Afhankelijkheid van Laser-geïnduceerde Breakdown Spectroscopy Resultaten op Pulse Energies en timing parameters met Bodem 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 opsporingsmogelijkheden op grond simulanten werden getest met behulp van een scala aan pulsenergieën en timing parameters. Kalibratiecurves werden gebruikt om detectie en gevoeligheden voor verschillende parameters bepalen. Algemeen de resultaten bleek dat er geen significante vermindering detectiemogelijkheden door minder pulsenergieën en niet-gated detectie.

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

De afhankelijkheid van enkele LIBS detectiecapaciteit op lagere pulsenergieën (<100 mJ) en de timing parameters werden onderzocht met behulp van synthetische silicaat monsters. Deze monsters werden gebruikt als simulanten voor grond en bevatte sporenelementen vaak gevonden in de bodem bij een breed scala aan concentraties. Voor dit onderzoek werden meer dan 100 kalibratiekrommen bereid met verschillende pulsenergieën en tijdparameters, detectiegrenzen en gevoeligheden werden bepaald uit de kalibratiekromme. Plasma temperaturen werden ook gemeten met behulp van Boltzmann percelen voor de verschillende energieën en de timing parameters getest. De elektronendichtheid van het plasma werd berekend met behulp van de volledige breedte half maximum (FWHM) van de waterstof lijn op 656,5 nm over de geteste energieën. Kortom, de resultaten aan dat het gebruik van lagere pulsenergieën en niet-gated detectie niet serieus de analyseresultaten compromitteren. Deze resultaten zijn bijzonder relevant voor het ontwerp van veld-en persoon-portable LIBS instrumenten.

Introduction

Laser geïnduceerde afbraak spectroscopie (LIBS) is een eenvoudige methode van elementair analyse die een laser opgewekte vonk gebruik als de excitatiebron. De laserpuls wordt gefocusseerd op een oppervlak dat verhit ablateert, vernevelt en ioniseert het oppervlaktemateriaal resulteert in de vorming van plasma. De plasma licht wordt spectraal opgelost en gedetecteerd en elementen worden geïdentificeerd door hun spectrale signatuur. Als dit goed wordt gekalibreerd, kan LIBS kwantitatieve resultaten. LIBS kan vaste stoffen, gassen en vloeistoffen te analyseren met weinig of geen monstervoorbereiding. 1 Deze eigenschappen maken het ideaal voor analyses die niet buiten het laboratorium worden uitgevoerd.

Momenteel wordt LIBS bestudeerd voor vele toepassingen bijzonder die met velden metingen vereisen voor kwantificering. 1-8 Dit vereist de ontwikkeling van LIBS instrumenten met robuuste en compacte onderdelen voor een veld gebaseerd systeem. In de meeste gevallen, dese componenten zullen niet de volledige capaciteiten van laboratorium-gebaseerde instrumenten, waardoor de analyse doen aan prestaties. LIBS resultaten zijn afhankelijk van de laserpuls parameters en andere meetomstandigheden dat bemonstering geometrie, omringende atmosfeer, en het gebruik van een gesloten of niet-gated detectie omvatten. 9-12 voor field-based LIBS instrumentatie, twee belangrijke factoren te overwegen zijn de puls energie en het gebruik van gated versus niet-gated detectie. Deze twee factoren bepalen in grote mate de kosten, omvang en complexiteit van de LIBS instrument. Klein, robuust gebouwd lasers die pulsen kan genereren 10-50 mJ bij herhaling tarieven van 0,3-10 Hz zijn commercieel verkrijgbaar en zou zeer voordelig zijn om te gebruiken. Daarom is het belangrijk te weten wat eventueel verlies van de detectiecapaciteit zal voortvloeien uit het gebruik van deze lasers. De pulsenergie is een belangrijke parameter voor LIBS waarop zij de hoeveelheid materiaal geablateerd en verdampt en de excitatie houtskoolschappen van het plasma. Bovendien kan het gebruik van gated detectie de kosten van het LIBS systeem te verhogen, als gevolg, is het noodzakelijk om de verschillen tussen spectra en detectiemogelijkheden bepalen middels gated en non-gated detectie.

