Dépendance de Laser-induites Répartition spectroscopie Résultats sur les énergies d'impulsions et paramètres de temporisation aide de simulateurs Pédo

1Department of Math and Sciences, Alvernia University, 2Applied Research Associates (ARA), Inc.
Chemistry

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Summary

Capacités de détection LIBS sur des simulateurs de sol ont été testés en utilisant une gamme d'énergies d'impulsions et les paramètres de synchronisation. Les courbes d'étalonnage ont été utilisés pour déterminer les limites de détection et les sensibilités des paramètres différents. En général, les résultats ont montré qu'il n'y avait pas de réduction significative de la capacité de détection à l'aide des énergies d'impulsion inférieures et la détection non-fermée.

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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).

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Abstract

La dépendance de certaines capacités de détection de LIBS sur des énergies plus faibles d'impulsion (<100 mJ) et les paramètres de synchronisation ont été examinés en utilisant des échantillons de silicate de synthèse. Ces échantillons ont été utilisés comme simulateurs pour le sol et contenaient des éléments mineurs et traces trouve couramment dans le sol à une large gamme de concentrations. Pour cette étude, plus de 100 courbes d'étalonnage ont été préparées en utilisant différentes énergies d'impulsion et les paramètres de synchronisation, et des sensibilités de détection des limites ont été déterminées à partir des courbes d'étalonnage. Les températures de plasma ont également été mesurées en utilisant des parcelles de Boltzmann pour les différentes énergies et les paramètres de synchronisation testés. La densité d'électrons du plasma a été calculée en utilisant la moitié du maximum de pleine largeur (FWHM) de la ligne de l'hydrogène à 656,5 nm sur les énergies testées. Dans l'ensemble, les résultats indiquent que l'utilisation des énergies d'impulsions plus faibles et la détection non-dépendants ne compromet pas au sérieux les résultats de l'analyse. Ces résultats sont très utiles pour la conception de champet des instruments de LIBS personne-portable.

Introduction

spectroscopie de rupture induite au laser (LIBS) est une méthode simple de l'analyse élémentaire qui utilise une étincelle générée par laser comme source d'excitation. L'impulsion laser est focalisé sur une surface qui chauffe, ablation, atomise et ionise le matériau de surface résultant en la formation de plasma. La lumière de plasma est spectralement résolue et détecté et éléments sont identifiés par leur signature spectrale. Si elle est correctement calibré, LIBS peut fournir des résultats quantitatifs. LIBS peuvent analyser solides, des gaz et des liquides avec peu ou pas de préparation de l'échantillon. 1 Ces caractéristiques le rendent idéal pour les analyses qui ne peuvent pas être réalisées dans le laboratoire.

Actuellement, LIBS est à l'étude pour de nombreuses applications en particulier ceux qui nécessitent des mesures sur le terrain pour la quantification. 1-8 Cela nécessite le développement de LIBS instrumentation utilisant des composants robustes et compacts adaptés à un système basé sur le terrain. Dans la plupart des cas, l'composants soi n'auront pas toutes les capacités de l'instrumentation en laboratoire, ce qui compromet l'exécution de l'analyse. LIBS résultats dépendent des paramètres d'impulsions laser et d'autres conditions de mesure qui incluent géométrie échantillonnage, l'atmosphère environnante, et l'utilisation de la détection fermée ou non fermée. 9-12 Pour de terrain LIBS instrumentation, deux facteurs importants à considérer sont l'énergie d'impulsion et l'utilisation d'fermée par rapport à la détection non-fermée. Ces deux facteurs déterminent dans une large mesure le coût, la taille et la complexité de l'instrument LIBS. Petits lasers de construction robuste qui peut générer des impulsions 10-50 mJ au taux de 0,3-10 Hz de redoublement sont disponibles dans le commerce et serait très avantageux d'utiliser. Par conséquent, il est important de savoir ce qui, le cas échéant, une perte de la capacité de détection va résulter de l'utilisation de ces lasers. L'énergie d'impulsion est un paramètre clé pour LIBS car elle détermine la quantité de matière ablation et vaporisé et le char excitationristiques du plasma. En outre, l'utilisation de la détection fermée peut augmenter le coût du système de LIBS, de ce fait, il est impératif de déterminer les différences entre les spectres et les capacités de détection utilisant la détection fermée et non fermée.

