Зависимость лазерной искровой спектроскопии Результаты на энергию импульса и временных параметров Использование для внесения Simulants

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

LIBS возможности обнаружения на почвенных имитаторов были испытаны с использованием ряда энергию импульса и временных параметров. Калибровочные кривые были использованы для определения пределов обнаружения и чувствительности для различных параметров. Как правило, результаты показали, что не было значительное сокращение возможностей обнаружения, используя более низкие энергии импульса и не-закрытый обнаружения.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Зависимость некоторых возможностей обнаружения LIBS на более низких энергиях импульсов (<100 мДж) и временных параметров были рассмотрены с использованием синтетических образцов силикатных. Эти образцы были использованы в качестве имитаторов для почвы и содержал незначительные и микроэлементы обычно встречаются в почве в широком диапазоне концентраций. Для этого исследования, более 100 калибровочные кривые были получены с использованием различных энергию импульса и временные параметры; пределы обнаружения и чувствительности определялись из калибровочных кривых. Температура плазмы также измеряется с помощью Больцмана участков для различных энергий и временных параметров испытания. Электронная плотность плазмы была рассчитана с использованием полной ширины половину максимума (FWHM) линии водорода при 656,5 нм в течение энергий протестированных. В целом, результаты показывают, что использование более низких энергий импульсов и не-закрытом обнаружения не серьезную угрозу аналитические результаты. Эти результаты имеют очень важное значение в проектировании поле-и человек-портативный LIBS инструменты.

Introduction

Лазер-пробой спектроскопии (LIBS) является простой метод элементного анализа, который использует лазерный генерируемые искру в качестве источника возбуждения. Лазерный импульс фокусируется на поверхности, который нагревает, ablates, распыляет и ионизирует поверхности материала, что приводит к образованию плазмы. Плазма света спектрально решен, и обнаружено и элементы обозначены их спектральных сигнатур. Если правильно откалиброван, LIBS может обеспечить количественные результаты. LIBS может анализировать твердые вещества, газы и жидкости практически без пробоподготовки. 1 Эти характеристики делают его идеальным для анализов, которые не могут быть выполнены в лаборатории.

В настоящее время, LIBS изучается для различных применений особенно те, которые требуют полевые измерения основе для количественного определения. 1-8 Это требует развитие LIBS приборов с использованием Строгий и компактный компоненты, пригодные для системы, основанный на полях. В большинстве случаев,компоненты как таковые не будут иметь все возможности лабораторного инструментария, тем самым ставя под угрозу производительность анализа. LIBS результаты зависят от параметров лазерного импульса и других условий измерений, которые включают выборки геометрию, окружающую атмосферу, и использование закрытого или не закрытый обнаружения. 9-12 Для поля на основе LIBS приборов, два важных фактора, чтобы рассмотреть энергия импульса и использование закрытого по сравнению с не-закрытого обнаружения. Эти два фактора определяют в значительной степени стоимость, размер и сложность инструмента LIBS. Маленькие, прочная конструкция лазеры, которые могут генерировать импульсов от 10-50 мДж на частотой повторения 0,3-10 Гц имеются в продаже и было бы весьма выгодно использовать. Таким образом, важно знать, что, если таковые имеются, потери в возможности обнаружения приведет в результате использования этих лазеров. Энергия импульса является ключевым параметром для LIBS так как она определяет количество материала удалена и испаряется и полукокс возбужденияристики плазмы. Кроме того, использование закрытого обнаружения может увеличить стоимость системы LIBS, в результате, крайне важно, чтобы определить разницу между спектрами и возможности обнаружения с использованием закрытого и не закрытый обнаружения.

В последнее время исследование было проведено сравнение закрытый обнаружения не-закрытого обнаружения для малых элементов, найденных в стали. Результаты показали, что пределы обнаружения были сопоставимы, если не лучше для не-закрытом обнаружения. 12 Одной из важных характеристик LIBS является то, что метод испытывает физические и химические эффекты матрицы. Примером первого является то, что лазерный импульс пары более эффективно с проведением / металлических поверхностей, чем не-проводящих поверхностей. 13 Для этого исследования мы хотели определить влияние энергетических и временных импульсов параметров непроводящих материалов, таких как почвы имитаторов.

Хотя, полевые портативные LIBS инструменты были разработаны и используютсядля некоторых приложений, комплексное исследование от возможностей обнаружения не была выполнена сравнения высокую энергию и закрытого системы для нижних энергетических и не закрытых систем с использованием почвы имитаторами. Это исследование фокусируется на лазерной энергии и временных импульсов параметров для определения микроэлементов в сложных матрицах. Энергия лазерного импульса в диапазоне от 10 до 100 мДж получить сравнение между низшими и высшими энергиями. Сравнение использования закрытого по сравнению с не-закрытого обнаружения также была проведена в том же диапазоне энергий.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Лазерная система

  1. Используйте лазерные импульсы, производимые с модуляцией добротности Nd: YAG-лазер, работающий при 1064 нм и при 10 Гц.
  2. Фокус лазерные импульсы на образец с 75 мм фокусным расстоянием.
  3. Сбор плазмы свет с оптическим волокном и указал на расположенном вблизи плазмы, сформированной на образце.
  4. Используйте эшелле спектрографа / ICCD для спектрального решимость и регистрировать спектр LIBS.
  5. Используйте ICCD в обоих без закрытых и закрытых режимов работы при помощи прирост 125.
  6. Используйте 0 мкс задержку (т г) в не закрытом режиме и 1 мкс т д. в закрытом режиме.
  7. Для обоих режимах использовать ширину затвора (т б) 20 мкс с сек экспозиции 3 (интегрирующего плазменный свет на чипе камеры ICCD); это приведет к 30 индивидуальных лазерных вспышек добавляется для получения каждого спектра.
  8. Запишите в общей сложности 5 таких спектров для каждого анализируемого образца.
  9. Используйте генератор цифровой задержки для управления тIMing между лазером и импульса ICCD ворот. Экспериментальная установка показана на рисунке 1.
  10. Проверьте сроки с помощью осциллографа.
  11. Используйте лазер на энергию импульса в 10, 25, 50, и 100 мДж, использующих как не-закрытого и закрытого обнаружения.
  12. Непрерывно контролировать энергию лазера и регулировки для коррекции дрейфа, если это необходимо.
  13. Рассмотрение безопасности: Nd:. YAG лазер лазер Класс IV; носить соответствующую очки лазерной безопасности во все времена при работе лазера и установить номер блокировки в сочетании с дверью номера и лазера 14

2. Образцы и подготовки образцов

  1. Используйте синтетический силикат стандартных образцов с известной концентрацией элементов в качестве образцов; они имитируют общие образцы почвы с незначительным и следовые количества выбранных элементов, охватывающих широкий спектр концентраций.
  2. Концентрации микроэлементов в диапазоне от нескольких частей на миллион до 10000 частей на миллион. Таблице1 перечислены элементы мониторинг здесь в том числе их типов линий и длин волн, используемых для анализа. Типы линии, обозначенной как и Второй означают нейтральные атомы или однократно ионизованного атома, соответственно. Общая база состав каждого силикатного образца SiO 2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO 3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2,5%), и K 2 SO 4 (2,5%).
  3. Нажмите образцы в гранулы диаметром 31 мм с использованием гидравлического пресса, чтобы создать гладкую поверхность для анализа LIBS. Гладкая поверхность помогает создать согласованность с результатами LIBS.
  4. Анализ новое место выборки для каждого спектра записанного.
  5. Рассмотрение Безопасность: Синтетические пробы силикатные содержать широкое разнообразие элементов при различных концентрациях; в перчатках в процессе обработки.

3. Подготовка калибровочных кривых

  1. Подготовка калибровочные кривые для различOUS элементы в обоих закрытого и не закрытого обнаружения в диапазоне лазерных энергий протестированных.
  2. Сделать эти кривые, откладывая площадь пика или ratioed площадь пика (Y-ось) против концентрации элементов (ось х).
  3. Используйте линейного тренда, чтобы соответствовать калибровочной кривой. [Снимок экрана 1]
  4. Рассчитать пределов обнаружения с помощью функции распознавания 3σ, как это определено IUPAC. 15 [расчет 1]

4. Определение температуры плазмы

  1. Измерьте температуру плазмы из Больцмана участков.
  2. Используйте набор линий железа [Fe (Я)] между длинами волн 371-408 нм для создания Больцмана участки с помощью: пер (iA / GA) =-Е п / кТ - п (4ρZ/hcN 0) (уравнение 1) где я это интенсивность перехода, определяемой из площади пика, λ-длина волны, является вероятность перехода, г является вырождение перехода, Е и, для эмиссии верхнее состояние, к-постоянная Больцмана, Т температура,Z является статистическая, ч постоянная Планка, с-скорость света, N 0 является общая численность населения видов.
  3. Выбрал Fe линии, которые известные Е В, г, и значения.
  • В Fe (Я) линии, используемые здесь, 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 нм.
  • E и, г, и значения могут быть найдены на этом сайте ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Убедитесь в том, чтобы выбрать параметр, чтобы отобразить "г" при дополнительных критериев помечены как информацию об уровне.
  • Используйте К е и г значения K.
  1. Для определения температуры, участок пер (iA / Ga) против русской клавиатуры и подобрать данные с линейным трендом;. Наклон составляет -1/kT 16,17 [снимок экрана 2]

5. Определение концентрации электронов

  1. Для измерения электроплотность п, использовать всю ширину на половине высоты (FWHM) линии водорода при 656,5 нм.
  2. Возьмите эти данные с помощью т д. = 0,5 мкс и т б = 4,5 мкс на ICCD.
  3. Измерьте ПШПМ линии водорода. [Снимок экрана 3]
  4. Рассчитайте плотность электронов с помощью: N е = 8,02 х 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (уравнение 2), где N е плотность электронов, Δλ 1/2 это измеренная полуширина линия водорода, и α 1/2 является уменьшение длины волны, который является функцией температуры и плотность электронов. Значения приведенных длин волн приведены в Грим в Приложении IIIa. 16-18
  5. Вычислить плотность электронов, используя температуру 10000 К (это было близко к средней температуры плазмы). [Снимок экрана 4]

6. Работа копирование всех данных Использование программычто можно определить пиков и / или Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Влияние лазерной энергии импульса и режимов обнаружения на возможности обнаружения. LIBS спектры синтетических образцов силикатных были записаны с использованием закрытого и не закрытый обнаружение в диапазоне энергий лазерных импульсов испытания. Более 100 калибровочные кривые были построены из этих данных, чтобы оценить эффект от энергии лазерного импульса. Калибровочные кривые были получены путем (1) с использованием площадь под пиком аналита и (2) по ratioing площадь пика аналита к площади пика железа при 405,58 нм. Концентрация железа было однородным между образцами, поэтому он был использован в качестве внутреннего стандарта. Ratioing область анализируемого в области внутреннего стандарта элемента может увеличить воспроизводимость измерений особенно если есть, снятые к выстрелом колебания лазерной энергии. Чувствительность обнаружения (калибровка наклон кривой) и предел обнаружения данных с использованием как не-закрытого и закрытого режима обнаружения приведены в таблицах 2, 3, 4 и 5. Для всех элементов, использующих unratioed калибровочные кривые для обоих закрытого и не закрытого обнаружения, существует прямая корреляция между лазерной энергии импульса и чувствительности: чувствительность увеличивается с энергией. Таким образом, анализируемые сигналы были больше при более высоких энергий импульсов с чувствительность зависит от анализируемого сигнала по отношению к его концентрации. Эти результаты показывают, что более высокие энергии импульсов может быть полезно для повышения слабые анализируемого сигналы. В общем, при сравнении ratioed данные чувствительности для не-закрытого обнаружения, было небольшое снижение чувствительности, как была увеличена энергия, это, скорее всего, за счет более высокой фоне в спектре LIBS и обсуждается в разделе под названием "эффект лазерной энергии и режимов обнаружения на спектры ". Тем не менее, при сравнении данных ratioed чувствительности для закрытого обнаружения, чувствительность были относительно постоянными в диапазоне энергий испытанных, как и ожидалось. Это обусловленос тем, что, когда площади пиков аналита ratioed в область элемента, который при постоянной концентрации, есть внутренняя коррекция принимая место, которое держит ratioed элементарные участки относительно постоянная. Эти данные приведены в таблицах 2 и 3.

В отличие от результатов, полученных для чувствительности в unratioed данных, как правило, не было корреляции между пределом обнаружения и энергии лазерного импульса; это ожидалось, поскольку предел обнаружения зависит как от чувствительности и воспроизводимости сигнала (табл. 4). При сравнении ratioed данные с не-ratioed данных как для закрытого и не закрытого обнаружения, то ratioed данных преимущественно выставлены низкие пределы обнаружения и обычно получают лучшие линейные корреляции, чем не-ratioed данных на; эти результаты показывают, что внутренний стандарт может быть используется для обеспечения более низкие пределы обнаружения (см. таблицы 4 и 5). В ratioed данные также ыhowed более низкие процентные относительные стандартные отклонения, чем не-ratioed данных; это напрямую коррелирует с Предел обнаружения результаты были ниже для ratioed данных, чем не-ratioed данных.

Дальнейшее изучение не-закрытых результатов обнаружения показали, что при более высоких энергиях лазерного импульса, некоторые элементы показали никакой корреляции (R 2 <0,7); это в основном влияет на определение свинца и марганца. Так как не было более интенсивным плазмы при более высоких энергиях, некоторые из спектральных линий были немного скрыт с не-закрытого обнаружения на более высоких энергиях импульса из-за высокой фоне континуума в спектре LIBS, это выше фона, скорее всего, вызвано бедных линейные корреляции со свинцом и марганцем. Этот фон также пояснил, в «эффекта лазерной энергии и обнаружения режимов на спектры" ниже. Кроме того, было несколько случаев, с результатами для не-закрытых пределов обнаружения, где по корреляция наблюдалась для unratioed данных, но корреляция была получена из ratioed данных. Исходя из этого, можно заключить, что ratioing элементный сигнал к другому элементу помогает улучшить корреляции с использованием unratioed элементарные сигналы. В целом, процесс ratioing области анализируемого элемента в области внутреннего стандарта элемента видимому, обеспечивают коррекцию для некоторых колебаний сигналов из-за различий с соединительными лазерного импульса и образцом; это наблюдалось с лучшими линейных корреляций в ratioed данных.

Влияние лазерной энергии и обнаружения режимов на спектрах. Как известно, спектры записаны с использованием закрытого обнаружение показывают более низкий базовый уровень, по сравнению с спектров, сделанных с использованием не-закрытый режим. Это можно увидеть при сравнении спектров образца ВГБ синтетический силикат 07709 с использованием закрытого и не закрытый обнаружения в 10 мДж / импульс в рисунках 2а и б. Не наблюдалось самопоглощение ян спектры с использованием закрытого обнаружение в диапазоне испытанных энергию импульса. Площади пиков элементов в синтетических образцов силикатных увеличилось энергия лазерного импульса была увеличена для закрытого обнаружения; это, скорее всего, из-за большей массы образца абляции и большей плазмы, что приводит к сильной возбуждения. Аналогичные результаты были получены для не-закрытого показа обнаружения, в общем, увеличение сигнала, была увеличена энергия импульса. Эти результаты можно увидеть на рисунке 3 для алюминия, магния, кальция и нейтральных и ионизированных линий.

Рисунок 4 также показывает, что на фоне явно увеличивает как энергия лазера была увеличена для не-закрытого обнаружения. Это вызвало спектральные линии в отдельных регионах, чтобы стать шире и менее интенсивным и, скорее всего, из-за эгоцентризма и повышенным фоне вызванного плазмы континуума. Это может еще больше повлиять на возможности обнаружения при более высоких энергиях иявляется наиболее вероятной причиной, почему не было никакой корреляции на более высоких лазерных энергий с использованием не-закрытый обнаружения. Чтобы избежать этой проблемы, было бы лучше использовать более низкие энергию импульса с не-закрытого обнаружения.

Влияние лазерной энергии и режимов обнаружения от температуры и плотности электронов. Используя Больцмана участков, средняя температура плазмы, образующейся на образце имитатор определялась как функция лазерной энергии для обоих непрерывных и закрытых режимов обнаружения. Типичный Больцмана график показан на рисунке 5. Результаты показывают, что температура плазмы была относительно постоянной в диапазоне энергий испытанных для обоих режимов обнаружения. Температуры плазменные варьировались от 10,000-11,000 К в не-закрытом режиме и 8100 в 8700 К в закрытом режиме. Номера для закрытого режим работы производится несколько более высокие температуры, это разумно, потому что ранняя часть плазменного образования контролируется в не закрытом режиме.

< р = класса "jove_content"> Средняя плотность электронов плазмы измерялась с помощью ПШПМ линии водорода при 656,2 нм и время задержки 0,5 мкс с шириной затвора 4,5 мкс. Линия водорода может происходить как из воздуха и синтетического силиката образца. Достаточная сигнал водорода был получен при всех энергиях протестированных. Плотность электронов увеличивается с энергией от 1,5-2,0 х 10 17 см -3, что указывает на незначительное увеличение плотности электронов над 10-кратным увеличением энергии.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема установки LIBS. Это показывает общую установку для эксперимента LIBS используется для этого анализа. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

повторно 2 "SRC =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Типичный LIBS спектр (10 мДж) из синтетического силиката образца 07709 (а) с использованием закрытого обнаружение 0 мкс временной задержки и ширину 20 мкс затвора и (б) с использованием не-закрытый обнаружение 1 мкс задержки времени и ширину 20 мкс затвора . Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 3
Рисунок 3. Сравнение нормализованных площадей пиков для Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I) и Са (II) в синтетический силикат образца 07709 в диапазоне энергий, протестированных на как не-закрытый (т д. = 0 мкс) и закрытого обнаружения (T D = 1 мкс). Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 4
Рисунок 4. Спектры LIBS для синтетического силиката образца 07709 с использованием не закрытый обнаружения в 10, 25, 50, и 100 мДж. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 5
Рисунок 5. Типичный Больцмана участок. Эти данные поступают от использования 25 мДж энергии с 1 задержки мкс времени. Каждая точка представляет в среднем пять испытаний. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Элемент Тип линии Длина волны (нм) </ TD>
Ба (II) 493,41
Be * (II) 313.04, 313.11
Fe ** (I) 404,58
Pb (I) 405,78
Ли * (I) 670,78, 670,79
Mn * (I) 403,08, 403,31, 403,45
Sr (II) 407,77
Ti (II) 334,94

Таблица 1. Спектральный информация для анализируемых элементов в синтетических образцов силикатных. Эта таблица содержит элементарный символ, тип линии, а длина волны (ы), используемый для анализа. * Для этих элементов близкорасположенных линий не были решены. В этом случае общая площадь нерешенных линий определялась. ** Fe был при постоянной концентрации всинтетические образцы силикатные; этот элемент был использован в соотношении другие площади пиков аналита.

<TD> Ti
Чувствительность (x10 4 млн -1) для Ratioed данных с помощью 0 мкс т д
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 11 9.0 8.3 5.0
Быть 340 210 200 230
Ли 63 60 69 39
Миннесота 6.0 4.7 4.1 Северная Каролина
Pb 6.1 Северная Каролина 1.0 Северная Каролина
Sr 38 27 24 16
Ti 7.7 2.0 5.7 4.5
Чувствительность для Unratioed данных с помощью 0 мкс т д.
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 38 68 80 90
Быть 1200 1500 2100 4400
Ли Северная Каролина 400 Северная Каролина 660
Миннесота 17 34 Северная Каролина Северная Каролина
Pb 21 Северная Каролина Северная Каролина Северная Каролина
Sr 130 210 Северная Каролина 290
27 46 55 81

Таблица 2. Чувствительность для данных мкс время задержки в 0. Они были получены от склонов линейных калибровочных кривых для различных элементов с использованием не-закрытый (T D = 0 мкс) обнаружение в диапазоне энергий протестированных. Для ratioed чувствительности, аналит элементный область была ratioed к линии Fe (I). NC = нет корреляции R 2 <0,7.

Чувствительность (x10m 4 млн -1) для Ratioed данных с использованием мкс 1 т д.
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 9.9 10 10 8.4
Быть 110 100 170 140
Ли 72 59 67 52
Миннесота 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
Чувствительность для Unratioed данных с использованием мкс 1 т д.
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 30 60 98 140
Быть 330 600 1700 2500
Ли 220 720 1100 1 600
Миннесота 16 30 49 80
Pb 21 48 72 130
Sr 100 180 310 480
Ti 11 25 48 84

Таблица 3. Чувствительность для данных мкс задержки времени на 1. Они были получены от склонов линейных калибровочных кривых для различных элементов с использованием закрытого (т д. = 1 мкс) обнаружение в диапазоне энергий протестированных. Для ratioed чувствительности, аналит элементный область была ratioed к линии Fe (I).

Предел обнаружения для Ratioed данных с помощью 0 мкс т д.
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 310 (0,99) 310 (0,99) 280 (0,99) 610 (0,96)
Быть 2.1 (0.99) 6.7 (0.99) 3,7 (0,99) 4.8 (0.89)
Ли 170 (0.98) 48 (0,97) 87 (0.98) 100 (0,78)
Миннесота 710 (0,99) 1400 (0.99) 820 (0,99) Северная Каролина
Pb 250 (0,97) Северная Каролина 3200 (0.85) Северная Каролина
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)
Предел обнаружения для Unratioed данных с помощью 0 мкс т д.
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 660 (0,92) 450 (0,99) 480 (0,76) 830 (0,93)
Быть 5.6 (0.97) 9.9 (0.99) 5.5 (0.77) 6.5 (0.84)
Ли Северная Каролина 160 (0.91) Северная Каролина 220 (0,76)
Миннесота 2900 (0.79) 1500 (0.98) Северная Каролина Северная Каролина
Pb 1000 (0.88) Северная Каролина Северная Каролина Северная Каролина
Sr 230 (0,93) 100 (0,99) Северная Каролина 60 (0.92)
Ti 800 (0,94) 770 (0,99) 530 (0,71) 1100 (0.92)

Таблица 4. Предел обнаружения данных для 0 мкс времени задержки. Предел обнаружения данные приведены в м.д., используя 0 мкс задержку над различных лазерных энергий, показывающих как ratioed и unratioed данных. Линейные корреляции график (R 2) в скобках. NC означает не наблюдалось корреляции (R 2 <0,7). Для ratioed чувствительности, аналит элементный область была ratioed к линии Fe (I).

10 мДж

Таблица 5. Предел обнаружения данных для 1 задержки мкс времени. Предел обнаружения данные приведены с использованием 1 мкс задержку над различных лазерных энергий, показывающих как ratioed и unratioed данных. Линейные корреляции график (R 2) в скобках. Для ratioed чувствительности, аналит элементный область была ratioed к линии Fe (I).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

При сравнении не-закрытого и закрытого режима обнаружения, предел обнаружения данные показывают, что режим закрытого обнаружения разрешено для обнаружения всех элементов, включая те, которые не были замечены использование более высоких лазерных энергий в не закрытом режиме обнаружения. Использование закрытого обнаружения, первоначальный высокий фон от образования плазмы не наблюдается, а фон уменьшается показывает элементарный излучение лучше решен. Кроме того, пределы обнаружения были несколько ниже, с помощью закрытого обнаружения.

Как правило, были подобные пределы обнаружения, рассчитанные в диапазоне энергий, протестированных на оба закрытого и не закрытого обнаружения. Были несколько случаев, когда пределы обнаружения были выше при использовании на более высокие энергии с не-закрытого обнаружения; это было, скорее всего, в связи с увеличением фоне в спектре LIBS.

Поскольку не было больших изменений в электронной плотности и плазменных температурах над 10 -кратное увеличение энергии, эти факторы не должны влиять на возможности обнаружения более лазерных энергий протестированных. Это согласуется с нашими результатами не показывая большой снижение пределов обнаружения с повышенной энергией импульса.

Из данных, представленных в нескольких выводы можно сделать об использовании лазерного импульса энергий 10-100 мДж и различных временных параметров для определения микроэлементов в стимуляторов почвы. Более низкие энергии 10 и 25 мДж при условии, подобные пределы обнаружения тем, которые достигаются при 50 и 100 мДж. Это показало, что использование более низких энергий импульсов существенно не ухудшают возможности обнаружения и что использование более низкой энергией, необходимой для человека портативного LIBS применении, не будет уменьшаться возможности обнаружения. Результаты также показали, что ratioed данных производится более низкие пределы обнаружения, чем не-ratioed данных. Таким образом, возможности обнаружения компактной системы LIBS может быть повышена за счет использования в сотеСТАНДАРТНЫЙ, чтобы помочь нормализовать результаты.

При сравнении спектров между не-закрытого и закрытого режима обнаружения, было установлено, что спектры записаны с использованием закрытого обнаружения производится более низкий базовый уровень и элементарные эмиссионные линии были более четко решен для некоторых элементов. Кроме того, немного более низкие пределы обнаружения были получены с использованием закрытого обнаружения за лазерных энергий протестированных. Это показывает, что там будет небольшая потеря в возможности обнаружения при использовании не-закрытый обнаружения режима для почвы имитаторов используемых здесь.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgements

Эта работа финансировалась через Министерства энергетики США, Управление по науке.

Materials

Предел обнаружения для Ratioed данные, используя 1 мкс т д.
10 мДж 25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 93 (0,99) 170 (0,99) 160 (0,99) 170 (0,99)
Быть 2.5 (0.99) 1,5 (0,99) 1.9 (0.99) 2.1 (0.99)
Ли 78 (0.98) 82 (0,91) 62 (0,92) 130 (0,95)
Миннесота 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)
Предел обнаружения для Unratioed данные, используя 1 мкс т д.
25 мДж 50 мДж 100 мДж
Ба 760 (0,86) 280 (0,82) 190 (0,96) 340 (0,86)
Быть 5.1 (0.89) 2.1 (0.87) 2,9 (0,99) 4,7 (0,92)
Ли 220 (0,78) 52 (0,86) 100 (0,88) 260 (0,89)
Миннесота 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics