Avhengighet av laser-indusert sammenbrudd spektroskopi Resultater på puls energier og tidsparametrene bruke jord simulants

1Department of Math and Sciences, Alvernia University, 2Applied Research Associates (ARA), Inc.
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 gjenkjenning evner på jord simulants ble testet ved hjelp av en rekke puls energier og tidsparametrene. Kalibreringskurver ble brukt til å bestemme påvisningsgrenser og følsomheter for forskjellige parametere. Generelt er resultatene viste at det ikke var en signifikant reduksjon i deteksjon ved bruk av lavere puls energier og ikke-gated deteksjon.

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

Avhengigheten av noen libs gjenkjenning evner på lavere puls energier (<100 MJ) og timing parametre ble undersøkt ved hjelp av syntetiske silikat prøver. Disse prøver ble brukt som simulants til jord og inneholdt mindre og sporelementer som vanligvis finnes i jordsmonnet på et bredt spekter av konsentrasjoner. For denne studien ble over 100 kalibreringskurver utarbeidet med ulike puls energier og tidsparametrene; deteksjonsgrenser og sensitiviteter ble bestemt fra kalibreringskurvene. Plasma temperaturer ble også målt ved hjelp av Boltzmann tomter for de ulike energier og tidsparametrene testet. Den elektrontettheten i plasma ble beregnet ved hjelp av full-bredde halv maksimum (FWHM) på hydrogen linje ved 656,5 nm i løpet av de energier som ble testet. Totalt sett indikerer resultatene at bruken av lavere puls energier og ikke-gated deteksjon ikke alvorlig kompromittere de analytiske resultater. Disse resultatene er svært relevant for utforming av feltog person bærbar libs instrumenter.

Introduction

Laser-indusert nedbrytning spektroskopi (LIBS) er en enkel metode for elementanalyse som bruker en lasergenererte gnist som eksitasjon kilde. Den laserpuls er fokusert på en overflate som varmer, ablates, forstøver, og ioniserer overflatematerialet resulterer i dannelse av plasma. Plasma lyset spektralt løst og oppdaget og elementer er identifisert av deres spektrale signaturer. Hvis den er riktig kalibrert, kan LIBS gi kvantitative resultater. LIBS kan analysere faste stoffer, gasser og væsker med liten eller ingen prøvepreparering. Ett Disse egenskapene gjør det ideelt for analyser som ikke kan bli utført i laboratoriet.

Foreløpig LIBS blir studert for mange forskjellige programmer spesielt de som krever feltbaserte målinger for kvantifisering. 1-8 Dette krever utvikling av LIBS instrumentering ved hjelp av robuste og kompakte komponenter egnet for en feltbasert system. I de fleste tilfeller erSE komponenter vil ikke ha alle funksjoner på laboratoriebasert instrumentering, dermed går på bekostning analysen ytelse. LIBS resultater er avhengig av laserpulsparametere og andre målebetingelser som omfatter sampling geometri, omgivende atmosfære, og bruken av gated eller ikke-gated deteksjon. 9-12 For feltbasert LIBS instrumentering, to viktige faktorer å vurdere er pulsenergien og bruken av gated versus ikke-gated deteksjon. Disse to faktorer bestemmer i stor grad kostnaden, størrelsen og kompleksiteten av LIBS instrument. Små, robust bygget lasere som kan generere pulser 10-50 mJ ved repetisjonshastigheter på 0,3 til 10 Hz er kommersielt tilgjengelige, og vil være svært fordelaktig å bruke. Derfor er det viktig å kjenne hvilken, om noen, vil tap av gjenkjenning kapasiteter resulterer fra anvendelse av disse lasere. Den pulsenergi er en viktig parameter for LIBS som det bestemmer mengden av materiale ablateres, og fordampet, og eksitasjon characteristics av ​​plasmaet. I tillegg kan bruken av gated deteksjon øke kostnaden av LIBS-system, som et resultat, er det viktig å fastslå forskjellene mellom spektra og deteksjon ved hjelp gated og ikke-gated deteksjon.

Nylig ble en studie utført sammenligne gated deteksjon av ikke-gated deteksjon for mindre elementer som finnes i stål. Resultatene viste at deteksjonsgrensene var sammenlignbare om ikke bedre for ikke-gated deteksjon. 12. En viktig egenskap ved LIBS er at teknikken opplever fysiske og kjemiske matrix effekter. Et eksempel på det første er at laser puls par mer effektivt med dirigering / metalloverflater enn ikke-ledende overflater. 13 For denne studien ønsket vi å fastslå effekten av parametrene puls energi og timing for ikke-ledende materialer som jord simulants.

Selv om, har felt portable LIBS instrumenter blitt utviklet og benyttetfor enkelte programmer, har en omfattende studie på gjenkjenning evner ikke utført sammenligne høyere energi og gated systemer til lavere systemer energi og ikke-gated bruke jord simulants. Denne studien fokuserer på parametere laserpuls energi og timing for bestemmelse av sporstoffer i komplekse matriser. Den laserpulsenergi varierte fra 10 til 100 mJ for å oppnå en sammenligning mellom lavere og høyere energier. En sammenligning av bruken av gated versus ikke-gated påvisning ble også utført over samme energiområdet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Laser System

  1. Bruk laser-pulser som er produsert av en Q-koblet Nd: YAG-laser som drives ved 1064 nm og ved 10 Hz.
  2. Fokuser laser pulser på prøven med en 75 mm brennvidde.
  3. Samle plasma lys med en optisk fiber pekt på og plassert nær plasma dannet på prøven.
  4. Bruk en Echelle spektrograf / ICCD å spektralt besluttsomhet og registrere LIBS spekteret.
  5. Betjene ICCD i både ikke-gated og gated modusene ved hjelp av en gevinst på 125.
  6. Bruk en 0 usekunder tidsforsinkelse (t d) i ikke-gated modus og en 1 usekunder t d i gated modus.
  7. For begge modi bruker en portbredde (t b) og 20 usekunder med 3 sek eksponering (integrering av plasma-lampen på ICCD kamerabrikke), og dette vil resultere i 30 individuelle laser skudd som blir tilsatt for å gi hvert spektrum.
  8. Spill inn en totalt fem slike spektra for hver prøve analysert.
  9. Bruk en digital forsinkelsesgenerator for å styre timing mellom laser og ICCD gate puls. Det eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1..
  10. Bekrefte timing med et oscilloskop.
  11. Betjen laser på puls energier av 10, 25, 50 og 100 mJ som bruker både ikke-gated og gated deteksjon.
  12. Kontinuerlig overvåke laser energi og justere til rette for drift, om nødvendig.
  13. Sikkerhets betraktning: Nd:. YAG-laser er en klasse IV laser; slitasje passende laser vernebriller til alle tider når du bruker laser og etablere rom låsene i forbindelse med rommet døren og laser 14

2. Prøver og Prøvepreparering

  1. Bruk syntetiske silikat sertifisert referansemateriale med kjente elementkonsentrasjoner som prøver, og disse etterligne vanlige jordprøver med mindre og spor av utvalgte elementer som spenner over en rekke konsentrasjoner.
  2. Konsentrasjonen av sporelementene varierte fra noen få ppm til 10.000 ppm. Tabell1 lister elementene overvåket her inkludert deres linjetyper og bølgelengdene som brukes for analyse. De linjetyper merket som I og II betegner nøytrale atomer eller en enkeltvis ioniserte atomer, henholdsvis. Den felles basissammensetning av hver silikat prøven er SiO2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO 3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2,5%), og K 2 SO 4 (2,5%).
  3. Trykk prøvene inn i 31 mm diameter pelleter ved hjelp av et hydraulisk trykk for å skape en glatt overflate for LIBS-analyse. Den glatte overflaten bidrar til å skape konsistens med libs resultater.
  4. Analysere en ny prøve spot for hvert spektrum registrert.
  5. Sikkerhets betraktning: De syntetiske silikat prøvene inneholder en rekke elementer ved forskjellige konsentrasjoner, bruk hansker under håndtering.

Tre. Forbereder kalibreringskurver

  1. Forbered kalibreringskurver for varilige elementer i både gated og ikke-gated påvisning over området av laser energier som ble testet.
  2. Gjør disse kurvene ved å plotte topparealet eller ratioed topparealet (y-akse) mot element konsentrasjon (x-aksen).
  3. Bruk en lineær trendlinjen for å passe til kalibreringskurven. [Skjermbilde 1]
  4. Beregn deteksjonsgrenser ved hjelp 3σ deteksjon som definert av IUPAC. 15 [beregning 1]

4. Plasma Temperatur Bestemmelse

  1. Mål plasma temperaturer fra Boltzmann tomter.
  2. Bruk et sett av jern linjer [Fe (I)] mellom bølgelengder av 371-408 nm å skape Boltzmann tomter hjelp: ln (Iλ / GA) =-E u / kT - ln (4ρZ/hcN 0) (Eq. 1) hvor I er intensiteten av overgangen som bestemt fra topp-området, er λ bølgelengden, er en overgangssannsynlighet, er g degenerasjonen av overgangen, E u er den øvre tilstand for utslipp, k er Boltzmanns konstant, T er temperaturen,Z er partisjonen funksjon, h er Plancks konstant, c er lysets hastighet, N 0 er den totale arter populasjonen.
  3. Valgte Fe linjer som har kjente E u, g, og A-verdier.
  • De Fe (I) linjer som brukes her er 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • E u, g, og A-verdier kan finnes på denne nettsiden ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Sørg for å velge alternativet for å vise "g" under tilleggskriterier merket som nivå.
  • Bruk E k og g k verdier.
  1. For å bestemme temperatur, tomt ln (Iλ / GA) mot E u og tilpasse dataene med en lineær trendlinje;. Skråningen er lik til -1/kT 16,17 [skjermbilde 2]

5. Elektrontettheten Bestemmelse

  1. For å måle den elektron tetthet, bruker den fulle bredde ved halv maksimum (FWHM) på hydrogen linje ved 656,5 nm.
  2. Ta disse dataene ved hjelp t d = 0,5 usekunder og t b = 4,5 usekunder på ICCD.
  3. Mål FWHM av hydrogenlinje. [Skjermbilde 3]
  4. Beregn elektrontettheten ved hjelp av: N e = 8,02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (Eq. 2), hvor N e er elektrontettheten, Δλ 1/2 er den målte FWHM av hydrogen linje, og α halvdel er redusert bølgelengde som er en funksjon av temperaturen og elektrontettheten. Verdiene for de reduserte bølgelengder er gitt i Griem sin Vedlegg IIIa. 16-18
  5. Beregn elektrontettheten ved hjelp av en temperatur på 10 000 K (dette var nær den gjennomsnittlige temperaturen i plasma). [Skjermbilde 4]

6. Arbeid opp alle dataene ved hjelp av et programsom kan avgjøre topparealer og / eller Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Effekt av laserpulsenergi og deteksjonsmodi på deteksjonsfunksjoner. LIBS-spektra av de syntetiske silikat prøver ble tatt opp med gated og ikke-gated påvisning over området av laserpuls energier som ble testet. Over 100 kalibreringskurver ble konstruert fra disse data for å evaluere effekten av laserpulsenergi. Kalibreringskurver ble fremstilt ved (1) ved hjelp av arealet under toppen analytten og (2) ved å ratioing området av analytten topp til området av jern topp ved 405,58 nm. Den jernkonsentrasjonen var ensartet mellom prøvene, og derfor ble det brukt som en intern standard. Ratioing analytten området til det område av en indre standard-element kan øke måle reproduserbarhet spesielt hvis det er skudd-til-skudd laserenergisvingninger. Den følsomhet (kalibreringskurve helling) og deteksjonsgrense data ved hjelp av både ikke-inngjerdet og gated deteksjons modusene er vist i tabell 2, 3, 4 og 5. I alle elementer, ved hjelp av de unratioed kalibreringskurver for både gated og ikke-gated deteksjon, det var en direkte korrelasjon mellom laserpulsenergi og følsomheten: følsomheten økes med energi. Derfor analytten signalene var større ved de høyere puls energier siden følsomheten er avhengig av analytten signal i forhold til sin konsentrasjon. Disse resultatene indikerer at høyere puls energier kan være nyttig for å øke svake analytt signaler. Generelt, når man sammenligner de ratioed følsomhetsdata for ikke-gated deteksjon, det var en liten nedgang i følsomhet som energi ble økt, og dette er mest sannsynlig på grunn av høyere bakgrunn i LIBS spekteret og er omtalt i avsnittet merket "effekt av laser energi-og deteksjonsmoduser på spektra. " Imidlertid, når man sammenligner de ratioed følsomhetsdata for gated deteksjon, følsomheten var forholdsvis konstant for de energier som ble testet, som forventet. Dette skyldestil det faktum at når analytten topparealene blir ratioed til et område av et element som ved en konstant konsentrasjon, er det en intern korrigering foregår som holder ratioed elementære områder relativt konstant. Disse data er vist i tabeller 2 og 3.

I kontrast til resultatene som oppnås for følsomheten i unratioed data, generelt, var det ikke en korrelasjon mellom påvisningsgrensen og laserpulsenergi, og dette antas da deteksjonsgrensen er avhengig av både sensitivitet og reproduserbarhet signal (tabell 4). Når man sammenligner de ratioed data til de ikke-ratioed data for både inngjerdet og ikke-gated diagnostisering, ratioed data overveiende utstilt lavere deteksjonsgrenser og generelt produsert bedre lineære sammenhenger enn de ikke-ratioed data, og disse resultatene indikerer at en intern standard kan være anvendes for å gi lavere påvisningsgrenser (tabell 4 og 5). De ratioed data også erhowed lavere prosent relativ standardavvik enn de ikke-ratioed data, og dette korrelerer direkte med deteksjonsgrensen resultatene blir lavere for de ratioed data enn de ikke-ratioed data.

Nærmere undersøkelse av de ikke-gated deteksjonsresultatene viste at ved de høyere laser-puls energier, kan noen av elementene viste ingen korrelasjon (R 2 <0,7), dette hovedsakelig påvirket bestemmelse av bly og mangan. Siden det var en mer intens plasma ved høyere energier, og noen av de spektrallinjer ble svakt utydeliggjøres med ikke-gated deteksjon ved de høyere puls energi på grunn av den høye bakgrunn av kontinuum i LIBS-spektrum; dette høyere bakgrunn sannsynligvis forårsaket dårlig lineære sammenhenger med bly og mangan. Denne bakgrunnen er nærmere forklart i "effekt av laserenergi og deteksjonsmodi på spektra" nedenfor. I tillegg var det noen få tilfeller med resultatene for ikke-gated deteksjonsgrenser der no korrelasjon ble observert for de unratioed data, men en korrelasjon er innhentet fra ratioed data. Fra dette kan vi konkludere med at ratioing de elementære signal til et annet element bidrar til å forbedre sammenhenger bruker unratioed elementære signaler. Generelt er prosessen med ratioing området av analytten elementet til området av en indre standard-element viste seg å gi en korreksjon for noen svingninger i signalene på grunn av koblings forskjeller med laserpuls og prøven, og dette ble observert med de bedre lineære korrelasjoner av de ratioed data.

Effekt av laser energi-og deteksjonsmoduser på spektra. Slik det er velkjent, spektra tatt opp ved hjelp av gated deteksjon viser et nedre grunnlinje sammenlignet med spektrene tatt ved hjelp av ikke-gated modus. Dette kan sees ved sammenligning av spektrene av et syntetisk silikat sample GBW 07709 ved hjelp gated og ikke-gated deteksjon ved 10 mJ / puls i figurene 2a og b. Ingen selvopptatthet ble observert in spektrene ved å bruke gated påvisning over området puls energier som ble testet. Topparealene av elementene i de syntetiske silikat prøvene økte som laserpuls energi ble økt for gated deteksjon, og dette er mest sannsynlig på grunn av en større masse av prøven ablateres, og et større plasma resulterer i sterkere magnetisering. Lignende resultater ble oppnådd for ikke-gated deteksjon viser, generelt, en økning i signalet som pulsenergien ble økt. Resultatene kan sees i figur 3 for aluminium, magnesium og kalsium, nøytrale og ioniserte linjer.

Fig. 4 viser videre at bakgrunnen, økes tydelig som laserenergi ble økt for ikke-gated deteksjon. Dette førte til at spektrallinjer i enkelte regioner å bli bredere og mindre intens, og er mest sannsynlig på grunn av selvopptatthet og en økt bakgrunnen forårsaket av plasma kontinuum. Dette kan videre påvirke gjenkjenning evner ved høyere energier oger den mest sannsynlige grunn til at det ikke var noen korrelasjon ved de høyere laser-energi ved hjelp av ikke-gated deteksjon. For å unngå dette problemet, ville det være best å bruke lavere puls energier med ikke-gated gjenkjenning.

Effekt av laser energi-og deteksjons moduser avhengig av temperatur og elektrontettheten. Ved hjelp av Boltzmann plottene, ble den gjennomsnittlige temperaturen i plasma dannet på en simulant prøve bestemmes som en funksjon av laserenergi for både kontinuerlige og gated måter for påvisning. En typisk Boltzmann plott er vist i figur 5.. Resultatene viser at temperaturen av plasmaet var forholdsvis konstant for de energier som ble testet for både deteksjonsmodi. Plasma temperaturene varierte fra 10.000-11.000 K i ikke-inngjerdet modus og 8100 til 8700 K i gated modus. Ikke-gated modus operasjon produseres noe høyere temperaturer, og dette er fornuftig at den tidligste del av plasmadannelse overvåkes i ikke-gated modus.

< p class = "jove_content"> Den gjennomsnittlige elektrontettheten i plasma ble målt ved anvendelse av FWHM av hydrogen linje ved 656,2 nm og en tidsforsinkelse på 0,5 usekunder med en portbredde på 4,5 usekunder. Hydrogen linje kan stamme både fra luften og det syntetiske silikat prøven. Tilstrekkelig hydrogen signal ble innhentet på alle energier testet. Elektrontettheten økt med energi 1,5 til 2,0 x 10 17 cm -3, noe som indikerer en liten økning i elektrontettheten over en 10-fold økning i energi.

Figur 1
Figur 1. Et diagram av LIBS oppsett. Dette viser den generelle oppsett for LIBS eksperimentet brukes for denne analysen. Klikk her for å se større bilde.

re to "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Figur 2. En typisk LIBS-spektrum (10 mJ) av syntetisk silikat prøve 07 709 (a) ved hjelp av gated deteksjon av 0 usekunder tidsforsinkelse, og en 20 usekunder portbredde, og (b) bruk av ikke-gated deteksjon av en usekunder tidsforsinkelse, og en 20 usekunder portbredde . Klikk her for å se større bilde.

Figur 3
Figur 3. En sammenligning av normaliserte topparealene til Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I), og Ca (II) i det syntetiske silikat prøven 07709 over området av energier testet for både ikke-gated (t d = 0 usekunder) og gated deteksjon (t d = 1 usekunder). Klikk her for å se større bilde.

Figur 4
Figur 4. Den LIBS spektra for syntetisk silikat prøven 07709 ved hjelp av ikke-gated deteksjon ved 10, 25, 50, og 100 mJ. Klikk her for å se større bilde.

Figur 5
Figur 5. En typisk Boltzmann plot. Denne informasjonen kommer fra å bruke 25 mJ energi med en usekunder tidsforsinkelse. Hvert punkt representerer et gjennomsnitt på fem forsøk. Klikk her for å se større bilde.

Element Line type Bølgelengde (nm) </ Td>
Ba (II) 493,41
Vær * (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

Tabell 1. Spektral informasjon for de elementene som er analysert i de syntetiske silikat prøvene. Denne tabell inneholder elementært symbol, linjetypen, og bølgelengden (e) som brukes for analysen. * For disse elementene de tett linjeavstand ikke ble løst. I dette tilfellet, ble det totale areal under de uløste linjene bestemt. Fe ** var ved konstant konsentrasjon isyntetiske silikat prøvene, og dette element ble brukt til å ratio de andre analytt topparealene.

<td> Ti
Sensitiviteter (x10 4 ppm -1) for ratioed data ved hjelp av et 0 usekunder t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9.0 8.3 5,0
Vær 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
Følsomhet for Unratioed data ved hjelp av et 0 usekunder t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
Vær 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

Tabell 2. Sensitiviteter for 0 usekunder tidsforsinkelse data. Disse ble hentet fra bakken av den lineære kalibreringskurver for ulike elementer ved bruk av ikke-gated (t d = 0 usekunder) deteksjon over området energier testet. For de ratioed sensitivitet, ble analytten elementært område ratioed til en Fe (I) linje. NC = ingen sammenheng: R 2 <0,7.

Sensitiviteter (x10m 4 ppm -1) for ratioed data ved hjelp av en mS t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9.9 10 10 8.4
Vær 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
Følsomhet for Unratioed data ved hjelp av en mS t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
Vær 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

Tabell 3. Sensitiviteter for en mS tidsforsinkelse data. Disse ble hentet fra bakken av den lineære kalibreringskurver for ulike elementer med gated (t d = 1 mS) deteksjon over området energier testet. For de ratioed sensitivitet, ble analytten elementært område ratioed til en Fe (I) linje.

Deteksjonsgrenser for ratioed data ved hjelp av et 0 usekunder t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 310 (0.99) 310 (0.99) 280 (0.99) 610 (0,96)
Vær 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 3.200 (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)
Deteksjonsgrenser for Unratioed data ved hjelp av et 0 usekunder t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 660 (0.92) 450 (0,99) 480 (0.76) 830 (0,93)
Vær 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)

Tabell 4. Deteksjonsgrense data for en 0 usekunder tidsforsinkelse. Deteksjonsgrensen data som vises i ppm ved hjelp av en 0 usekunder tidsforsinkelse i løpet av de ulike laser energier som viser både ratioed og unratioed data. De lineære diagram korrelasjoner (R 2) er i parenteser. NC betyr ingen korrelasjon ble observert (R 2 <0,7). For de ratioed sensitivitet, ble analytten elementært område ratioed til en Fe (I) linje.

10 mJ

Tabell 5. Deteksjonsgrense data for en en usekunder tidsforsinkelse. Deteksjonsgrensen data er vist ved hjelp av en en usekunder tidsforsinkelse i løpet av de ulike laser energier som viser både ratioed og unratioed data. De lineære diagram korrelasjoner (R 2) er i parenteser. For de ratioed sensitivitet, ble analytten elementært område ratioed til en Fe (I) linje.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved sammenligning av ikke-gated og gated deteksjonsmodi, deteksjonsgrensen data viser at gated deteksjonsmodus tillates for deteksjon av alle elementene, inkludert de som ikke ble observert ved bruk av høyere laser-energien i ikke-gated deteksjonsmodus. Ved hjelp gated deteksjon, blir den innledende høy bakgrunn fra dannelsen av plasmaet ikke observert og bakgrunnen reduseres viser de elementære utslipp bedre løst. Videre deteksjonsgrensene var noe lavere ved hjelp gated deteksjon.

Vanligvis var det tilsvarende deteksjonsgrenser beregnet over området av energier som ble testet for både gated og ikke-gated deteksjon. Det var et par tilfeller hvor deteksjonsgrensene var høyere ved hjelp av høyere energier med ikke-gated deteksjon, dette var mest sannsynlig på grunn av den økte bakgrunn i LIBS spekteret.

Siden det ikke var en stor forandring i elektrontettheten og plasma-temperatur over en 10 -fold økning i energi, bør disse faktorene ikke påvirke gjenkjenning evner over laser energier testet. Dette er i samsvar med våre resultater viser ingen stor nedgang i deteksjonsgrenser med økt puls energi.

Fra de data som presenteres, kan noen konklusjoner bli foretatt ved bruk av laser-puls energier av 10-100 mJ og ulike tidsparametre for bestemmelse av sporelementer i jordstimulerende midler. Lavere energier av 10 og 25 mJ gitt lignende deteksjonsgrenser til de som oppnås ved 50 og 100 mJ. Dette viser at bruken av lavere puls energier ikke vesentlig forringe deteksjonsfunksjoner, og at bruken av en lavere energi, som er nødvendig for personen portable LIBS instrumentering, ikke vil redusere deteksjonsfunksjoner. Resultatene viste også at ratioed data produsert lavere deteksjonsgrenser enn ikke-ratioed data. Derfor kan de deteksjons egenskapene til en kompakt LIBS-systemet forbedres ved hjelp av en internal standard for å bidra til å normal resultatene.

Ved sammenligning av spektrene mellom ikke-gated og gated deteksjonsmodi, ble det funnet at spektrene tatt opp ved hjelp av gated deteksjon produsert en nedre grunnlinje, og de elementære emisjonslinjer ble mer tydelig løst i noen av elementene. Også litt lavere deteksjonsgrenser ble oppnådd ved hjelp gated påvisning over laser energier som ble testet. Dette viser at det vil bli et mindre tap i gjenkjenning evner ved bruk av ikke-gated modus deteksjon for jord simulants brukt her.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble finansiert gjennom US Department of Energy, Office of Science.

Materials

Deteksjonsgrenser for ratioed data ved hjelp av en en usekunder t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 93 (0.99) 170 (0.99) 160 (0.99) 170 (0.99)
Vær 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)
Deteksjonsgrenser for Unratioed data ved hjelp av en en usekunder t d
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0,86) 280 (0,82) 190 (0.96) 340 (0,86)
Vær 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) 1.300 (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