Récemment, une étude a été réalisée en comparant la détection fermée à la détection non-fermée pour des éléments mineurs trouvés en acier. Les résultats ont montré que les limites de détection étaient comparables sinon meilleures pour la détection non-fermée. 12 Une caractéristique importante de LIBS est que la technique connaît les effets physiques et chimiques matrice. Un exemple de la première est que les couples plus efficacement avec des surfaces conductrices / métal impulsions laser que les surfaces non-conductrices. 13 Pour cette étude, nous avons voulu déterminer les effets de l'énergie d'impulsion et de synchronisation des paramètres pour les matériaux non-conducteurs comme les simulateurs de sol.

Bien que, les instruments de LIBS portables sur le terrain ont été développés et utiliséspour certaines applications, une étude exhaustive sur les capacités de détection n'a pas été effectuée en comparant l'énergie plus élevés et des systèmes gated à des systèmes énergétiques et non bloquées inférieures en utilisant des simulateurs de sol. Cette étude se concentre sur l'énergie d'impulsion laser et de synchronisation des paramètres pour la détermination des éléments traces dans des matrices complexes. L'énergie de l'impulsion laser a varié de 10 à 100 mJ d'obtenir une comparaison entre des énergies plus basses et plus élevées. Une comparaison de l'utilisation d'fermée par rapport à la détection non-fermée a également été effectué sur la même gamme d'énergie.

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Protocol

Une. Système de laser

  1. Utiliser des impulsions laser produites par un Q-switched Nd: YAG fonctionnant à 1064 nm et à 10 Hz.
  2. Focaliser les impulsions laser sur l'échantillon avec une lentille de longueur focale de 75 mm.
  3. Collecter la lumière de plasma avec une fibre optique pointé sur et placé à proximité du plasma formé sur l'échantillon.
  4. Utilisez un spectrographe Echelle / ICCD à spectre détermination et enregistrer le spectre LIBS.
  5. Actionnez le ICCD dans les deux modes non bloquées et fermé à l'aide d'un gain de 125.
  6. Utiliser un délai 0 ps de temps (t d) en mode non-dépendants et un t d 1 ps en mode fermé.
  7. Pour les deux modes, utilisez une largeur de grille (t b) de 20 microsecondes avec une exposition de sec 3 (intégration de la lumière du plasma sur la puce de la caméra ICCD), ce qui se traduira par 30 tirs laser individuels ajoutés à produire chaque spectre.
  8. Enregistrer un total de 5 de ces spectres pour chaque échantillon analysé.
  9. Utiliser un générateur de retard numérique pour contrôler le tIMing entre le laser et l'impulsion de porte de ICCD. Le dispositif expérimental mis en place est illustré à la figure 1.
  10. Vérifier le calendrier avec un oscilloscope.
  11. Utiliser le laser à des énergies d'impulsion de 10, 25, 50, et 100 mJ utilisant la détection à la fois non-fermée et fermée.
  12. Surveiller en permanence l'énergie du laser et à régler pour corriger la dérive, si nécessaire.
  13. Examen de la sécurité: Le Nd:. laser YAG est un laser de classe IV, porter des lunettes de sécurité laser appropriés en tout temps lors de l'utilisation du laser et d'établir des dispositifs de verrouillage de chambre en conjonction avec la porte de la chambre et laser 14

2. Échantillons et préparation des échantillons

  1. Utiliser des matériaux de référence certifiés de silicate de synthèse avec des concentrations d'éléments connus comme échantillons; ces imitent les échantillons de sol mineur et communes avec des traces d'éléments sélectionnés couvrant une gamme de concentrations.
  2. Les concentrations des éléments traces sont compris entre quelques ppm à 10 000 ppm. Table1 énumère les éléments surveillés ici, y compris leurs types et longueurs d'onde de ligne utilisés pour l'analyse. Les types de lignes étiquetés comme I et II signifient atomes neutres ou un atomes ionisés une seule fois, respectivement. La composition de base commune de chaque échantillon de silicate est du SiO 2 (72%), Al 2 O 3 (15%), Fe 2 O 3 (4%), CaMg (CO 3) 2 (4%), Na 2 SO 4 ( 2,5%), et K 2 SO 4 (2,5%).
  3. Appuyez sur les échantillons en pastilles de diamètre 31 mm à l'aide d'une presse hydraulique pour créer une surface lisse pour l'analyse LIBS. La surface lisse permet de créer de la cohérence avec les résultats de la LIBS.
  4. Analyser un nouveau spot de l'échantillon pour chaque spectre enregistré.
  5. examen de la sécurité: Les échantillons de silicate synthétiques contiennent une grande variété d'éléments à différentes concentrations; porter des gants lors de la manipulation.

3. Préparation Courbes d'étalonnage

  1. Préparer des courbes d'étalonnage pour la variéléments UO dans la détection à la fois fermée et non fermée sur toute la gamme des énergies laser testées.
  2. Rendre ces courbes en traçant la surface du pic ou la surface du pic ratioed (axe des y) par rapport à la concentration en élément (axe des x).
  3. Utilisez une ligne de tendance linéaire pour s'adapter à la courbe d'étalonnage. [Capture d'écran 1]
  4. Calculer les limites de détection en utilisant la détection de 3σ tel que défini par l'IUPAC. 15 [calcul 1]

4. Plasma Température Détermination

  1. Mesurer les températures de plasma provenant de parcelles de Boltzmann.
  2. Utilisez un ensemble de lignes de fer [Fe (I)] entre les longueurs d'onde de 371-408 nm pour créer des parcelles de Boltzmann avec: ln (Iλ / AG) =-E u / kT - ln (4ρZ/hcN 0) (éq. 1) où I est l'intensité de la transition, tel que déterminé à partir de la surface du pic, λ est la longueur d'onde, A est la probabilité de transition, g est la dégénérescence de la transition, E u est l'état haut pour l'émission, k est la constante de Boltzmann, T est la température,Z est la fonction de partition, h est la constante, c de Planck est la vitesse de la lumière, N 0 est la population totale d'espèces.
  3. Choisissez lignes Fe qui ont connu E u, g, et A valeurs.
  • Les lignes Fe (I) utilisés ici sont 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • Le E u, g, et A valeurs peuvent être trouvées sur ce site ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Veillez à sélectionner l'option pour afficher le «g» selon des critères additionnels étiquetés comme des informations de niveau.
  • Utilisez le E k et g valeurs de k.
  1. Pour déterminer la température, l'intrigue ln (Iλ / GA) contre E u et ajuster les données d'une ligne de tendance linéaire;. La pente est égale à 16,17 -1/kT [capture d'écran 2]

5. Détermination de la densité électronique

  1. Pour mesurer l'électrodensité de n, l'utilisation de la largeur à mi-hauteur (FWHM) de la ligne de l'hydrogène à 656,5 nm.
  2. Prenez ces données en utilisant t d = 0,5 us et t b = 4,5 microsecondes sur la ICCD.
  3. Mesurer la valeur FWHM de la canalisation d'hydrogène. [Capture d'écran 3]
  4. Calculer la densité d'électrons en utilisant: N e = 8,02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] 3/2 (Eq. 2) où N e est la densité d'électrons, Δλ 1/2 est la valeur FWHM mesurée de l' La ligne d'hydrogène, et α 1/2 est la longueur d'onde réduite, qui est une fonction de la température et de la densité d'électrons. Les valeurs des longueurs d'onde réduits sont prévus à l'annexe III de Griem. 16-18
  5. Calculer la densité d'électrons en utilisant une température de 10 000 K (ce qui était le proche de la température moyenne du plasma). [Capture d'écran 4]

6. Travailler jusqu'à Tous les données à l'aide d'un programmequi permet de déterminer les zones de pointe et / ou Microsoft Excel

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Representative Results

Effet de l'énergie d'impulsion laser et modes de détection sur les capacités de détection des spectres des échantillons de silicates synthétiques. LIBS ont été enregistrés en utilisant une détection fermée et non fermée, au-dessus de la gamme d'énergies d'impulsions laser testées. Plus de 100 courbes d'étalonnage ont été construites à partir de ces données pour évaluer l'effet de l'énergie de l'impulsion laser. Des courbes d'étalonnage ont été préparées en (1) en utilisant la zone sous le pic de l'analyte et (2) en faisant le rapport de la surface du pic de l'analyte dans la zone de la pointe de fer à 405,58 nm. La concentration en fer est uniforme entre les échantillons et, par conséquent, il a été utilisé comme étalon interne. Faisant le rapport de la zone de l'analyte à la surface d'un élément standard interne peut augmenter la reproductibilité de la mesure, surtout si il ya des fluctuations d'énergie laser tiré-à-coup. La sensibilité de détection (courbe d'étalonnage de la pente) et des données de limite de détection en utilisant à la fois non-fermée et bloquée modes de détection sont donnés dans les tableaux 2, 3, 4 et 5. Pour tous les éléments, en utilisant les courbes d'étalonnage unratioed pour la détection à la fois fermée et non fermée, il y avait une corrélation directe entre énergie d'impulsion laser et la sensibilité: la sensibilité augmente avec l'énergie. Par conséquent, les signaux d'analytes étaient plus grandes aux énergies d'impulsions plus élevées puisque la sensibilité est dépendant du signal à analyser par rapport à sa concentration. Ces résultats indiquent que les énergies d'impulsions plus élevées pourraient être utiles pour augmenter les signaux faibles d'analyte. En général, lorsque l'on compare les données de sensibilité ratioed pour la détection non-dépendants, il y avait une légère diminution de la sensibilité que l'énergie a été augmenté, ce qui est probablement dû à l'arrière-plan plus élevé dans le spectre LIBS et est discuté dans la section intitulée «effet de l'énergie laser et de modes de détection de spectres ". Cependant, lorsque l'on compare les données de sensibilité pour la détection ratioed fermée, les sensibilités étaient relativement constante sur la gamme des énergies testées, comme prévu. Cela est dûsur le fait que, lorsque les surfaces des pics de l'analyte sont ratioed à une zone d'un élément qui est à une concentration constante, il existe une correction ayant lieu interne qui maintient les zones élémentaires ratioed relativement constante. Ces données sont présentées dans les tableaux 2 et 3.

Contrairement aux résultats obtenus pour la sensibilité dans les données unratioed, en général, il n'y avait pas de corrélation entre la limite de détection et énergie d'impulsion laser, ce qui est prévu depuis le seuil de détection dépend à la fois la sensibilité et la reproductibilité du signal (tableau 4). Lorsque l'on compare les données ratioed aux données non-ratioed à la fois pour la détection fermée et non fermée, les données ratioed principalement exposées limites de détection plus basses et généralement produites meilleures corrélations linéaires que les données non-ratioed; ces résultats indiquent que l'étalon interne peut être utilisés pour fournir des limites de détection plus basses (tableaux 4 et 5). Les données ratioed s aussihowed cent écarts types relatifs plus faibles que les données non-ratioed, ce qui est directement corrélée avec les résultats de la limite de détection étant plus faible pour les données ratioed que les données non-ratioed.

Poursuite de l'examen des résultats de la détection non-gated a montré que les énergies d'impulsions laser plus élevées, certains éléments n'ont montré aucune corrélation (R 2 <0,7), ce qui a surtout touché la détermination du plomb et du manganèse. Comme il y avait un plasma plus intense à des énergies plus élevées, certaines des lignes spectrales ont été légèrement obscurci avec détection non-dépendants aux énergies d'impulsion plus élevés en raison de la forte fond du continuum dans le spectre LIBS; ce contexte plus probablement causé les pauvres corrélations linéaires avec le plomb et le manganèse. Ce fond est expliqué plus en détail dans l '«effet de l'énergie laser et de détection des modes spectres sur" ci-dessous. En outre, il y avait quelques cas avec les résultats pour les limites de détection non-gated où no corrélation a été observée pour les données unratioed mais une corrélation a été obtenue à partir des données ratioed. De cela, nous pouvons conclure que faisant le rapport signal élémentaire à un autre élément contribue à améliorer les corrélations avec les signaux élémentaires unratioed. Dans l'ensemble, le processus de faisant le rapport de la superficie de l'élément de l'analyte à la surface d'un élément étalon interne est apparu pour fournir une correction pour certaines fluctuations de signaux dus à des différences de couplage à l'impulsion laser et l'échantillon, ce qui a été observé avec les meilleures corrélations linéaires d' les données ratioed.

Effet de l'énergie laser et de détection des modes sur les spectres. Comme on le sait, spectres enregistrés en utilisant la détection fermée montrer de plus bas par rapport aux spectres prises en utilisant le mode non-dépendants. Ceci peut être vu lorsque l'on compare les spectres d'un silicate synthétique échantillon GBW 07709 en utilisant la détection fermée et non fermée à 10 mJ / impulsion dans les figures 2a et b. Pas d'auto-absorption a été observée in les spectres en utilisant une détection fermée au-dessus de la plage d'énergies d'impulsions testés. Les surfaces de pics des éléments dans les échantillons de silicate synthétique augmenté en énergie de l'impulsion laser a été augmentée de détection fermée, ce qui est probablement dû à une plus grande masse de l'échantillon et l'ablation d'un plasma plus grande résultant en excitation plus forte. Des résultats similaires ont été obtenus pour la détection indiquant la non-fermée, en général, une augmentation du signal en tant que l'énergie d'impulsion est augmentée. Ces résultats peuvent être vus sur la figure 3 pour l'aluminium, le magnésium, le calcium et les lignes neutres et ionisées.

La figure 4 montre en outre que le fond augmente clairement que l'énergie du laser est augmentée pour une détection non-fermée. Cela a provoqué des raies spectrales dans certaines régions à devenir plus large et moins intense et est probablement dû à l'auto-absorption et un fond accrue causée par le continuum de plasma. Cela pourrait en outre affecter les capacités de détection à des énergies plus élevées etest la raison la plus probable pour expliquer pourquoi il n'y avait pas de corrélation à des énergies plus élevées de laser utilisant la détection non-dépendants. Pour éviter ce problème, il serait préférable d'utiliser des énergies d'impulsion inférieures à la détection non-dépendants.

Effet de l'énergie laser et de modes de détection de la température et de la densité d'électrons. Utilisation des parcelles de Boltzmann, la température moyenne du plasma formé sur un échantillon de milieu simulant a été déterminée en fonction de l'énergie du laser pour les deux modes continu et fermé de détection. Un tracé typique de Boltzmann est représenté sur la figure 5. Les résultats montrent que la température du plasma est relativement constant sur toute la plage des énergies testés pour les deux modes de détection. Les températures de plasma variaient de 10,000-11,000 K en mode non-dépendants et 8100 à 8700 K en mode fermé. Le fonctionnement en mode non-dépendants produit températures légèrement plus élevées, ce qui est raisonnable, car la première partie de la formation de plasma est contrôlée en mode non-dépendants.

< p class = "jove_content"> La densité moyenne des électrons du plasma a été mesuré en utilisant la valeur FWHM de la ligne de l'hydrogène à 656,2 nm et un temps de retard de 0,5 microsecondes avec une largeur de 4,5 microsecondes de grille. La ligne de l'hydrogène peut provenir à la fois l'air et l'échantillon de silicate synthétique. Signal de l'hydrogène suffisante a été obtenue à toutes les énergies testés. La densité d'électrons augmente avec l'énergie de 1,5 à 2,0 x 10 17 cm -3, ce qui indique une légère augmentation de la densité d'électrons au cours d'une augmentation de 10 fois de l'énergie.

Figure 1
Figure 1. Un schéma de l'installation LIBS. Cela montre la configuration générale de l'expérience LIBS utilisée pour cette analyse. Cliquez ici pour agrandir l'image.

re 2 "src =" / files/ftp_upload/50876/50876fig2.jpg "/>
Figure 2. Un spectre LIBS typique (10 MJ) de silicate synthétique échantillon 07709 (a) en utilisant la détection fermée de 0 retard us de temps et une largeur de 20 microsecondes de grille et (b) en utilisant la détection non-dépendants de 1 retard us de temps et une largeur de 20 microsecondes de porte . Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 3
Figure 3. Une comparaison des aires de pics normalisées pour Al (I), Al (II), Mg (I), Mg (II), Ca (I), et le Ca (II) dans le silicate synthétique échantillon 07 709 au-dessus de la gamme d'énergies testés pour à la fois non-dépendants (t ​​d = 0 ps) et la détection fermée (t d = 1 ps). Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 4
Figure 4. Les spectres LIBS pour silicate synthétique échantillon 07709 en utilisant la détection non-dépendants à 10, 25, 50, et 100 mJ. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 5
Figure 5. Un tracé typique de Boltzmann. Ces données proviennent de l'utilisation de 25 mJ d'énergie avec un retard de 1 ps de temps. Chaque point représente une moyenne de cinq essais. Cliquez ici pour agrandir l'image.

Élément Type de ligne Longueur d'onde (nm) </ Td>
Ba (II) 493,41
Soyez * (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

Tableau 1. Des informations spectrales pour les éléments analysés dans les échantillons de silicates synthétiques. Cette table contient le symbole élémentaire, le type de ligne, et la longueur d'onde utilisée (s) pour l'analyse. * Pour ces éléments les lignes rapprochées n'ont pas été résolus. Dans ce cas, la superficie totale des lignes non résolus a été déterminée. ** Fe était à concentration constante dans ledes exemples de silicates de synthèse; cet élément a été utilisé pour rapport aux autres aires des pics de l'analyte.

<td> Ti
Sensibilités (x10 4 ppm -1) pour Ratioed données en utilisant un 0 ps t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 11 9.0 8.3 5.0
Être 340 210 200 230
Li 63 60 69 39
Mn 6.0 4.7 4.1 Caroline du Nord
Pb 6.1 Caroline du Nord 1.0 Caroline du Nord
Sr 38 27 24 16
Ti 7.7 2.0 5.7 4.5
Les sensibilités Unratioed données en utilisant un 0 ps t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 38 68 80 90
Être 1200 1500 2100 4400
Li Caroline du Nord 400 Caroline du Nord 660
Mn 17 34 Caroline du Nord Caroline du Nord
Pb 21 Caroline du Nord Caroline du Nord Caroline du Nord
Sr 130 210 Caroline du Nord 290
27 46 55 81

Tableau 2. Sensibilités des données 0 ps de temporisation. Elles ont été obtenues à partir des pentes des courbes d'étalonnage linéaires pour différents éléments à l'aide non-dépendants (t ​​d = 0 ps) de détection sur la gamme d'énergies testés. Pour les sensibilités ratioed, la zone élémentaire de l'analyte a été ratioed à une ligne de Fe (I). NC = pas de corrélation: R 2 <0,7.

Sensibilités (x10m 4 ppm -1) pour Ratioed données en utilisant une 1 s t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 9.9 10 10 8.4
Être 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
Les sensibilités Unratioed données en utilisant une 1 s t d
10 mJ 25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 30 60 98 140
Être 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

Tableau 3. Sensibilités pour les données 1 ms de retard de temps. Ceux-ci ont été obtenues à partir des pentes des courbes d'étalonnage pour différents éléments linéaires en utilisant fermée (t d = 1 ms) de détection sur toute la plage des énergies testées. Pour les sensibilités ratioed, la zone élémentaire de l'analyte a été ratioed à une ligne de Fe (I).

Limites de détection pour Ratioed données en utilisant un 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)
Être 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) Caroline du Nord
Pb 250 (0,97) Caroline du Nord 3200 (0,85) Caroline du Nord
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)
Limites de détection pour Unratioed données en utilisant un 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)
Être 5,6 (0,97) 9,9 (0,99) 5,5 (0,77) 6,5 (0,84)
Li Caroline du Nord 160 (0,91) Caroline du Nord 220 (0,76)
Mn 2900 (0,79) 1500 (0,98) Caroline du Nord Caroline du Nord
Pb 1000 (0,88) Caroline du Nord Caroline du Nord Caroline du Nord
Sr 230 (0,93) 100 (0,99) Caroline du Nord 60 (0,92)
Ti 800 (0.94) 770 (0,99) 530 (0,71) 1100 (0,92)

Tableau 4. Limite de détection de données pour un retard 0 ps de temps. Les données de limite de détection sont indiquées en ppm en utilisant un retard 0 ps de temps sur les différentes énergies laser présente les données à la fois ratioed et unratioed. Les corrélations de graphes linéaires (R 2) sont entre parenthèses. NC signifie aucune corrélation n'a été observée (R 2 <0,7). Pour les sensibilités ratioed, la zone élémentaire de l'analyte a été ratioed à une ligne de Fe (I).

10 mJ

Tableau 5. Limite de détection de données pour un retard de 1 ps de temps. Les données de limite de détection sont indiquées à l'aide d'un retard de 1 ps de temps sur les différentes énergies laser présente les données à la fois ratioed et unratioed. Les corrélations de graphes linéaires (R 2) sont entre parenthèses. Pour les sensibilités ratioed, la zone élémentaire de l'analyte a été ratioed à une ligne de Fe (I).

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Discussion

En comparant les modes de détection non bloquées et fermé, les données de limite de détection montrent que le mode de détection fermée permis pour la détection de tous les éléments, y compris ceux qui n'ont pas été vus en utilisant des énergies plus laser en mode de détection non-dépendants. Utilisation de la détection fermée, le fond initial élevé de la formation du plasma n'est pas respecté et le fond est diminuée montrant l'émission élémentaire mieux résolu. En outre, les limites de détection ont été légèrement inférieures en utilisant la détection fermée.

En général, il y avait des limites de détection similaires calculés sur la gamme d'énergies testés pour la détection à la fois fermée et non fermée. Il y avait quelques cas où les limites de détection ont été plus élevés en utilisant les énergies plus élevées avec détection non-dépendants, ce qui était probablement dû à l'augmentation de fond dans le spectre LIBS.

Comme il n'y avait pas un grand changement dans la température de la densité électronique et de plasma de plus de 10 -plier augmentation de l'énergie, ces facteurs ne devraient pas affecter les capacités de détection sur les énergies laser testées. Ceci est cohérent avec nos résultats montrant aucune diminution importante des limites de détection avec augmentation de l'énergie d'impulsion.

D'après les données présentées, quelques conclusions peuvent être faites à propos de l'utilisation des énergies d'impulsions laser de 10-100 mJ et différents paramètres de synchronisation pour la détermination des éléments traces dans les stimulants du sol. Énergies inférieures de 10 et 25 MJ fournies limites de détection similaires à ceux obtenus à 50 et 100 mJ. Cela montre que l'utilisation des énergies d'impulsions inférieures ne se dégrade pas de manière significative les capacités de détection et que l'utilisation d'une énergie inférieure, nécessaire pour personne LIBS portable instrumentation, ne diminuera pas les capacités de détection. Les résultats ont également montré que les données produites ratioed limites de détection plus basses que les données non-ratioed. Par conséquent, les capacités de détection d'un système de LIBS compact pourraient être améliorées par l'utilisation d'une internal norme pour aider à normaliser les résultats.

Lors de la comparaison entre les spectres non bloquée et fermée modes de détection, il a été constaté que les spectres enregistrés à l'aide détection fermé a produit un niveau de référence inférieur et les raies d'émission élémentaires ont été plus clairement résolue pour certains des éléments. En outre, les limites de détection légèrement inférieurs ont été obtenus en utilisant la détection fermée sur les énergies laser testées. Cela montre qu'il y aura une légère perte de capacités de détection en utilisant la détection de mode non-dépendants pour les simulateurs de sol utilisés ici.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgements

Ce travail a été financé par le département de l'énergie, Bureau des sciences des États-Unis.

Materials

Limites de détection pour Ratioed données en utilisant un 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)
Être 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)
Limites de détection pour Unratioed données en utilisant un 1 ps t d
25 mJ 50 mJ 100 mJ
Ba 760 (0,86) 280 (0,82) 190 (0.96) 340 (0,86)
Être 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

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References

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