Yöntem makalesi

Toprak benzerleri kullanılarak Darbe Enerjileri ve Zamanlama Parametreleri Lazer kaynaklı Dağılımı Spektroskopisi Sonuçlarının Bağımlılığı

DOI:

10.3791/50876

⸱

23 Eylül 2013

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

Bu makalede

Özet

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

Toprak simulants üzerinde KIBS algılama yetenekleri darbe enerjileri ve zamanlama parametreleri bir dizi kullanılarak test edildi. Kalibrasyon eğrileri farklı parametreler için algılama sınırları ve karşı duyarlılıklarını araştırmak için kullanıldı. Genellikle, sonuçlar alt nabız enerjileri ve non-kapılı algılama kullanarak algılama yeteneklerinde önemli bir azalma olmadığını gösterdi.

Özet

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

Düşük nabız enerjilerin (<100 mJ) ve zamanlama parametreleri üzerinde bazı KIBS algılama yetenekleri bağımlılığı sentetik silikat örnekleri kullanılarak incelenmiştir. Bu örnekler için toprak benzerlerinde yaygın olarak kullanılan ve konsantrasyonları, geniş bir toprakta bulunan küçük ve eser elementleri ihtiva edilmiştir. Bu çalışma için, 100'ün üzerinde kalibrasyon eğrileri farklı darbe enerjileri ve zamanlama parametreleri kullanılarak hazırlanmış; tespit sınırları ve hassasiyetleri kalibrasyon eğrileri belirlenmiştir. Plazma sıcaklığı, aynı zamanda, çeşitli enerjileri ve test edilen zamanlama parametreleri için Boltzmann araziler kullanılarak ölçülmüştür. Plazmanın elektron yoğunluğu test enerjilerinin fazla 656,5 nm hidrojen hattının tam genişlikli yarım maksimum (FWHM) kullanılarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, düşük darbe enerjileri ve non-kapılı algılama kullanımı ciddi analitik sonuçları olumsuz olmadığını göstermektedir. Bu sonuçlar tasarımına çok alakalı alanda-ve kişi-taşınabilir KIBS aletleri.

Giriş

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

Lazer kaynaklı arıza Spektroskopisi (LIBS) uyarım kaynağı olarak bir lazer tarafından oluşturulan bir kıvılcım kullanan element analizi, basit bir yöntemdir. Lazer darbeli, ısıtır ablates, atomize ve plazma oluşumu ile sonuçlanan bir yüzey malzemesi iyonize bir yüzey üzerine odaklanmıştır. Plazma ışık Işıksal çözülmesi ve algılanır ve elemanları kendi spektral imzaları ile tanımlanır edilir. Düzgün kalibre ise, LIBS kantitatif sonuçlar sağlayabilir. LIBS az veya hiç numune hazırlama ile katı, gaz ve sıvı analiz edebilirsiniz. 1. Bu özellikleri laboratuarda yürütülen olamaz analizler için idealdir.

Şu anda, LIBS özellikle çok farklı uygulamalar ölçümü için alan bazlı ölçümler gerektiren olanlar için çalışılmaktadır. 1-8 Bu alan bazlı sistem için uygun sağlam ve kompakt bileşenleri kullanarak KIBS enstrümantasyon geliştirilmesini gerektirmektedir. Çoğu durumda,se bileşenler böylece analiz performansından ödün, laboratuar tabanlı enstrümantasyon tam yeteneklere sahip değildir. LIBS sonuçlar lazer darbe parametreleri ve örnekleme geometri, çevreleyen atmosfer ve Geçitli veya non-kapılı algılama kullanımını içeren diğer ölçüm koşullarına bağlıdır. 9-12 alan bazlı KIBS enstrümantasyon için, dikkate alınması gereken iki önemli faktör darbe enerji vardır ve kullanımı olmayan kapılı algılama karşı Geçitli. Bu iki faktör, büyük ölçüde LIBS enstrümanın maliyet, boyut ve karmaşıklık belirler. 0,3-10 Hz tekrarlanma oranlarda 10-50 mJ gelen pulsları üretir Small, sağlam yapılı lazerler ticari olarak temin edilebilir ve kullanımı son derece avantajlı olacaktır. Bu nedenle, eğer varsa, algılama yeteneklerine kaybı Bu lazerlerin kullanımı neden olur, ne bilmek önemlidir. Bu ablasyon ve buharlaşmış malzeme miktarı ve uyarma karakter olarak belirleyen darbe enerjisi LIBS için önemli bir parametredirPlazmanın tiklerinden ötürü. Buna ek olarak, kapı tespit kullanımı LIBS sistemin maliyetini artırabilir, sonuç olarak, bu kapı ve non-kapılı algılama kullanarak spektrumları ve algılama yetenekleri arasındaki farklılıkları belirlemek için zorunludur.

Son zamanlarda, bir çalışma çelik bulunan küçük elementlerin olmayan kapılı tespiti için bir kapı algılama karşılaştırılarak yapıldı. Sonuçlar algılama sınırları olmayan kapılı tespiti için karşılaştırılabilir olmasa daha iyi olduğunu gösterdi. 12. LIBS önemli özelliklerinden birisi, teknik, fiziksel ve kimyasal matriks etkileri deneyimleri olduğunu. Eski bir örneği daha iletken / metal yüzeyleri ile daha verimli lazer darbeli çiftler yüzeyleri, iletken olmayan olmasıdır. 13 Bu çalışma için, toprak benzerlerinde gibi iletken olmayan malzemeler için darbe enerjisi ve zamanlama parametrelerini etkisini belirlemek istedi.

Her ne kadar, alan taşınabilir KIBS alet geliştirilmiş ve kullanılmıştırbazı uygulamalar için, algılama yetenekleri üzerinde kapsamlı bir çalışma toprak benzerleri kullanılarak düşük enerji ve non-kapılı sistemlerde daha yüksek enerji ve kapı sistemlerini karşılaştırırken yapılmamıştır. Bu çalışma karmaşık matrisler iz elementlerin belirlenmesi için lazer darbe enerjisi ve zamanlama parametreleri üzerinde duruluyor. Lazer darbesinin enerjisi düşük ve daha yüksek enerji arasında bir karşılaştırma elde etmek üzere 10 ile 100 mJ arasında bulunmuştur. Non-kapılı algılama karşı kapılı kullanımının bir karşılaştırılması da, aynı enerji aralığı üzerinde yapıldı.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1.. Lazer Sistemi

  1. Q-anahtarlı Nd tarafından üretilen lazer darbeleri kullanın: YAG lazer 1,064 nm ve 10 Hz'de çalışan.
  2. 75 mm odak uzaklığı lens numune üzerine lazer darbeleri Odak.
  3. Işaret ve örnek üzerinde oluşan plazma yakın yerleştirilmiş bir fiber optik ile plazma ışığı toplamak.
  4. Kararlılığını spektral ve KIBS spektrum kaydetmek için bir Eşel spektrograf / ICCD kullanın.
  5. 125 bir kazanç kullanarak hem non-kapılı ve Geçitli modlarında ICCD çalıştırın.
  6. Non-kapılı modunda 0 mikro saniye olduğu zaman gecikmesini (t d) ve Geçitli modunda 1 mikro saniye olduğu t d kullanın.
  7. Modları için, (ICCD kamera çip plazma ışığı entegre) bir 3 sn pozlama ile 20 mikro saniye bir kapı genişliği (t b) kullanın, bu 30 ayrı lazer çekim için her spektrum üretmek üzere eklenen neden olur.
  8. Analiz edilen her numune için 5 böyle spektrumları toplam kaydedin.
  9. T kontrol etmek için bir dijital gecikme jeneratör kullanınlazer ve ICCD kapı darbesi arasında IMing. Kurulmuş deney, Şekil 1 'de gösterilmiştir.
  10. Bir osiloskop ile zamanlamasını doğrulayın.
  11. Non-kapı ve kapılı hem de algılama kullanarak darbe 10 enerjileri, 25, 50, ve 100 mJ'de lazer çalıştırın.
  12. Sürekli lazer enerjisini izleme ve gerektiğinde, sürüklenme düzeltmek için ayarlanır.
  13. Güvenlik Notları: Nd:. YAG lazer Sınıf IV lazer, lazer çalıştırırken her zaman uygun lazer güvenlik gözlükleri ve oda kapı ve lazer ile birlikte oda kilitleri kurmak 14

2. Örnekleri ve Örnek Hazırlama

  1. Numune olarak bilinen element konsantrasyonları ile sentetik silikat sertifikalı referans malzemeleri kullanın, bunlar küçük ortak toprak örnekleri taklit ve konsantrasyonlarının bir aralığı kapsayan seçilen elemanların eser miktarda.
  2. Iz elementlerin miktarları birkaç ppm ila 10000 ppm. Tablo değişmekteydiAnalizi için kullanılan kendi hat türleri ve dalga boyları da dahil olmak üzere burada izlenir 1 listeleri elemanları. I ve II olarak etiketlenmiş çizgi türleri sırasıyla, nötr atomlar veya tek başına iyonlaşmış atom anlamına gelir. Her bir numunenin silikat ortak baz bileşimi SiO 2 (% 72), Al 3 2 O (% 15) 'dir, Fe 2 O 3 (% 4), CaMg (CO 3) 2 (% 4), 2 Na SO 4 ( % 2.5), ve K 2 SO 4 (% 2.5).
  3. LIBS analiz için düz bir yüzey oluşturmak için bir hidrolik pres kullanılarak 31 mm çapında topaklar halinde örnekleri basın. Pürüzsüz yüzey KIBS sonuçları ile tutarlılık oluşturmak için yardımcı olur.
  4. Kaydedilen her bir spektrum için yeni bir örnek nokta analiz.
  5. Emniyet göz: sentetik silikat örnekleri çeşitli konsantrasyonlarda elemanları geniş bir yelpazede içerir; taşıma sırasında eldiven giyin.

3. Kalibrasyon Eğrileri hazırlanıyor

  1. Vari için kalibrasyon eğrileri hazırlayıntest edilen lazer enerjileri aralığında işlenir ve non-kapılı her iki algılama lı elemanları.
  2. Element konsantrasyonu (x-ekseni) karşı pik alanı veya ratioed pik alanı (y-ekseni) grafiğini çizmek suretiyle bu eğrileri yapın.
  3. Kalibrasyon eğrisi uygun bir doğrusal eğilim hattı kullanın. [Ekran görüntüsü 1]
  4. IUPAC tarafından tanımlanan 3σ algılama kullanarak algılama sınırlarını hesaplayın. 15. [hesaplama 1]

4. Plazma sıcaklığı belirlenmesi

  1. Boltzmann parsellerden plazma sıcaklıkları ölçmek.
  2. - Ln (4ρZ/hcN 0) (Eşitlik 1) ln (Iλ / gA) =-E u / kT: kullanarak Boltzmann araziler yaratmak için 371-408 nm dalga boyu arasında demir hatları [Fe (I)] bir dizi kullanımı I pik alanı ile belirlenen geçişin yoğunluğu olduğu yerde, λ dalga boyu olan, bir geçiş olasılığı, g geçişin yozlaşması olan, E u emisyon için üst durumdur, k Boltzmann sabiti, T sıcaklıktır,Z h Planck sabiti, c ışık hızı olduğunu, bölme fonksiyonu, N 0 toplam türler nüfusu.
  3. E u, g ve A değerleri bilinen Fe çizgiler seçti.
  • Burada kullanılan Fe (I) hatları 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • E u, g ve A değerleri bu web sitesinde bulunabilir ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Düzey bilgi olarak etiketlenmiş ek kriterler altında "g" göstermek için seçeneği seçmek için emin olun.
  • E k ve g k değerleri kullanın.
  1. E u karşı sıcaklığı, arsa ln (Iλ / gA) belirlemek ve bir doğrusal eğilim çizgisi ile veriyi sığdırmak için. Eğimi -1/kT eşittir 16,17 [screen shot 2]

5. Elektron Yoğunluk Tayini

  1. Elektro ölçmek içinn yoğunluğu, 656,5 nm hidrojen çizgisinin yarı maksimum (FWHM) de tam genişliği kullanın.
  2. = T d kullanarak bu verileri almak 0.5 mikro saniye olduğu ve t b = ICCD üzerinde 4.5 mikro saniye olduğu.
  3. Hidrojen hattının FWHM ölçün. [Ekran görüntüsü 3]
  4. Kullanılarak elektron yoğunluğu hesaplayın: N e = 8.02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] N e elektron yoğunluğu 3/2 (Denklem 2), Δλ 1/2 arasında ölçülen FWHM olduğu hidrojen hattı ve α 1/2 sıcaklığın bir fonksiyonu ve elektron yoğunluğu düşük dalga boyudur. Indirgenmiş dalga boyları için değerler en Griem Ek IIIa 'da verilmiştir. 16-18
  5. (Bu plazma ortalama sıcaklığına yakın) 10,000 K bir sıcaklığı kullanılarak elektron yoğunluğunu hesaplar. [Ekran görüntüsü 4]

6. Bir Programı Kullanma Tüm Verileri çalışınbu tepe alanlarının ve / veya Microsoft Excel belirleyebilir

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Sentetik silikat numune algılama yeteneklerine lazer darbeli enerji ve araştırma modları etkisi. LIBS spektrumları test lazer darbeli enerji aralığında işlenir ve non-kapılı algılama kullanılarak kaydedildi. 100 üzerinde kalibrasyon eğrileri lazer darbe enerjisinin etkisini değerlendirmek için bu verilere inşa edildi. Kalibrasyon eğrileri (1) analit tepe noktasının altındaki ve (2) 405,58 nm'de demir tepe alanına analit pik alanı ile ratioing alanını kullanarak hazırlandı. Demir konsantrasyonu örnekleri...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Non-kapı ve kapı algılama modları karşılaştırırken, saptama sınırı verileri kapılı algılama modu olmayan-kapılı algılama modunda yüksek lazer enerjileri kullanılarak görülmedi olanlar da dahil olmak üzere tüm öğeleri tespiti için izin verdiğini gösteriyor. Kapılı algılama kullanarak, plazma oluşumu başlangıç ​​yüksek plan gözlenmemiştir ve arka elemental emisyon daha iyi çözülmesi gösteriyor azaltılır. Ayrıca, tespit limitleri kapılı algılama kullanılarak biraz düşüktü.

Genellikle, Geçitli v...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar ifşa etmek bir şey yok.

Teşekkürler

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

Bu çalışma Enerji, Bilim Ofisi ABD Bölümü ile finanse edildi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Equipment
Nd:YAG lazerContinuumSurelite II
Echelle spektrograh/ICCDCatalina/AndorSE200/iStar
Dijital gecikme jeneratörüBNCModel 575-4C
Hidrolik PresOymacıModel-C
31 mm pelet kalıpoyma makinesi3902
Güç ölçer gösterge modeliScientech, Inc.Model numarası: AI310D
Güç ölçer dedektörü modeliScientech, Inc.Model numarası: AC2501S
OsiloskopTektronixMSO 4054
Fiber OptikOkyanus OptiğiQP1000-2-UV-VIS
Lens kiti (bu kit 75 mm fl lens içerir)CVI OptikLK-24-C-1064
Reaktif/Malzeme listesi
Sentetik silikat örneğiBrammer Standard CompanyGBW 07704
Sentetik silikat numunesiBrammer Standard CompanyGBW 07705
Sentetik silikat numunesiBrammer Standard CompanyGBW 07706
Sentetik silikat numunesiBrammer Standard CompanyGBW 07708
Sentetik silikat numunesiBrammer Standard CompanyGBW 07709
Alüminyum kapaklar (sentetik silikat numunelerini preslemek için)SCP Science040-080-001

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Darbe Enerjisi EtkileriKalibrasyon E rileriTespit LimitleriPlazma S caklElektron Yo unlu uKap l TespitKap s z Tespit

İlgili makaleler