Onlangs, werd een studie vergeleken gated detectie niet-gated detectie voor kleine elementen in staal. De resultaten toonden aan dat de detectiegrenzen waren vergelijkbaar of zelfs beter voor niet-gated detectie. 12 Een belangrijk kenmerk van LIBS is dat de techniek ervaart fysische en chemische matrixeffecten. Een voorbeeld van het eerste is dat de laserpuls paren efficiënter met geleidende / metalen dan niet-geleidende oppervlakken. 13 Voor deze studie, wilden we de effecten van pulsenergie en tijdparameters voor niet-geleidende materialen zoals grond simulant bepalen.

Hoewel, zijn veld draagbare LIBS instrumenten ontwikkeld en gebruiktvoor sommige toepassingen, heeft een uitgebreide studie over de opsporingsmogelijkheden niet uitgevoerd vergelijken hogere energie-en gated systemen om lagere energie-en non-gated systemen met behulp van bodem simulanten. Deze studie richt zich op laserpuls energie en timing parameters voor de bepaling van spoorelementen in complexe matrices. De laserpuls energie varieerde van 10 tot 100 mJ een vergelijking tussen lagere en hogere energieën te verkrijgen. Een vergelijking van het gebruik van gated versus niet-gated detectie werd ook uitgevoerd via hetzelfde energiebereik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Laser System

  1. Gebruik laserpulsen door een Q-switched Nd: YAG laser werkt bij 1064 nm en bij 10 Hz.
  2. Focus de laserpulsen op het monster met een 75 mm brandpuntsafstand.
  3. Verzamel de plasma licht met een optische vezel wees op en geplaatst in de buurt van het plasma gevormd op het monster.
  4. Gebruik een Echelle spectrograaf / ICCD te lossen spectraal en noteer de LIBS spectrum.
  5. Bedien de ICCD in zowel niet-omheind en gated modi met een winst van 125.
  6. Gebruik een 0 msec vertraging (t d) in niet-gated modus en een 1 usee t d in een gesloten stand.
  7. Voor beide modi gebruikt een poort breedte (t b) van 20 usec met een 3 seconden blootstelling (integratie van de plasma licht op de ICCD camera chip), hetgeen resulteert in 30 afzonderlijke laserschoten toegevoegd aan elk spectrum te produceren.
  8. Neem een ​​totaal van 5 dergelijke spectra voor elk monster geanalyseerd.
  9. Gebruik een digitale delay generator om de controle van de timing tussen de laser en de ICCD drukimpuls. De experimentele opstelling wordt getoond in figuur 1.
  10. Controleer de timing met een oscilloscoop.
  11. Bedien de laser op pulsenergieën van 10, 25, 50, en 100 mJ middels zowel niet-gated en gated detectie.
  12. Continu de laserenergie en passen om te corrigeren voor drift, indien nodig.
  13. Veiligheid overweging: De Nd:. YAG laser is een klasse IV laser; geschikte kleding te dragen laser veiligheidsbril te allen tijde bij het ​​bedienen van de laser en de kamer vergrendelingen vast in samenwerking met de kamer deur en laser 14

2. Monsters en Monstervoorbereiding

  1. Gebruik synthetische silicaat gecertificeerde referentiematerialen met bekende element concentraties als monsters, deze na te bootsen gemeenschappelijke grondmonsters met kleine en sporen van geselecteerde elementen verspreid over een reeks concentraties.
  2. Concentraties van sporenelementen varieerde van enkele dpm tot 10.000 dpm. Tabel1 staan ​​de elementen hier gecontroleerd inclusief hun lijn soorten en golflengtes gebruikt voor analyse. De lijn types aangeduid als I en II betekenen neutrale atomen of een enkelvoudig geïoniseerde atomen, respectievelijk. De gemeenschappelijke basis samenstelling van elke silicaat monster SiO2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2,5%) en K 2 SO 4 (2.5%).
  3. Druk op de monsters in 31 mm diameter pellets met behulp van een hydraulische pers om een ​​glad oppervlak te creëren voor LIBS analyse. Het gladde oppervlak helpt om de samenhang met de LIBS resultaten te creëren.
  4. Analyseer een nieuw monster plek voor elk spectrum opgenomen.
  5. Veiligheid overweging: De synthetische silicaat monsters bevatten diverse elementen in verschillende concentraties; handschoenen tijdens hantering.

