Dipendenza della Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Risultati su energie di impulso e parametri di temporizzazione utilizzo di suolo Simulanti

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

Capacità di rilevazione LIBS su simulanti del suolo sono stati testati utilizzando una serie di energie di impulso e di parametri di temporizzazione. Le curve di calibrazione sono stati usati per determinare i limiti di rivelazione e sensibilità per i parametri diversi. Generalmente, i risultati hanno dimostrato che non vi era una riduzione significativa capacità di rivelazione che utilizzano energie di impulso inferiori e rilevazione non gated.

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

La dipendenza di alcune funzionalità di rilevamento LIBS su basse energie di impulso (<100 MJ) e parametri di temporizzazione sono stati esaminati utilizzando campioni di silicati sintetici. Questi campioni sono stati utilizzati come simulanti per il terreno e contenevano elementi minori ed in tracce si trovano comunemente nel suolo a una vasta gamma di concentrazioni. Per questo studio, oltre 100 curve di calibrazione sono stati preparati utilizzando diverse energie di impulso e parametri di temporizzazione, limiti di rivelazione e la sensibilità sono stati determinati dalle curve di calibrazione. Temperature del plasma sono stati misurati utilizzando trame Boltzmann per le varie energie e dei parametri di temporizzazione testati. La densità di elettroni del plasma è stato calcolato utilizzando la metà massimo tutta larghezza (FWHM) della linea idrogeno a 656,5 nm per le energie testati. Nel complesso, i risultati indicano che l'uso di energie di impulso inferiori e rilevazione non-dipendenti non compromettere seriamente i risultati analitici. Questi risultati sono molto rilevanti per la progettazione di campo-e strumenti LIBS persona-portatile.

Introduction

Spettroscopia ripartizione laser-indotta (LIBS) è un semplice metodo di analisi elementare che utilizza una scintilla generata laser come sorgente di eccitazione. L'impulso laser viene focalizzato su una superficie che riscalda, ablates, atomizza e ionizza il materiale di superficie con conseguente formazione di plasma. La luce plasma è spettralmente risolta e rilevato e gli elementi sono identificati dalle loro firme spettrali. Se opportunamente calibrato, LIBS in grado di fornire risultati quantitativi. LIBS possono analizzare solidi, gas e liquidi con poca o nessuna preparazione del campione. 1 Queste caratteristiche rendono ideale per analisi che non possono essere eseguite in laboratorio.

Attualmente, LIBS è stato studiato per diverse applicazioni soprattutto quelle che richiedono misurazioni sul campo per la quantificazione. 1-8 Ciò richiede lo sviluppo di strumentazione LIBS utilizzando componenti robusti e compatti adatti per un sistema basato campo. Nella maggior parte dei casi, lacomponenti sé non avrà tutte le funzionalità di strumentazione di laboratorio, compromettendo così le prestazioni di analisi. LIBS i risultati dipendono da parametri dell'impulso laser e le altre condizioni di misurazione che includono la geometria di campionamento, l'atmosfera circostante, e l'utilizzo della rilevazione gated o non-gated. 9-12 per sul campo-LIBS strumentazione, due fattori importanti da considerare sono l'energia dell'impulso e l'uso di gated contro rilevamento non-gated. Questi due fattori determinano in larga misura il costo, dimensioni e complessità dello strumento LIBS. Piccoli, laser robusto costruito in grado di generare impulsi 10-50 mJ a tassi di ripetizione di 0,3-10 Hz sono disponibili in commercio e sarebbe molto vantaggioso per l'uso. Pertanto, è importante conoscere l'eventuale perdita di capacità di rilevamento risulterà dall'uso di questi laser. L'energia di impulso è un parametro essenziale per LIBS quanto determina la quantità di materiale ablato e vaporizzato e il char eccitazionestiche del plasma. Inoltre, l'uso della rilevazione gated può aumentare il costo del sistema LIBS, di conseguenza, è indispensabile per determinare le differenze tra spettri e capacità di rilevamento utilizzando il rilevamento gated e non-gated.

Recentemente, uno studio è stato eseguito confrontando rilevamento gated di rilevazione senza gated per elementi minori trovati in acciaio. I risultati hanno mostrato che i limiti di rilevazione erano paragonabili, se non migliori per il rilevamento non-gated. 12 Una caratteristica importante di LIBS è che la tecnica sperimenta effetti matrice fisici e chimici. Un esempio del primo è che le coppie di impulsi laser più efficiente con superfici conduttive / metallo che non supporti conduttivi. 13 Per questo studio, abbiamo voluto determinare gli effetti dei parametri di energia di impulso di sincronizzazione e di materiali non conduttivi come simulanti suolo.

Anche se, in campo strumenti LIBS portatili sono stati sviluppati e utilizzatiper alcune applicazioni, uno studio completo sulle capacità di rilevamento non è stata eseguita confrontando maggiore energia e sistemi gated di sistemi energetici e di non-gated inferiori utilizzando simulanti suolo. Questo studio si concentra sui parametri laser a impulsi di energia e di temporizzazione per la determinazione di elementi in tracce in matrici complesse. L'energia dell'impulso laser variava da 10 a 100 mJ per ottenere un confronto tra le energie inferiori e superiori. Un confronto tra l'uso di gated contro rilevazione senza gated è stato effettuato anche durante lo stesso intervallo di energia.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Laser System

  1. Utilizzare impulsi laser prodotta con un Q-switched Nd: YAG laser operante a 1.064 nm ea 10 Hz.
  2. Mettere a fuoco gli impulsi laser sul campione con una lunghezza focale 75 millimetri.
  3. Raccogliere la luce plasma con una fibra ottica puntato e posto in prossimità del plasma formato sul campione.
  4. Utilizzare un Echelle spettrografo / ICCD di spettralmente determinazione e registrare lo spettro LIBS.
  5. Azionare l'ICCD in entrambe le modalità non-gated e gated con un guadagno di 125.
  6. Utilizzare un tempo di ritardo 0 msec (t d) in modalità non-dipendenti e di 1 msec t d in modalità gated.
  7. Per entrambe le modalità, utilizzare una larghezza di gate (t b) di 20 msec con esposizione sec 3 (integrazione della luce al plasma sul chip fotocamera ICCD); questo si tradurrà in 30 colpi laser singoli stati aggiunti per produrre ogni spettro.
  8. Registrare un totale di 5 tali spettri per ciascun campione analizzato.
  9. Utilizzare un generatore di ritardo digitale per controllare il tIMing tra il laser e il polso cancello ICCD. L'apparato sperimentale è mostrato in Figura 1.
  10. Verificare i tempi con un oscilloscopio.
  11. Azionare il laser ad energie di impulso di 10, 25, 50, e 100 mJ utilizzando il rilevamento entrambi non recintato e con cancello.
  12. Monitorare continuamente l'energia laser e regolare per correggere la deriva, se necessario.
  13. Considerazioni di sicurezza: Il Nd:. YAG laser è un laser di classe IV; durante il funzionamento del laser indossare occhiali di protezione laser in ogni momento e stabilire interblocchi camera in concomitanza con la porta della camera e laser 14

2. Campioni e Preparazione del campione

  1. Utilizzare silicato materiali di riferimento certificati sintetici con concentrazioni di elementi noti come campioni, questi imitano i campioni di suolo comuni con minori e tracce di elementi selezionati coprono un intervallo di concentrazioni.
  2. Le concentrazioni di oligoelementi variavano da poche ppm a 10.000 ppm Table.1 elenca gli elementi monitorati qui inclusi i tipi di linea e lunghezze d'onda utilizzate per l'analisi. I tipi di linea etichettati come I e II indicano gli atomi neutri o una atomi ionizzati singolarmente, rispettivamente. La composizione base comune di ogni campione è silicato SiO 2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO 3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2,5%), e K 2 SO 4 (2,5%).
  3. Premere i campioni in 31 millimetri di diametro pellet utilizzando una pressa idraulica per creare una superficie liscia per l'analisi LIBS. La superficie liscia contribuisce a creare la coerenza con i risultati LIBS.
  4. Analizzare un nuovo spot campione per ogni spettro registrato.
  5. Considerazione di sicurezza: I campioni silicati sintetici contengono un'ampia varietà di elementi a varie concentrazioni, indossare guanti durante la manipolazione.

3. Preparazione Curve di calibrazione

  1. Preparare curve di calibrazione per varielementi DIVERSI nella rilevazione sia recintato e non-gated nel range di energie laser testati.
  2. Rendere queste curve riportando l'area del picco o l'area del picco a rapporto (asse y) in funzione della concentrazione elemento (asse x).
  3. Utilizzare una linea di tendenza lineare per adattarsi alla curva di calibrazione. [Schermata 1]
  4. Calcolare i limiti di rilevazione utilizzando il rilevamento 3σ come definito dalla IUPAC. 15 [calcolo 1]

4. Plasma temperatura Determinazione

  1. Misurare le temperature del plasma da appezzamenti di Boltzmann.
  2. Utilizzare un insieme di linee di ferro [Fe (I)] tra le lunghezze d'onda di 371-408 nm per creare trame Boltzmann utilizzando: ln (Iλ / GA) =-E u / kT - ln (4ρZ/hcN 0) (Eq. 1) dove I è l'intensità della transizione come determinato dalla area di picco, λ è la lunghezza d'onda, A è la probabilità di transizione, g è la degenerazione della transizione, E u è stato superiore per emissione, k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura,Z è la funzione di partizione, h è la costante di Planck, c è la velocità della luce, N 0 è la popolazione totale specie.
  3. Ha scelto linee Fe che hanno conosciuto E u, g, e A valori.
  • Le Fe (I) linee utilizzate qui sono 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • L'E u, g, e A valori possono essere trovate su questo sito ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Assicurarsi di selezionare l'opzione per mostrare la "g" in base a criteri aggiuntivi etichettati come informazioni di livello.
  • Utilizzare k E e G i valori di k.
  1. Per determinare la temperatura, terreno ln (Iλ / GA) contro E u ed inserire i dati con una linea di tendenza lineare. La pendenza è pari al -1/kT 16,17 [schermata 2]

5. Electron Determinazione della densità

  1. Per misurare l'elettrodensità n, utilizzare la larghezza a metà massimo (FWHM) della linea idrogeno a 656,5 nm.
  2. Prendete questi dati utilizzando t d = 0.5 msec e t b = 4.5 msec sul ICCD.
  3. Misurare la FWHM della riga dell'idrogeno. [Schermata 3]
  4. Calcolo della densità elettronica utilizzando: N e = 8,02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (Eq. 2) dove N e è la densità elettronica, Δλ 1/2 è la misura del FWHM linea idrogeno, e α 1/2 è la lunghezza d'onda ridotta che è funzione della temperatura e della densità elettronica. I valori per le lunghezze d'onda minori sono forniti di Griem nell'appendice III bis. 16-18
  5. Calcolare la densità elettronica utilizzando una temperatura di 10.000 K (questo era il vicino alla temperatura media del plasma). [Schermata 4]

6. Work up tutti i dati utilizzando un programmache possono determinare la aree dei picchi e / o Microsoft Excel

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Effetto del laser energia di impulso e modalità di rilevazione sulla capacità di rilevazione. LIBS spettri dei campioni silicati sintetici sono stati registrati utilizzando il rilevamento gated e non gated sopra la gamma di laser energie impulsi controllato. Oltre 100 curve di calibrazione sono state costruite da questi dati per valutare l'effetto della energia dell'impulso laser. Le curve di calibrazione sono state preparate da (1) usando l'area sotto il picco dell'analita e (2) da ratioing l'area del picco dell'analita per l'area del picco ferro a 405,58 nm. La concentrazione di ferro era divisa tra i campioni, quindi, è stato utilizzato come standard interno. Ratioing l'area analita all'area di un elemento standard interno può aumentare la riproducibilità misurazione soprattutto se ci sono fluttuazioni di energia laser shot-to-shot. La sensibilità di rilevazione (curva di calibrazione pendenza) e dati sui limiti di rilevazione utilizzando sia non-gated e recintato modalità di rilevazione sono riportati nelle tabelle 2, 3, 4, e 5. Per tutti gli elementi, utilizzando le curve di calibrazione unratioed per il rilevamento sia recintato e non recintato, c'era una correlazione diretta tra energia laser a impulsi e la sensibilità: sensibilità aumentata con l'energia. Pertanto, i segnali analita erano più grandi alle energie di impulso superiore, in quanto la sensibilità dipende dal segnale analita rispetto alla sua concentrazione. Questi risultati indicano che le energie di impulso superiore potrebbe essere utile per aumentare i segnali deboli analita. In generale, quando si confrontano i dati rapportati sensibilità per il rilevamento non gated, c'è stata una leggera diminuzione della sensibilità come l'energia è stata aumentata, questo è probabilmente dovuto al background elevato nello spettro LIBS ed è discussa nella sezione denominata "effetto di energia laser e modalità di rilevamento su spettri ". Tuttavia, se si confrontano i dati di sensibilità rapportati per il rilevamento gated, le sensibilità erano relativamente costante per tutta la gamma di energie testate, come previsto. Ciò è dovutoal fatto che quando le aree dei picchi degli analiti sono rapportati a una superficie di un elemento che è ad una concentrazione costante, c'è una correzione in atto interno che mantiene le aree elementari a rapporto relativamente costante. Questi dati sono mostrati nelle Tabelle 2 e 3.

In contrasto con i risultati ottenuti per la sensibilità nei dati unratioed, generalmente, non c'era una correlazione tra limite di rivelazione e energia dell'impulso laser, e si prevede quanto il limite di rivelazione dipende sia la sensibilità e la riproducibilità del segnale (Tabella 4). Quando si confrontano i dati rapportati ai dati non rapportati sia per il rilevamento gated e non gated, i dati rapportati prevalentemente esposte limiti di sensibilità inferiore e generalmente prodotti migliori correlazioni lineari che i dati non rapportati; questi risultati indicano che uno standard interno può essere utilizzato per fornire limiti di rivelazione inferiori (Tabelle 4 e 5). I dati rapportati s anchehowed cento deviazioni standard relative inferiori rispetto ai dati non a rapporto, questa è direttamente correlata con i risultati limite di rilevamento essendo inferiore per i dati rapportati rispetto ai dati non rapportati.

Ulteriore esame dei risultati del rilevamento non gated mostrato che i maggiori laser energie di impulso, alcuni degli elementi non ha mostrato alcuna correlazione (R 2 <0.7); questo influenzato principalmente nella determinazione del piombo e manganese. Dato che c'era un plasma più intensa a energie superiori, alcune delle righe spettrali erano leggermente oscurate con rilevamento non-gated alle energie di impulso più elevati a causa della elevata sfondo del continuum nello spettro LIBS; questo contesto superiore probabilmente causato poveri correlazioni lineari con piombo e manganese. Questo sfondo è ulteriormente spiegato in "effetto delle modalità di energia laser e rilevamento di spettri" riportata di seguito. Inoltre, ci sono stati alcuni casi con risultati per limiti di rilevazione non-gated dove no correlazione è stata osservata per i dati unratioed ma la correlazione è stata ottenuta dai dati rapportati. Da questo, possiamo concludere che ratioing il segnale elementale a un altro elemento contribuisce a migliorare le correlazioni utilizzando i segnali elementari unratioed. Nel complesso, il processo di ratioing l'area dell'elemento analita alla zona di un elemento standard interno apparve per fornire una correzione per alcune fluttuazioni nei segnali a causa delle differenze di accoppiamento con impulso laser ed il campione, che è stata osservata con le migliori correlazioni lineari i dati rapportati.

Effetto della modalità di energia e di rilevamento laser su spettri. Come è noto, spettri registrati utilizzando il rilevamento gated mostra una linea di riferimento inferiore rispetto agli spettri scattate con modalità non-gated. Questo può essere visto confrontando spettri di un campione GBW silicato sintetico 07.709 utilizzando il rilevamento gated e non-gated a 10 mJ / impulso nelle figure 2a e b. Nessun egocentrismo è stato osservato in spettri utilizzando il rilevamento recintato tutta la gamma delle energie di impulso testati. Le aree dei picchi degli elementi nei campioni silicati sintetici aumentata come energia dell'impulso laser è stata aumentata per il rilevamento gated, questo è probabilmente dovuto ad una maggiore massa di campione ablato e un plasma formato grande conseguente forte eccitazione. Risultati simili sono stati ottenuti per proiezione rilevamento non gated, in generale, un aumento del segnale come l'energia dell'impulso è stata aumentata. Questi risultati possono essere visti in Figura 3 per l'alluminio, magnesio, e linee neutre e ionizzate calcio.

La figura 4 mostra inoltre che lo sfondo aumenta chiaramente come l'energia laser è stata aumentata per il rilevamento non-dipendenti. Questo ha causato le righe spettrali in alcune regioni di diventare più ampio e meno intenso ed è molto probabilmente dovuta ad auto-assorbimento e uno sfondo aumentata causata dal continuo plasma. Questo potrebbe influire ulteriormente le capacità di rilevamento a energie più alte eè la più probabile ragione per cui non vi era alcuna correlazione alle energie laser superiori utilizzando il rilevamento non recintato. Per evitare questo problema, sarebbe meglio usare le energie di impulso inferiore con il rilevamento non-gated.

Effetto di energia laser e modalità di rilevazione sulla temperatura e densità elettronica. Utilizzando i grafici Boltzmann, la temperatura media del plasma formato su un campione simulante stato determinato in funzione di energia laser per entrambe le modalità continua e gated di rilevamento. Un tipico diagramma Boltzmann è mostrata in Figura 5. I risultati mostrano che la temperatura del plasma era relativamente costante nel range di energie testati per entrambe le modalità di rilevamento. Le temperature del plasma variava da 10,000-11,000 K in modalità non-dipendenti e 8.100 a 8.700 K in modalità gated. Funzionamento in modalità non-gated prodotto da temperature leggermente superiori, questo è ragionevole, perché la prima parte della formazione di plasma è monitorato in modalità non-gated.

< p class = "jove_content"> La densità media di elettroni del plasma è stata misurata utilizzando la FWHM della riga dell'idrogeno a 656,2 nm e un ritardo di 0,5 msec con una larghezza di gate di 4,5 msec. La linea idrogeno potrebbe provenire sia l'aria e il campione silicato sintetico. Segnale idrogeno sufficiente è stato ottenuto a tutte le energie testati. La densità elettronica è aumentata con l'energia 1,5-2,0 x 10 17 cm 3, che indica un aumento minore densità elettronica su un aumento di 10 volte in energia.

Figura 1
Figura 1. Un diagramma della configurazione LIBS. Ciò dimostra l'impostazione generale per l'esperimento LIBS utilizzato per questa analisi. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

re 2 "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Figura 2. Un tipico spettro LIBS (10 mJ) di silicato sintetico campione 07.709 (a) utilizzando l'individuazione gated di 0 msec tempo di ritardo e una larghezza di 20 msec cancello e (b) utilizzando il rilevamento non gated di 1 msec tempo di ritardo e una larghezza di 20 msec cancello . Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 3
Figura 3. Un confronto delle aree dei picchi normalizzati per Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I), e Ca (II) nel campione silicato sintetico 07.709 nel range di energie testati per entrambi non-gated (t d = 0 msec) e recintato di rilevamento (t d = 1 msec). Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 4
Figura 4. Gli spettri LIBS silicato sintetico campione di 07.709 utilizzando il rilevamento non-gated a 10, 25, 50, e 100 mJ. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 5
Figura 5. Un tipico diagramma di Boltzmann. Queste informazioni arrivano da utilizzare 25 MJ di energia con un msec tempo di ritardo 1. Ogni punto rappresenta la media delle cinque prove. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Elemento Tipo di linea Lunghezza d'onda (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

Tabella 1. Informazione spettrale per gli elementi analizzati campioni silicati sintetici. Questa tabella contiene il simbolo elementare, tipo di linea, e la lunghezza d'onda (s) utilizzati per l'analisi. * Per questi elementi le linee ravvicinate non sono stati risolti. In questo caso, l'area totale sotto le linee irrisolti stato determinato. ** Fe era a concentrazione costante nelcampioni silicati sintetici, questo elemento è stato usato per rapporto alle altre aree dei picchi degli analiti.

<td> Ti
Sensibilità (x10 4 ppm -1) per rapportati dati utilizzando un 0 psec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9.0 8.3 5.0
Essere 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
Sensibilità per Unratioed dati utilizzando un 0 psec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
Essere 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

Tabella 2. Sensitività dei dati 0 msec di tempo di ritardo. Questi sono stati ottenuti dalle pendenze delle curve di calibrazione lineari per i vari elementi che utilizzano non-gated (t d = 0 msec) rilevazione su tutta la gamma di energie testati. Per le sensibilità rapportati, l'area elementare analita è stato rapportati ad una linea di Fe (I). NC = nessuna correlazione: R 2 <0.7.

Sensibilità (x10m 4 ppm -1) per rapportati dati utilizzando un 1 microsecondo T D
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9.9 10 10 8.4
Essere 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
Sensibilità per Unratioed dati utilizzando un 1 microsecondo T D
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
Essere 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

Tabella 3. Sensibilità per i dati di 1 ms di tempo di ritardo. Questi sono stati ottenuti dalle pendenze delle curve di calibrazione lineari per i vari elementi utilizzando il rilevamento gated (t d = 1 ms) su tutta la gamma di energie testati. Per le sensibilità rapportati, l'area elementare analita è stato rapportati ad una linea di Fe (I).

Limiti di rilevazione per rapportati dati utilizzando un 0 psec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 310 (0.99) 310 (0.99) 280 (0.99) 610 (0.96)
Essere 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)
Limiti di rilevazione per Unratioed dati utilizzando un 0 psec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 660 (0.92) 450 (0.99) 480 (0.76) 830 (0.93)
Essere 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)

Tabella 4. Limite di rilevazione dati per un msec tempo di ritardo 0. I dati limite di rilevazione sono riportati in ppm con un 0 msec tempo di ritardo sulle varie energie laser che mostrano sia i dati rapportati e unratioed. Le correlazioni grafico lineare (R 2) sono tra parentesi. NC significa nessuna correlazione è stata osservata (R 2 <0.7). Per le sensibilità rapportati, l'area elementare analita è stato rapportati ad una linea di Fe (I).

10 mJ

Tabella 5. Limite di rilevazione dati per un msec tempo di ritardo 1. I dati limite di rilevamento vengono visualizzati con un ritardo di 1 msec sulle varie energie laser che mostrano sia i dati rapportati e unratioed. Le correlazioni grafico lineare (R 2) sono tra parentesi. Per le sensibilità rapportati, l'area elementare analita è stato rapportati ad una linea di Fe (I).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Quando si confrontano le modalità di rilevazione non-gated e chiuse, i dati sui limiti di rilevazione mostrano che la modalità di rilevamento gated consentito per la rilevazione di tutti gli elementi, compresi quelli che non sono stati visti utilizzando energie laser superiori in modalità di rilevamento non-gated. Utilizzando rilevamento gated, l'alta preparazione iniziale dalla formazione del plasma non è osservata e lo sfondo è diminuita mostrando l'emissione elementale meglio risolto. Inoltre, i limiti di rilevazione sono stati leggermente inferiori utilizzando il rilevamento recintato.

In generale, ci sono stati limiti di rilevazione analoghe calcolati su tutta la gamma di energie testati per la rilevazione sia recintato e non-gated. Ci sono stati alcuni casi in cui i limiti di rilevazione erano superiori utilizzando le energie superiori con rilevamento non-gated, questo era probabilmente dovuto alla maggiore sfondo nello spettro LIBS.

Dal momento che non c'è stato un grande cambiamento nella temperatura di densità di elettroni e plasma su un 10 -volte aumento di energia, questi fattori non dovrebbero influenzare le capacità di rilevamento sulle energie laser testati. Ciò è coerente con i nostri risultati non mostrando forte diminuzione limiti di rilevazione con maggiore energia di impulso.

Dai dati presentati, alcune conclusioni possono essere fatte circa l'uso delle energie di impulso laser di 10-100 mJ e diversi parametri di temporizzazione per la determinazione di elementi in traccia in stimolanti suolo. Energie inferiori del 10 e 25 mJ fornito limiti di rilevazione analoghe a quelle raggiunte a 50 e 100 mJ. Questo ha dimostrato che l'uso di energie impulsi più bassa non degrada significativamente capacità di rilevamento e che l'uso di una minore energia, necessaria per persona portatile LIBS strumentazione, non diminuire le capacità di rilevazione. I risultati hanno anche mostrato che i dati rapportati prodotte limiti di rilevazione inferiore ai dati non rapportati. Pertanto, le capacità di rilevamento di un sistema LIBS compatto potrebbe essere migliorata attraverso l'uso di un internorma nale per aiutare a normalizzare i risultati.

Quando si confrontano gli spettri tra non-gated e gated modalità di rilevazione, si è riscontrato che spettri registrati utilizzando il rilevamento gated prodotto una linea di riferimento inferiore e le linee di emissione elementari sono stati più chiaramente risolto per alcuni degli elementi. Inoltre, i limiti di rivelazione leggermente inferiori sono state ottenute utilizzando il rilevamento gated negli energie laser testati. Questo dimostra che ci sarà una leggera perdita nella capacità di rilevamento quando si utilizza il rilevamento della modalità non-gated per simulanti terreno usati qui.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato finanziato attraverso il Dipartimento di Energia, Office of Science degli Stati Uniti.

Materials

Limiti di rilevazione per rapportati dati utilizzando un 1 msec t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 93 (0.99) 170 (0.99) 160 (0.99) 170 (0.99)
Essere 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)
Limiti di rilevazione per Unratioed dati utilizzando un 1 msec t d
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0.86) 280 (0.82) 190 (0.96) 340 (0.86)
Essere 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