריכוז מתמיד בדגימות סיליקט סינתטיות; אלמנט זה שימש ליחס אזורי שיא אנליטי האחרים.

<td> Ti
רגישויות (x10 4 -1 ppm) לRatioed נתונים באמצעות 0 μsec t ד
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9.0 8.3 5.0
להיות 340 210 200 230
לי 63 60 69 39
Mn 6.0 4.7 4.1 NC
Pb 6.1 NC 1.0 NC
Sr 38 27 24 16
סי 7.7 2.0 5.7 4.5
רגישויות לUnratioed נתונים באמצעות ד t 0 μsec
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
להיות 1200 1500 2100 4400
לי NC 400 NC 660
Mn 17 34 NC NC
Pb 21 NC NC NC
Sr 130 210 NC 290
27 46 55 81

טבלה 2. רגישויות ל0 נתונים עיכוב זמן μsec. אלו נתקבלו מהמדרונות של עקומות הכיול ליניארי לגורמים שונים באמצעות זיהוי שאינו מגודרת (t ד = 0 μsec) על פני הטווח של אנרגיות שנבדקו. לרגישויות ratioed, אזור יסודות אנליטי היה ratioed לקו פה (אני). NC = אין קשר: R 2 <0.7.

רגישויות (x10M 4 -1 ppm) לRatioed נתונים באמצעות μs 1 t ד
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9.9 10 10 8.4
להיות 110 100 170 140
לי 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 ביום 31 27
סי 3.7 4.3 5.0 4.9
רגישויות לUnratioed נתונים באמצעות μs 1 t ד
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
להיות 330 600 1700 2500
לי 220 720 1100 1600
Mn 16 30 49 80
Pb 21 48 72 130
Sr 100 180 310 480
סי 11 25 48 84

לוח 3. רגישויות לנתונים עיכוב זמן μs 1. אלו נתקבלו מהמדרונות של עקומות הכיול ליניארי לגורמים שונים באמצעות זיהוי מגודרת (ד t = 1 μs) על פני הטווח של אנרגיות שנבדקו. לרגישויות ratioed, אזור יסודות אנליטי היה ratioed לקו פה (אני).

מגבלות זיהוי לRatioed נתונים באמצעות ד t 0 μsec
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 310 (0.99) 310 (0.99) 280 (0.99) 610 (0.96)
להיות 2.1 (0.99) 6.7 (0.99) 3.7 (0.99) 4.8 (0.89)
לי 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)
סי 310 (0.99) 690 (0.97) 500 (0.99) 250 (0.89)
מגבלות זיהוי לUnratioed נתונים באמצעות ד t 0 μsec
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 660 (0.92) 450 (0.99) 480 (0.76) 830 (0.93)
להיות 5.6 (0.97) 9.9 (0.99) 5.5 (0.77) 6.5 (0.84)
לי 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)
סי 800 (0.94) 770 (0.99) 530 (0.71) 1100 (0.92)

לוח 4. איתור מגבלת נתונים לעיכוב μsec זמן 0. נתוני גבול הגילוי מוצגים בעמודים לדקה באמצעות עיכוב μsec זמן 0 על אנרגיות הלייזר השונות המציגות נתונים שני ratioed וunratioed. המתאמים ליניארי הגרף (R 2) הם בסוגריים. צפון קרוליינה אומרת שאין מתאם נצפה (R 2 <0.7). לרגישויות ratioed, אזור יסודות אנליטי היה ratioed לקו פה (אני).

10 mJ

לוח 5. איתור מגבלת נתונים לעיכוב μsec זמן 1. נתוני גבול הגילוי מוצגים באמצעות עיכוב μsec זמן 1 על אנרגיות הלייזר השונות המציגות נתונים שני ratioed וunratioed. המתאמים ליניארי הגרף (R 2) הם בסוגריים. לרגישויות ratioed, אזור יסודות אנליטי היה ratioed לקו פה (אני).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 זיהוי דומות מחושבים על פני הטווח של אנרגיות נבדקו לגילוי שני מגודרת ואינו מגודרת. היו כמה מקרים שבם מגבלות זיהוי היו גבוהות יותר תוך שימוש באנרגיות גבוהות עם זיהוי שאינו מגודרת, זה היה ככל הנראה בשל הרקע המוגבר בספקטרום LIBS.

מאחר שלא היה שינוי גדול בטמפרטורות צפיפות אלקטרונים ופלזמה מעל 10 -לקפל עלייה באנרגיה, גורמים אלה לא אמורים להשפיע על יכולות זיהוי על אנרגיות הלייזר שנבדקו. זה עולה בקנה אחד עם התוצאות שלנו לא מראים ירידה גדולה במגבלות זיהוי עם אנרגיית דופק מוגברת.

מהנתונים שהוצגו, ניתן לבצע כמה מסקנות לגבי השימוש באנרגיות דופק לייזר של 10-100 MJ ופרמטרי תזמון שונים לקביעת יסודות קורט בממריצי אדמה. אנרגיות נמוכות יותר של 10 ו25 mJ סיפקו מגבלות זיהוי דומות לאלה שהושגו ב50 ו100 MJ. זה הראה כי השימוש באנרגיות דופק נמוכות אינו פוגע באופן משמעותי את יכולות זיהוי וכי השימוש באנרגיה נמוכה יותר, יש צורך במכשור נייד LIBS אדם, לא יפגע ביכולות זיהוי. התוצאות הראו גם כי נתוני ratioed מיוצרים מגבלות זיהוי נמוכות יותר מהנתונים שאינם ratioed. לכן, יכולים להיות שיפור יכולות זיהוי של מערכת LIBS קומפקטית באמצעות השימוש בהיתרסטנדרטי nal כדי לסייע לנרמל את התוצאות.

כאשר משווה את הספקטרום בין שאינו מגודרת ומגודרים מצבי גילוי, נמצא כי הספקטרום נרשם באמצעות זיהוי מגודרת המיוצר על בסיס נמוך וקווי פליטת יסודות בצורה ברורה יותר נפתרו לחלק מהאלמנטים. כמו כן, מגבלות זיהוי מעט נמוכות יותר התקבלו באמצעות זיהוי מגודרת על אנרגיות הלייזר שנבדקו. זה מראה שלא תהיה ירידה קלה ביכולות זיהוי בעת שימוש בזיהוי מצב שאינו מגודרת לsimulants אדמה משמש כאן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין לי המחברים הכל כדי לחשוף.

Acknowledgments

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

Materials

מגבלות זיהוי לRatioed נתונים באמצעות ד t μsec 1
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 93 (0.99) 170 (0.99) 160 (0.99) 170 (0.99)
להיות 2.5 (0.99) 1.5 (0.99) 1.9 (0.99) 2.1 (0.99)
לי 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)
סי 280 (0.97) 290 (0.99) 120 (0.99) 150 (0.99)
מגבלות זיהוי לUnratioed נתונים באמצעות ד t μsec 1
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0.86) 280 (0.82) 190 (0.96) 340 (0.86)
להיות 5.1 (0.89) 2.1 (0.87) 2.9 (0.99) 4.7 (0.92)
לי 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)
סי 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

כימיה גיליון 79 כימיה אנליטית מחקר לייזר פיסיקה אטומית [LIBS ספקטרוסקופיה התמוטטות מושרה לייזר מגודרת וגילוי שאינו מגודרת מחקר אנרגיה]
תלות של תוצאות ספקטרוסקופיה ההתפלגות מושרה לייזר על אנרגיות דופק ופרמטרים תזמון שימוש Simulants קרקע
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