3. Het voorbereiden IJkkrommen

  1. Bereid kalibratiecurven voor het varilende elementen in zowel afgesloten als niet-gated detectie over de reeks laser energie getest.
  2. Maak deze curven plotten het piekoppervlak of de ratioed piekoppervlak (y-as) tegen elk element (x-as).
  3. Gebruik een lineaire trendlijn om de kalibratiecurve te trekken. [Schermafdruk 1]
  4. Bereken detectielimieten gebruik 3σ detectie zoals gedefinieerd door de IUPAC. 15 [berekening 1]

4. Plasma Temperatuur Bepaling

  1. Meet plasma temperaturen van Boltzmann percelen.
  2. Gebruik een set van ijzer lijnen [Fe (I)] tussen golflengten van 371-408 nm tot Boltzmann percelen maken met: ln (Iλ / GA) =-E u / kT - ln (4ρZ/hcN 0) (Vgl. 1) waarin I de intensiteit van de overgang zoals bepaald uit het piekoppervlak, λ de golflengte is, A de overgangswaarschijnlijkheid, g de degeneratie van de overgang, E u de bovenste staat voor emissie, k de Boltzmann constante, T de temperatuur,Z is de verdelingsfunctie, h is de constante van Planck, c de lichtsnelheid, N 0 is de totale populatie soorten.
  3. Koos Fe lijnen die E u, g, en A waarden bekend zijn.
  • De Fe (I) lijnen die hier gebruikt zijn 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • De E u, g, en A waarden is te vinden op deze website ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Zorg ervoor dat de optie om de "g" tonen onder aanvullende criteria bestempeld als niveau informatie te selecteren.
  • Gebruik de E k en g k-waarden.
  1. Temperatuur, perceel ln (Iλ / GA) te bepalen tegen E u en past de gegevens met een lineaire trendlijn;. De helling is gelijk aan -1/kT 16,17 [screenshot 2]

5. Elektronendichtheid Bepaling

  1. Om de elektro metenn dichtheid, gebruik maken van de volledige breedte op halve hoogte (FWHM) van de waterstof lijn op 656,5 nm.
  2. Neem deze gegevens met behulp van t = 0,5 d usee en t b = 4,5 msec op de ICCD.
  3. Meet de FWHM van de waterstof-lijn. [Screenshot 3]
  4. Bereken de elektronendichtheid met N e = 8,02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (Vgl. 2) waarbij N e de elektronendichtheid, Δλ 1/2 is de gemeten FWHM van de waterstoflijn en α 1/2 is het verminderde golflengte die een functie is van de temperatuur en de elektronendichtheid. De waarden voor de lagere golflengten worden in Griem het aanhangsel IIIa. 16-18
  5. Bereken de elektronendichtheid met een temperatuur van 10.000 K (dit was dicht bij de gemiddelde temperatuur van het plasma). [Screenshot 4]

6. Werken van alle gegevens met behulp van een programmadie kan bepalen de Peak Gebieden en / of Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Effect van laserpulsenergie en detectie modes op detectiemogelijkheden. LIBS spectra van het synthetische silicaat monsters werden opgenomen met gated en non-gated detectie over de reeks laserpuls energieën getest. Meer dan 100 kalibratiecurves werden geconstrueerd uit deze gegevens om het effect van de laserpulsenergie evalueren. Kalibratiecurves werden bereid door (1) met het oppervlak onder de analyt piek en (2) door ratioing het gebied van de analyt piek tot het gebied van de ijzer piek bij 405,58 nm. De ijzerconcentratie was uniform tussen monsters, daarom werd gebruikt als interne standaard. Ratioing de analyt gebied naar het gebied van een interne standaard element kan de meting reproduceerbaarheid verhoogd vooral als er schot-op-schot laser schommelingen energie. De gevoeligheid (ijkkromme helling) en detectiegrens gegevens middels zowel niet-gated en afgesloten detectiemethodes worden in tabellen 2, 3, 4, en 5. Voor alle elementen met de unratioed kalibratiekrommen zowel gated en non-gated detectie, was er een directe correlatie tussen laserpulsenergie en de gevoeligheid: gevoeligheid verhoogd energie. Daarom is de analyt signalen waren groter bij hogere pulsenergieën aangezien gevoeligheid afhankelijk van de analyt signaal opzichte van de concentratie. Deze resultaten geven aan dat hogere pulsenergieën nuttig voor het verhogen analyt zwakke signalen kunnen zijn. In het algemeen, bij vergelijking van de gevoeligheid ratioed gegevens voor niet-gated detectie, was er een lichte daling in gevoeligheid energie verhoogd, dit is waarschijnlijk te wijten aan de hogere achtergrond in de LIBS spectrum wordt besproken in het gedeelte "effect van laserenergie en detectie modes op spectra. " Bij de vergelijking van de gevoeligheid ratioed gegevens gated detectie, de gevoeligheden relatief constant over het bereik van energieën getest zoals verwacht. Dit heefthet feit dat wanneer de analyt piekoppervlakken zodanige verhouding tot een gebied van een element dat op een constante concentratie, er een interne correctie plaatsvinden die de ratioed elementaire gebieden relatief constant blijft. Deze gegevens worden in tabellen 2 en 3.

In tegenstelling tot de resultaten verkregen voor de gevoeligheid van de unratioed gegevensresultaten algemeen was er geen correlatie tussen detectielimiet en laserpulsenergie, dit wordt verwacht aangezien de detectiegrens afhankelijk van zowel de gevoeligheid en de signaal reproduceerbaarheid (Tabel 4). Bij vergelijking van de gegevens zodanige verhouding tot de niet-ratioed gegevens zowel gated en non-gated detectie, de ratioed data overwegend vertoonden lagere detectiegrenzen en in het algemeen tot betere lineaire correlaties dan de niet-ratioed gegevens, deze resultaten aan dat een interne standaard kan gebruikt lagere detectielimiet (tabellen 4 en 5) voorzien. De ratioed gegevens is ookhowed lager percentage relatieve standaarddeviatie dan de niet-ratioed gegevens, dit direct correleert met de detectiegrens resultaten lager voor de ratioed gegevens dan de niet-ratioed gegevens.

Verder onderzoek van de niet-gated detectie resultaten toonden aan dat bij hogere laserpuls energieën, bepaalde elementen vertoonde geen correlatie (R2 <0,7), waarbij vooral de bepaling van lood en mangaan. Aangezien er een intenser plasma bij hogere energieën aantal spectraallijnen waren enigszins vervaagd met niet-gated detectie bij hogere pulsenergieën vanwege de hoge achtergrond van het continuüm in de LIBS spectrum, deze hogere achtergrond waarschijnlijk veroorzaakt armen lineaire correlaties met lood en mangaan. Deze achtergrond is verder uiteengezet in het "effect van laserenergie en detectie modes op spectra" hieronder. Daarnaast waren er enkele gevallen met de resultaten voor niet-gated detectielimieten waarbij no correlatie waargenomen voor de unratioed gegevens, maar een correlatie verkregen uit de ratioed gegevens. Hieruit kunnen we concluderen dat ratioing de elementaire signaal naar een ander element helpt om correlaties te verbeteren met behulp van de unratioed elementaire signalen. Kortom, het proces van ratioing het gebied van de analyt element om het gebied van een interne standaard element bleek een correctie voor enkele schommelingen in signalen door koppeling verschillen laserpuls en het monster, hetgeen werd waargenomen met de betere lineaire correlaties de ratioed gegevens.

Effect van laserenergie en detectie modes op spectra. Zoals bekend, spectra opgenomen met gated detectie vertonen een lagere basislijn vergeleken met spectra die met niet-afgesloten modus. Dit blijkt bij vergelijking van spectra van een synthetische silicaat monster GBW 07.709 behulp gated en non-gated detectie bij 10 mJ / puls in de figuren 2a en b. Geen zelf-absorptie waargenomen in de spectra met behulp van gated detectie over het bereik van pulsenergieën getest. De piekoppervlakken van de elementen in de synthetische silicaat monsters verhoogd laserpulsenergie werd verhoogd gated detectie, dit is waarschijnlijk te wijten aan een grotere massa van het monster geablateerd en een grotere plasma resulteert in een sterkere excitatie. Soortgelijke resultaten werden verkregen voor niet-gated detectie tonen in het algemeen een verhoging van het signaal pulsenergie werd verhoogd. Deze resultaten zijn te zien in figuur 3 voor aluminium, magnesium en calcium neutraal en geïoniseerd lijnen.

Figuur 4 toont verder dat de achtergrond duidelijk toe naarmate de laserenergie verhoogd voor niet-gated detectie. Dit veroorzaakte de spectraallijnen in bepaalde gebieden breder en minder intens en komt waarschijnlijk door zelf-absorptie en een verhoogde achtergrond veroorzaakt door het plasma continuüm. Dit kan verder invloed hebben op de detectie mogelijkheden bij hogere energieën enis de meest waarschijnlijke reden waarom er geen correlatie bij hogere energieën laser met niet-gated detectie. Om dit probleem te vermijden, zou het best zijn om lagere pulsenergieën gebruiken met niet-gated detectie.

Effect van laserenergie en detectiemodi temperatuur en elektronendichtheid. De Boltzmann percelen, de gemiddelde temperatuur van het plasma gevormd op een simulant monster werd bepaald als een functie van laserenergie voor continu en gated vormen van detectie. Een typische Boltzmann grafiek wordt getoond in figuur 5. De resultaten tonen aan dat de temperatuur van het plasma was relatief constant over het bereik van energieën getest beide detectiemethodes. De plasma temperaturen varieerden van 10,000-11,000 K in niet-gated modus en 8100 tot 8700 K in een gesloten stand. Niet-gated werkingsmodus geproduceerd iets hogere temperaturen, dit is redelijk omdat de eerste deel van het plasma formatie wordt bewaakt in niet-afgesloten modus.

< p class = "jove_content"> De gemiddelde elektronendichtheid van het plasma werd gemeten met behulp van de FWHM van de waterstof-lijn op 656,2 nm en een vertraging van 0,5 msec met een poort breedte van 4,5 msec. De waterstof lijn kan afkomstig zijn van zowel de lucht en de synthetische silicaat monster. Voldoende waterstof signaal werd verkregen bij alle energieën getest. De elektronendichtheid steeg met energie 1,5-2,0 x 10 17 cm -3, wat wijst op een geringe stijging van de elektronendichtheid over een 10-voudige toename in energie.

Figuur 1
Figuur 1. Een diagram van de LIBS setup. Dit toont de algemene setup voor de LIBS experiment gebruikt voor deze analyse. Klik hier voor grotere afbeelding.

re 2 "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Figuur 2. Een typische LIBS spectrum (10 mJ) van synthetische silicaat monster 07.709 (a) met gated detectie van 0 usec tijdvertraging en 20 usec poortbreedte en (b) het gebruik van niet-gated detectie van 1 psec tijdvertraging en 20 usec poortbreedte . Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 3
Figuur 3. Een vergelijking van genormaliseerde piekoppervlakken voor Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I) en Ca (II) in het synthetische silicaat monster 07.709 over het bereik van energieën getest zowel niet-gated (t d = 0 usee) en gated detectie (t d = 1 usee). Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 4
Figuur 4. De LIBS spectra voor synthetische silicaat steekproef 07.709 met behulp van niet-gated detectie bij 10, 25, 50, en 100 mJ. Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 5
Figuur 5. Een typische Boltzmann plot. Deze gegevens zijn afkomstig van het gebruik van 25 MJ energie met een 1 usee tijdvertraging. Elk punt vertegenwoordigt een gemiddelde van vijf proeven. Klik hier voor grotere afbeelding.

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

Tabel 1. Spectrale informatie voor de elementen in de synthetische silicaat monsters geanalyseerd. Deze tabel bevat de elementaire symbool, het type lijn, en de golflengte (s) gebruikt voor de analyse. * Voor deze elementen de hechte lijnen werden niet opgelost. In dit geval, het totale oppervlak onder de onopgeloste lijnen bepaald. ** Fe was constante concentratie in desynthetische silicaat monsters; dit element werd gebruikt om de verhouding andere analyt piek gebieden.

<td> Ti
Gevoeligheden (x10 4 ppm -1) voor ratioed gegevens met behulp van een 0 msec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9.0 8.3 5.0
Zijn 340 210 200 230
Li 63 60 69 39
Mn 6.0 4.7 4.1 NC
Pb 6.1 NC 1.0 NC
Sr 38 27 24 16
Ti 7.7 2.0 5.7 4.5
Gevoeligheden voor Unratioed gegevens met behulp van een 0 msec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
Zijn 1200 1500 2100 4400
Li NC 400 NC 660
Mn 17 34 NC NC
Pb 21 NC NC NC
Sr 130 210 NC 290
27 46 55 81

Tabel 2. De gevoeligheden voor de 0 gegevens usee vertraging. Deze werden verkregen van de hellingen van de lineaire calibratie curves voor verschillende elementen met behulp van niet-gated (t d = 0 usee) detectie over het bereik van energieën getest. Voor de ratioed gevoeligheden, werd de analyt elementaire gebied ratioed een Fe (I) lijn. NC = geen correlatie: R2 <0,7.

Gevoeligheden (X10m 4 ppm -1) voor ratioed gegevens met behulp van een 1 microseconde t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9.9 10 10 8.4
Zijn 110 100 170 140
Li 72 59 67 52
Mn 5.6 5.2 5.1 4.8
Pb 6.8 7.9 6.9 7.4
Sr 33 30 31 27
Ti 3.7 4.3 5.0 4.9
Gevoeligheden voor Unratioed gegevens met behulp van een 1 microseconde t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
Zijn 330 600 1700 2500
Li 220 720 1100 1600
Mn 16 30 49 80
Pb 21 48 72 130
Sr 100 180 310 480
Ti 11 25 48 84

Tabel 3. De gevoeligheden voor de 1 microseconde vertraging gegevens. Deze werden verkregen van de hellingen van de lineaire calibratie curves voor verschillende elementen met behulp van gated (t d = 1 microseconde) detectie over het bereik van energieën getest. Voor de ratioed gevoeligheden, werd de analyt elementaire gebied ratioed een Fe (I) lijn.

Detectielimieten voor ratioed gegevens met behulp van een 0 msec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 310 (0.99) 310 (0.99) 280 (0.99) 610 (0,96)
Zijn 2.1 (0.99) 6,7 (0,99) 3.7 (0.99) 4.8 (0.89)
Li 170 (0.98) 48 (0.97) 87 (0.98) 100 (0,78)
Mn 710 (0.99) 1400 (0.99) 820 (0.99) NC
Pb 250 (0.97) NC 3200 (0.85) NC
Sr 60 (0.99) 70 (0.99) 50 (0.99) 32 (0.96)
Ti 310 (0.99) 690 (0.97) 500 (0.99) 250 (0,89)
Detectielimieten voor Unratioed gegevens met behulp van een 0 msec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 660 (0.92) 450 (0.99) 480 (0.76) 830 (0.93)
Zijn 5.6 (0.97) 9.9 (0.99) 5,5 (0,77) 6,5 (0,84)
Li NC 160 (0.91) NC 220 (0.76)
Mn 2900 (0.79) 1500 (0.98) NC NC
Pb 1000 (0,88) NC NC NC
Sr 230 (0.93) 100 (0.99) NC 60 (0,92)
Ti 800 (0.94) 770 (0.99) 530 (0,71) 1100 (0,92)

Tabel 4. Detectielimiet Gegevens voor een 0 msec vertraging. De detectielimiet gegevens worden weergegeven in ppm met een 0 psec tijdvertraging via verschillende laser energie waarbij zowel ratioed en unratioed gegevens. De lineaire grafiek correlatie (R2) staan ​​tussen haakjes. NC betekent geen correlatie waargenomen (R2 <0,7). Voor de ratioed gevoeligheden, werd de analyt elementaire gebied ratioed een Fe (I) lijn.

10 mJ

Tabel 5. Detectielimiet Gegevens voor een 1 usee tijdvertraging. De detectielimiet gegevens worden getoond met een 1 msec vertraging over verschillende laser energieën waaruit zowel ratioed en unratioed gegevens. De lineaire grafiek correlatie (R2) staan ​​tussen haakjes. Voor de ratioed gevoeligheden, werd de analyt elementaire gebied ratioed een Fe (I) lijn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bij vergelijking non-gated en gated detectie modes, de detectiegrens gegevens blijkt dat de gated detectiemodus termijn voor detectie van alle elementen ook die welke niet werden waargenomen met hogere energieën laser in niet-gated detectie modus. Met gated detectie, wordt de aanvankelijke hoge achtergrond van de vorming van het plasma niet waargenomen en de achtergrond wordt verminderd met de elementaire emissie beter opgelost. Bovendien is de detectielimieten waren iets lager met behulp van gated detectie.

Over het algemeen, waren vergelijkbaar detectielimieten berekend over het bereik van energieën getest zowel gated en non-gated detectie. Er waren een paar gevallen waar de detectielimieten hoger met hogere energieën met niet-gated detectie; dit was waarschijnlijk te wijten aan de verhoogde achtergrond in de LIBS spectrum.

