Beroendet av laser-inducerade Breakdown Spectroscopy resultat på pulsenergier och tidsparametrar använda jord 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 detektionskapacitet på mark simulatorer testades med hjälp av en rad olika pulsenergier och tidsparametrar. Kalibreringskurvor användes för att bestämma detektionsgränser och känslighet för olika parametrar. Generellt visade resultaten att det inte fanns en signifikant minskning av detektionskapacitet med hjälp av lägre pulsenergier och icke-gated upptäckt.

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

Beroendet av vissa LIBS detektionskapacitet på lägre puls energier (<100 mJ) och tidsparametrar undersöktes med hjälp av syntetiska silikat prover. Dessa prov användes som simulatorer för jord och innehöll mindre och spårämnen som är vanliga i jorden på ett brett intervall av koncentrationer. För denna studie har över 100 kalibreringskurvorna ställas med användning av olika pulsenergier och tidsparametrar, gränser och känsliga detektions bestämdes utifrån kalibreringskurvorna. Plasma temperaturerna mättes också med hjälp av Boltzmann tomter för olika energier och tidsparametrar som testades. Elektrontätheten i plasman beräknades med hjälp av full bredd halv max (FWHM) av vätelinjen vid 656,5 nm över de testade energierna. Sammantaget tyder resultaten på att användningen av lägre pulsenergier och icke-gated upptäckt inte allvarligt äventyrar analysresultaten. Dessa resultat är mycket relevant för utformningen av fält-och person bärbara LIBS instrument.

Introduction

Laser-inducerad nedbrytning spektroskopi (LIBS) är en enkel metod för elementaranalys som använder en lasergenererad gnista som exciteringskälla. Den laserpuls är fokuserad på en yta, som värmer, ablates, finfördelar och joniserar ytmaterial vilket resulterar i bildningen av plasma. Plasmalampan spektralt löst och upptäcks och element identifieras av deras spektrala signaturer. Om rätt kalibrerad, kan LIBS ge kvantitativa resultat. LIBS kan analysera fasta ämnen, gaser och vätskor med liten eller ingen provberedning. 1 Dessa egenskaper gör den idealisk för analyser som inte kan utföras i laboratoriet.

För närvarande, LIBS studeras för många olika applikationer särskilt de som kräver fältbaserade mätningar för kvantifiering. 1-8 Detta kräver utveckling av LIBS instrumentering använda robusta och kompakta komponenter som lämpar sig för ett fältbaserat system. I de flesta fall, dense-komponenter kommer inte att ha den fulla kapaciteten hos laboratoriebaserad instrumentering, vilket påverkar analysprestanda. LIBS resultat är beroende av laserpulsparametrar och andra mätförhållanden som omfattar provtagning geometri, omgivande atmosfären, och användandet av gated eller icke-gated upptäckt. 9-12 För fältbaserad LIBS instrumentering, två viktiga faktorer att tänka på är pulsenergi och användningen av gated kontra icke-gated upptäckt. Dessa två faktorer bestämmer i hög grad kostnaden, storleken och komplexiteten av LIBS instrumentet. Små, robust byggda lasrar som kan generera pulser 10-50 mJ vid repetitionsfrekvenser på 0,3 till 10 Hz är kommersiellt tillgängliga och skulle vara mycket fördelaktigt att använda. Därför är det viktigt att veta vilka, om några, kommer förlusten i detektionskapacitet bero på användningen av dessa lasrar. Puls energi är en viktig parameter för LIBS eftersom det avgör hur mycket material som borttagen och förångas och excitation rödingskaper plasman. Dessutom kan användningen av gated detektering ökar kostnaden för LIBS systemet, som ett resultat, är det nödvändigt att bestämma skillnaderna mellan spektra och detektionskapacitet med användning gated och icke-gated detektering.

Nyligen genomfördes en studie utförd jämföra gated upptäckt att icke-gated upptäckt för mindre element som finns i stål. Resultaten visade att den påvisbara gränsen var jämförbara, om inte bättre för icke-gated detektering. 12 En viktig egenskap hos LIBS är att tekniken upplever fysiska och kemiska matriseffekter. Ett exempel på det förra är att laserpuls par mer effektivt med ledande / metallytor än icke-ledande ytor. 13 För denna studie ville vi bestämma effekterna av puls energi-och tidsparametrar för icke-ledande material såsom jord simulatorer.

Även om, har fält bärbara LIBS instrument utvecklats och använtsför vissa tillämpningar, har en omfattande studie om detektionsförmågan inte utförts jämföra högre energi-och gated system till lägre energi-och icke-gated system med mark simulatorer. Denna studie fokuserar på laserpuls energi-och tidsparametrar för bestämning av spårelement i komplexa matriser. Lasern pulsenergin varierade från 10 till 100 mJ för att erhålla en jämförelse mellan lägre och högre energier. En jämförelse av användningen av gated kontra icke-gated detektion utfördes också över samma energiområde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Lasersystem

  1. Använd laserpulser producerade av en Q-switchad Nd: YAG-laser som arbetar vid 1064 nm och vid 10 Hz.
  2. Fokus laserpulserna på provet med en 75 mm brännvidd.
  3. Samla upp plasma ljus med en optisk fiber, som pekas på och placeras nära plasmat bildats på provet.
  4. Använd en Echelle spektrograf / ICCD att spektralt beslutsamhet och registrera LIBS spektrumet.
  5. Använd ICCD i både icke-gated och gated lägen med en vinst på 125.
  6. Använd en 0 ^ sek fördröjning (t d) i icke-gated läge och en 1 isek t d i gated läge.
  7. För båda lägena, använd en grind bredd (t b) 20 ^ sek med 3 sek exponering (integrera plasmalampan på ICCD kamerachip), vilket kommer att resultera i 30 olika laserskott läggs för att producera varje spektrum.
  8. Spela in totalt fem sådana spektra för varje prov analyserats.
  9. Använd en digital fördröjningsgenerator för att styra tIMing mellan lasern och ICCD grindpulsen. Den experimentella inrättat visas i figur 1.
  10. Kontrollera timingen med ett oscilloskop.
  11. Styr lasern vid pulsenergierna 10, 25, 50 och 100 mJ med både icke-gated och gated upptäckt.
  12. Ska övervakas kontinuerligt laserenergi och justera för att korrigera för drift, om nödvändigt.
  13. Säkerhets Hänsyn: Nd:. YAG-laser är en klass IV laser, bära lämpliga laserskyddsglasögon vid alla tillfällen när du använder lasern och etablera rums förreglingar i samband med rumsdörren och laser 14

2. Prover och Provberedning

  1. Använd syntetiska silikat certifierade referensmaterial med kända elementhalter som prover, dessa efterlikna vanliga jordprover med mindre och spårmängder av utvalda element som spänner över en rad olika koncentrationer.
  2. Koncentrationerna av spårämnena varierade från några få ppm till 10000 ppm. Tabell1 listar de element övervakas här inklusive deras linjetyper och våglängder som används för analys. De linjetyper märkta som I och II betecknar neutrala atomer eller en enstaka joniserade atomer, respektive. Den gemensamma basen sammansättningen av varje silikat provet är SiO 2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO 3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2,5%), och K 2 SO 4 (2,5%).
  3. Tryck proverna till pellets diameter 31 mm med hjälp av en hydraulisk press för att skapa en slät yta för LIBS analys. Den släta ytan bidrar till att skapa enhetlighet med biblioteken resultat.
  4. Analysera ett nytt prov plats för varje spektrum registreras.
  5. Säkerhets övervägande: De syntetiska silikat proverna innehåller en mängd olika faktorer vid olika koncentrationer, bära handskar vid hantering.

3. Förbereda Kalibreringskurvor

  1. Förbered kalibreringskurvor för den rörligaOU element i både gated och icke-gated upptäckt över området laser energier testade.
  2. Gör dessa kurvor genom att plotta toppområdet eller det ratioed topparean (y-axel) mot elementet koncentration (x-axeln).
  3. Använd en linjär trendlinje för att passa med kalibreringskurvan. [Skärmdump 1]
  4. Beräkna detektionsgränser med hjälp 3σ detektering enligt definitionen IUPAC. 15 [beräkning 1]

4. Plasma temperaturbestämning

  1. Mät plasma temperaturer från Boltzmann tomter.
  2. Använd en uppsättning av järn linjer [Fe (I)] mellan våglängder av 371-408 nm för att skapa Boltzmann tomter använder: ln (Iλ / gA) =-E u / kT - ln (4ρZ/hcN 0) (Ekv. 1) där I är intensiteten för den övergång som bestämdes från topparean är λ våglängden, A är övergångssannolikheten, g är degenereringen av den övergång, E u är det övre tillståndet för utsläpp, k är Boltzmanns konstant, T är den temperatur,Z är partitionsfunktionen h är Plancks konstant, c är ljusets hastighet, N 0 är den totala arter populationen.
  3. Valde Fe linjer som har känt E u, g, och A-värden.
  • De Fe (I) linjer som används här är 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • E u, g, och A-värden kan hittas på denna webbplats ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Se till att välja alternativet för att visa "g" under ytterligare kriterier märkta som informationsnivå.
  • Använd E k och g-k-värden.
  1. För att bestämma temperatur, plot ln (Iλ / GA) mot E u och passar data med en linjär trendlinje;. Lutningen är lika med -1/kT 16,17 [skärmdump 2]

5. Electron Density Determination

  1. För att mäta den elektron densitet, använda hela bredden vid halva maximum (FWHM) av vätelinjen vid 656,5 nm.
  2. Ta dessa data med hjälp av t d = 0,5 ^ sek och t b = 4,5 ps på ICCD.
  3. Mät FWHM av vätet linje. [Skärmdump 3]
  4. Beräkna elektrontätheten genom att använda: N e = 8,02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (ekvation 2) där N e är elektrondensiteten, Δλ 1/2 är den uppmätta FWHM av väte linje och α 1/2 är den reducerad våglängd, som är en funktion av temperatur och elektrondensitet. Värdena för de reducerade våglängder finns i Griem s bilaga IIIa. 16-18
  5. Beräkna elektrontätheten med användning av en temperatur av 10.000 K (detta var nära den genomsnittliga temperaturen i plasma). [Skärmdump 4]

6. Arbeta upp alla data med ett programsom kan avgöra toppområdena och / eller Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Effekt av laserpulsenergi och lägen upptäckt på detekteringskapaciteten. LIBS spektra av de syntetiska silikat prover registrerades med hjälp av gated och icke-gated upptäckt över utbudet av laserpulsenergier testade. Över 100 Kalibreringskurvor konstruerades från dessa data för att utvärdera effekten av laserpulsenergin. Kalibreringskurvor framställdes genom att (1) med användning av arean under analyttoppen och (2) genom proportionerings området för analyttoppen till arean hos järn topp vid 405,58 nm. Järnhalten var jämn mellan prover, och därför var det används som en intern standard. Proportioneringsanalytområdet till området av en inre standardelement kan öka mätning reproducerbarhet särskilt om det finns inspelat-to-shot laserenergifluktuationer. Detektionskänsligheten (kalibreringskurva lutning) och begränsa detekteringsdata med användning av både icke-gated och gated lägen detektions visas i tabellerna 2, 3, 4 och 5. För alla delar, med hjälp av unratioed kalibreringskurvorna för både gated och icke-gated upptäckt, det fanns ett direkt samband mellan laserpulsenergi och känsligheten: känsligheten ökade med energi. Därför var de analyt signaler större vid de högre pulsenergier eftersom känsligheten är beroende av analytsignalen i förhållande till dess koncentration. Dessa resultat indikerar att högre pulsenergier kan vara användbart för att öka svaga analyt signaler. I allmänhet när man jämför ratioed känslighetsdata för icke-gated upptäckt, fanns det en liten minskning i känslighet som den energi ökades, det är mest sannolikt på grund av den högre bakgrunden i LIBS spektrum och diskuteras i det avsnitt som heter "effekt av laserenergi och detektionslägen på spektra. " Men när man jämför ratioed känslighetsdata för gated upptäckt, känsligheten var relativt konstant under de olika energierna som testades, som förväntat. Detta berorpå det faktum att när analyten toppytorna ratioed till en yta på ett element som är vid en konstant koncentration, det finns en intern korrektion äger rum som håller ratioed elementära områden relativt konstant. Dessa data visas i tabellerna 2 och 3.

I motsats till de resultat som erhölls för känsligheten i de unratioed data, i allmänhet, det inte fanns en korrelation mellan detektionsgränsen och laserpulsenergin, vilket förväntas eftersom detektionsgränsen beror både känslighet och signalen reproducerbarhet (Tabell 4). När man jämför de ratioed data till de icke-ratioed uppgifter för både gated och icke-gated upptäckt, de ratioed uppgifterna främst uppvisade lägre detektionsgränser och allmänt producerade bättre linjära korrelationer än de icke-ratioed data, indikerar dessa resultat att en inre standard kan vara användas för att ge lägre detektionsgränser (tabellerna 4 och 5). De ratioed uppgifterna är ocksåhowed lägre procent relativa standardavvikelser än den icke-ratioed uppgifter, detta korrelerar direkt med detektionsgränsen resultatet är lägre för de ratioed data än de icke-ratioed data.

Ytterligare undersökning av de icke-gated detekteringsresultaten visade att vid de högre laserpulsenergier, vissa av elementen visade ingen korrelation (R 2 <0,7), som huvudsakligen påverkade bestämningen av bly och mangan. Eftersom det fanns en mera intensiv plasma vid högre energier, en del av de spektrala linjer var något skymd med icke-gated detektering vid de högre pulsenergier på grund av den höga bakgrunden av kontinuum i LIBS spektrum; denna högre bakgrund troligen orsakade dålig linjära korrelationer med bly och mangan. Denna bakgrund förklaras närmare i "effekten av laser energi-och detekteringslägen på spektra" nedan. Dessutom fanns det ett fåtal fall med resultaten för icke-gated detektionsgränser där no korrelation observerades för unratioed uppgifter men en korrelation erhölls från ratioed data. Av detta kan vi dra slutsatsen att proportioneringsgrundämnes signal till ett annat element hjälper till att förbättra korrelationer med hjälp av unratioed elementära signaler. Totalt sett processen för proportioneringsområdet analyten elementet till området av en inre standardelement föreföll att ge en korrigering för vissa fluktuationer i signalerna på grund av kopplings skillnader med laserpuls och provet, detta observerades med de bättre linjära korrelationer av de ratioed data.

Effekt av laser energi-och detekteringslägen på spektra. Som bekant, spektra som spelats in med gated upptäckt visar en lägre utgångsvärde jämfört med spektra tagna med hjälp av icke-gated läge. Detta kan ses vid jämförelse av spektra för ett syntetiskt silikat prov GBW 07709 med användning gated och icke-gated detektering vid 10 mJ / puls i figurerna 2a och b. Ingen självupptagobserverades in spektra med hjälp gated upptäckt över utbudet av pulsenergier testade. Toppområdena för elementen i de syntetiska silikat proverna ökade laserpulsenergi ökades för gated upptäckt, det är mest sannolikt på grund av en större massa prov borttagen och en större plasma resulterar i starkare excitation. Liknande resultat erhölls för icke-gated detektering som visar, i allmänhet en ökning av signal såsom pulsenergin ökades. Dessa resultat kan ses i Figur 3 för aluminium, magnesium och kalcium-neutrala och joniserade linjer.

Figur 4 visar vidare att bakgrunden ökar tydligt som laserenergi har ökat för icke-gated upptäckt. Detta orsakade spektrallinjerna i vissa områden för att bli bredare och mindre intensiv och är mest sannolikt på grund av själv-absorption och en ökad bakgrunds orsakas av plasmat kontinuum. Detta kan ytterligare påverka detektionsförmågan vid högre energier ochär den mest sannolika orsaken till varför det inte fanns någon korrelation vid högre laser energier som använder icke-gated upptäckt. För att undvika detta problem, skulle det vara bäst att använda lägre pulsenergier med icke-gated upptäckt.

Effekt av laserenergi och detekteringslägen på temperatur och elektrondensitet. Med hjälp av Boltzmann tomter, var den genomsnittliga temperaturen i plasma bildas på en simulator prov bestäms som en funktion av laserenergi för både kontinuerliga och gated sätt upptäckt. En typisk Boltzmann diagram visas i figur 5. Resultaten visar, att temperaturen hos den plasma var relativt konstant över intervallet av energier som testades för både detekteringslägen. Plasma temperaturen varierade från 10,000-11,000 K i icke-gated läge och 8.100 till 8.700 K i gated läge. Icke-gated mod producerade något högre temperaturer, vilket är rimligt eftersom den tidigaste delen av plasmabildningen övervakas i icke-gated läge.

< p class = "jove_content"> Den genomsnittliga elektrondensiteten hos plasman mättes med användning av FWHM av vätet linjen vid 656,2 nm och en tidsfördröjning på 0,5 ps med en grind bredd på 4,5 ps. Väte linje skulle kunna härröra från både luft och det syntetiska silikatet provet. Tillräckligt med väte signal erhölls vid alla energier som testades. Elektrontätheten ökade med energi från 1,5 till 2,0 x 10 17 cm -3, vilket tyder på en mindre ökning av elektrontäthet över en 10-faldig ökning av energi.

Figur 1
Figur 1. Ett diagram av LIBS installationen. Visar detta den allmänna inställningen till LIBS experimentet användes för denna analys. Klicka här för att visa en större bild.

re 2 "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Figur 2. En typisk LIBS spektrum (10 mJ) av syntetiskt silikat prov 07709 (a) med hjälp av gated upptäckt av 0 xsek tidsfördröjning och en 20 ps grindbredd och (b) att använda icke-gated upptäckt av 1 xsek tidsfördröjning och en 20 ps grindbredd . Klicka här för att visa en större bild.

Figur 3
Figur 3. En jämförelse av normaliserade toppytor för Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I), och Ca (II) i det syntetiska silikatet provet 07709 över intervallet av energier som testades för både icke-gated (t d = 0 ^ sek) och gated detektion (t d = 1 ^ sek). Klicka här för att visa en större bild.

Figur 4
Figur 4. Den LIBS spektra för syntetiskt silikat prov 07709 med hjälp av icke-gated detektering vid 10, 25, 50, och 100 mJ. Klicka här för att visa en större bild.

Figur 5
Figur 5. En typisk Boltzmann tomt. Uppgifterna kommer från att använda 25 mJ energi med en 1 isek tidsfördröjning. Varje punkt representerar ett genomsnitt av fem försök. Klicka här för att visa en större bild.

Beståndsdel Linje typ Våglängd (nm) </ Td>
Ba (II) 493,41
Vara * (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 information för de element som analyserats i de syntetiska silikat proven. Denna tabell innehåller elementärt symbol, linjetyp, och våglängden (er) som används för analysen. * För dessa element de tätt liggande linjer inte var löst. I detta fall var den totala arean under de olösta linjerna bestäms. ** Fe var vid konstant koncentration isyntetiska silikat prov, detta element användes för att förhållandet övriga analyttoppen områden.

<td> Ti
Känslighet (x10 4 ppm -1) för ratioed data med hjälp av en 0 ^ s t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9,0 8,3 5,0
Bli 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
Känslighet för Unratioed data med hjälp av en 0 ps t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
Bli 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. Känslighet för de 0 isek tidsfördröjning uppgifter. Dessa erhölls från sluttningarna av linjära kalibreringskurvor för olika element som använder icke-gated (t d = 0 ^ sek) upptäckt över olika energier som testades. För ratioed känslig var analyten elementärt område ratioed till en Fe (I) linje. NC = ingen korrelation: R 2 <0,7.

Känslighet (x10M 4 ppm -1) för ratioed data med hjälp av en 1 ^ s t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9,9 10 10 8,4
Bli 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
Känslighet för Unratioed data med hjälp av en 1 ^ s t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
Bli 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. Känslighet för de ^ s tidsfördröjningsdata 1. Dessa erhölls från sluttningarna av linjära kalibreringskurvor för olika element som använder gated (t d = 1 ^ s) upptäckt över olika energier som testades. För ratioed känslig var analyten elementärt område ratioed till en Fe (I) linje.

Detektionsgränser för ratioed data med hjälp av en 0 ps t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 310 (0,99) 310 (0,99) 280 (0,99) 610 (0,96)
Bli 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)
Detektionsgränser för Unratioed data med hjälp av en 0 ps t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 660 (0,92) 450 (0,99) 480 (0,76) 830 (0,93)
Bli 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. Detektionsgräns Data för en 0 isek tidsfördröjning. Detektionsgränsen data visas i ppm med hjälp av en 0 ^ sek tidsfördröjning över de olika laser energier som visar både ratioed och unratioed uppgifter. De linjära grafen korrelationer (R 2) är inom parentes. NC betyder ingen korrelation observerades (R2 <0,7). För ratioed känslig var analyten elementärt område ratioed till en Fe (I) linje.

10 mJ

Tabell 5. Detektionsgräns data för en 1 isek tidsfördröjning. Detektionsgränsen data visas med hjälp av en 1 isek tidsfördröjning över de olika laser energier som visar både ratioed och unratioed uppgifter. De linjära grafen korrelationer (R 2) är inom parentes. För ratioed känslig var analyten elementärt område ratioed till en Fe (I) linje.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vid en jämförelse av icke-gated och gated lägen upptäckt, detektionsgränsen data visar att den gated läge upptäckt tillåts för detektering av alla element inklusive de som inte sågs med hjälp av högre laser energier i icke-gated läge upptäckt. Med hjälp av gated upptäckt, är den initiala höga bakgrund från bildandet av plasma inte observeras och bakgrunden minskas visar elementär utsläpp bättre lösas. Dessutom detektionsgränserna var något lägre med gated upptäckt.

Generellt fanns det liknande detektionsgränser beräknats över utbudet av energierna som testades för både gated och icke-gated upptäckt. Det fanns några fall där detektionsgränserna var högre med hjälp av de högre energierna med icke-gated upptäckt, det var troligen på grund av den ökade bakgrunden i LIBS spektrumet.

Eftersom det inte var en stor förändring i elektrontäthet och plasmatemperaturer över en 10 -faldig ökning av energi, bör dessa faktorer inte påverka detektionskapacitet över laserenergierna som testades. Detta överensstämmer med våra resultat som visar ingen stor minskning av detektionsgränser med ökad pulsenergi.

Utifrån de uppgifter som presenteras, kan några slutsatser göras om användningen av laserpulsenergier 10-100 mJ och olika tidsparametrar för bestämning av spårelement i jord stimulantia. Lägre energierna 10 och 25 mJ förutsatt liknande detektionsgränser som de som uppnås vid 50 och 100 mJ. Detta visade att användningen av lägre pulsenergier inte avsevärt försämra detektionskapacitet, och att användningen av en lägre energi, som behövs för att personen bärbar LIBS instrumentering, inte kommer att minska möjligheterna för upptäckt. Resultaten visade också att ratioed uppgifter produceras lägre detektionsgränser än de icke-ratioed data. Därför kunde detekteringsfunktioner i en kompakt LIBS-system förbättras med hjälp av ett internationelltnella standard för att bidra till att normalisera resultaten.

Vid en jämförelse av spektra mellan icke-gated och gated lägen upptäckt, fann man att spektra spelats in med gated upptäckt producerade en lägre baslinjen och de elementära emissionslinjer blev tydligare beslutade för några av elementen. Dessutom var något lägre detektionsgränser erhålls med gated upptäckt över laserenergierna som testades. Detta visar att det kommer att bli en liten förlust i detektionskapacitet vid användning av icke-gated läge upptäckt för jord simulatorer som används här.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgements

Detta arbete har finansierats genom US Department of Energy, Office of Science.

Materials

Detektionsgränser för ratioed data med hjälp av en 1 ps t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 93 (0,99) 170 (0,99) 160 (0,99) 170 (0,99)
Bli 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)
Detektionsgränser för Unratioed data med hjälp av en 1 ps t d
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0,86) 280 (0,82) 190 (0,96) 340 (0,86)
Bli 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