Aangezien er geen grote verandering in temperatuur elektronendichtheid en plasma gedurende een 10 -voudige stijging van de energieprijzen, moeten deze factoren geen invloed op de detectie mogelijkheden over de laser energie getest. Dit komt overeen met onze resultaten toont geen grote afname detectiegrenzen met hogere pulsenergie.

Uit de gepresenteerde gegevens, kunnen enkele conclusies worden getrokken over het gebruik van laserpuls energieën van 10-100 mJ en andere timing parameters voor de bepaling van spoorelementen in grond genotmiddelen. Lagere energie van 10 en 25 mJ gaven dezelfde detectielimieten die bereikt bij 50 tot 100 mJ. Hieruit bleek dat het gebruik van lagere pulsenergieën detectiemogelijkheden niet significant afneemt en dat het gebruik van een lagere energie, noodzakelijk voor personen draagbare LIBS instrumentatie, zal de detectiemogelijkheden verminderen. De resultaten toonden ook aan dat ratioed gegevens die lager detectielimieten dan de niet-ratioed gegevens. Daarom kon de detectiemogelijkheden van een compacte LIBS systeem worden verbeterd door het gebruik van een interinterne standaard te helpen normaliseren van de resultaten.

Bij vergelijking van de spectra tussen niet-gated en gated detectie modes, bleek dat spectra opgenomen met gated detectie produceerde een lagere basislijn en de elementaire emissielijnen werden duidelijker opgelost voor sommige elementen. Ook iets lagere detectielimieten werden verkregen met gated detectie over de laser energie getest. Dit toont aan dat er een licht verlies in detectie mogelijkheden zullen zijn bij het gebruik van niet-gated modus detectie voor bodem simulanten hier gebruikt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen hebben.

Acknowledgements

Dit werk werd gefinancierd door de Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science.

Materials

Detectielimieten voor ratioed gegevens met behulp van een 1 usee t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 93 (0.99) 170 (0.99) 160 (0.99) 170 (0.99)
Zijn 2.5 (0.99) 1.5 (0.99) 1.9 (0.99) 2.1 (0.99)
Li 78 (0.98) 82 (0.91) 62 (0.92) 130 (0.95)
Mn 250 (0,96) 280 (0.99) 220 (0.97) 370 (0,98)
Pb 53 (0.99) 160 (0.99) 91 (0.99) 120 (0.98)
Sr 21 (0.99) 15 (0.99) 28 (0.99) 11 (0.99)
Ti 280 (0.97) 290 (0.99) 120 (0.99) 150 (0.99)
Detectielimieten voor Unratioed gegevens met behulp van een 1 usee t d
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0.86) 280 (0.82) 190 (0.96) 340 (0.86)
Zijn 5,1 (0,89) 2.1 (0.87) 2.9 (0.99) 4.7 (0.92)
Li 220 (0.78) 52 (0.86) 100 (0,88) 260 (0.89)
Mn 1200 (0,72) 460 (0,74) 470 (0,89) 1300 (0,81)
Pb 100 (0,88) 170 (0.79) 150 (0.97) 130 (0.84)
Sr 83 (0.89) 18 (0.84) 44 (0.99) 26 (0.86)
Ti 1400 (0,77) 370 (0,79) 290 (0.97) 370 (0,88)
Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Nd:YAG laser Continuum Surelite II
Echelle spectrograh/ICCD Catalina/Andor SE200/iStar
Digital delay generator BNC Model 575-4C
Hydraulic Press Carver Model-C
31-mm pellet die Carver 3902
Power meter indictor model Scientech, Inc. Model number: AI310D
Power meter detector model Scientech, Inc. Model number: AC2501S
Oscilloscope Tektronix MSO 4054
Optical fiber Ocean Optics QP1000-2-UV-VIS
Lens kit (this kit contains the 75 mm f.l. lens) CVI Optics LK-24-C-1064
Reagent/Material list
Synthetic silicate sample Brammer Standard Company GBW 07704
Synthetic silicate sample Brammer Standard Company GBW 07705
Synthetic silicate sample Brammer Standard Company GBW 07706
Synthetic silicate sample Brammer Standard Company GBW 07708
Synthetic silicate sample Brammer Standard Company GBW 07709
Aluminum caps (for pressing synthetic silicate samples) SCP Science 040-080-001

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics