اعتماد نتائج الليزر التي يسببها انهيار الطيفي على الطاقات نبض ومعلمات التوقيت عن طريق المحاكاة التربة
Summary
تم اختبار قدرات الكشف LIBS على المحاكاة التربة باستخدام مجموعة من الطاقات نبض والمعلمات توقيت. وقد استخدمت منحنيات المعايرة لتحديد حدود الكشف والحساسيات لمعلمات مختلفة. عموما، أظهرت النتائج أن لم يكن هناك انخفاض كبير في قدرات الكشف باستخدام أقل الطاقات النبض والكشف غير مسور.
Abstract
تم فحص اعتماد بعض قدرات الكشف LIBS على انخفاض الطاقات نبض (<100 ميغا جول) والمعلمات توقيت باستخدام عينات سيليكات الاصطناعية. واستخدمت هذه العينات والمحاكاة للتربة والعناصر الواردة طفيفة والتتبع التي توجد عادة في التربة في مجموعة واسعة من التركيزات. لهذه الدراسة، تم إعداد أكثر من 100 منحنيات المعايرة باستخدام الطاقات نبض مختلف والمعلمات التوقيت؛ تم تحديد حدود الكشف والحساسيات من منحنيات المعايرة. تم قياس درجات حرارة البلازما أيضا باستخدام المؤامرات بولتزمان لمختلف الطاقات والمعلمات توقيت اختبار. تم حساب كثافة الإلكترونات من البلازما باستخدام نصف كامل أقصى عرض (FWHM) من خط الهيدروجين في 656.5 نانومتر على الطاقات اختبارها. وعموما، فإن النتائج تشير إلى أن استخدام الطاقات انخفاض النبض والكشف غير مسور، لا يضر على نحو خطير على النتائج التحليلية. هذه النتائج هي مهمة جدا لتصميم الميدانوالشخص المحمولة أدوات LIBS.
Introduction
الليزر التي يسببها انهيار الطيفي (LIBS) هي طريقة بسيطة لتحليل العناصر التي تستخدم شرارة ولدت الليزر كمصدر الإثارة. وتركز نبضة ليزر على سطح أن ارتفاع درجات الحرارة، ablates، ويفتت بتأين المواد السطحية مما أدى إلى تشكيل البلازما. يتم حل ضوء البلازما طيفيا والكشف عن وتحديد العناصر التي كتبها توقيعاتهم الطيفية. إذا معايرة بشكل صحيح، يمكن LIBS تقديم النتائج الكمية. يمكن تحليل المواد الصلبة LIBS أو الغازات والسوائل مع إعداد عينة ضئيلة أو معدومة. 1 وهذه الخصائص تجعله مثاليا للتحليلات التي لا يمكن القيام بها في المختبر.
حاليا، يجري درس LIBS للعديد من التطبيقات المختلفة وخاصة تلك التي تتطلب قياسات ميدانية لتقدير. 1-8 وهذا يتطلب تطوير LIBS الأجهزة باستخدام مكونات عرة والمدمجة مناسبة لنظام قائم على الميدان. في معظم الحالات،سوف مكونات حد ذاتها ليس لديها قدرات كاملة من الأجهزة المعملية، وبالتالي المساس الأداء التحليل. النتائج LIBS تعتمد على المعلمات نبضة ليزر وشروط القياس الأخرى التي تشمل الهندسة وأخذ العينات، والغلاف الجوي المحيطة، واستخدام بوابات الكشف أو غير مسور. 9-12 للالميداني LIBS الأجهزة، واثنين من العوامل الهامة للنظر هي الطاقة النبض واستخدام بوابات مقابل الكشف غير مسور. هذان العاملان تحديد إلى حد كبير تكلفة وحجم وتعقيد الصك LIBS. هي، التي بنيت متين الليزر الصغيرة التي يمكن أن تولد نبضات 10-50 ميغا جول في معدلات تكرار ،3-10 هرتز متوفرة تجاريا وسيكون من المفيد للغاية لاستخدام. وبالتالي، فمن المهم أن نعرف ما، إن وجدت، وفقدان في قدرات الكشف سينتج عن استخدام هذه الليزر. الطاقة نبض معلمة رئيسية لLIBS كما أنه يحدد كمية المواد ذاب وتبخر وشار الإثارةacteristics من البلازما. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام بوابات الكشف عن زيادة تكلفة النظام LIBS، ونتيجة لذلك، لا بد من تحديد الاختلافات بين الأطياف وقدرات الكشف باستخدام بوابات الكشف وغير مسور.
مؤخرا، تم إجراء دراسة مقارنة لكشف بوابات كشف غير مسور لعناصر بسيطة وجدت في الصلب. وأظهرت النتائج أن حدود الكشف كانت مماثلة إن لم تكن أفضل للكشف عن غير مسور. 12 ومن الخصائص الهامة من LIBS هو أن يواجه آثار تقنية المصفوفة الفيزيائية والكيميائية. مثال من السابق هو أن الأزواج نبضة ليزر أكثر كفاءة مع إجراء السطوح / معدن من عدم إجراء السطوح 13 لهذه الدراسة، أردنا أن تحديد آثار الطاقة النبض وتوقيت المعلمات للمواد عدم إجراء مثل المحاكاة التربة.
على الرغم من أن، تم تطوير أدوات LIBS المحمولة الميدانية واستخدامهابالنسبة لبعض التطبيقات، لم يتم إجراء دراسة شاملة عن قدرات الكشف مقارنة العالي الطاقة وأنظمة بوابات لأنظمة الطاقة أقل وغير مسور باستخدام المحاكاة التربة. وتركز هذه الدراسة على الليزر الطاقة النبض وتوقيت المعلمات لتحديد العناصر النزرة في مصفوفات معقدة. وتراوحت الطاقة نبضة ليزر 10-100 ميغا جول للحصول على المقارنة بين الطاقات الدنيا والعليا. وقد أجريت مقارنة بين استخدام بوابات مقابل الكشف غير مسور أيضا على نطاق الطاقة نفسها.
Protocol
Representative Results
Discussion
عند مقارنة أوضاع الكشف غير مسور ومسور، وتشير البيانات إلى حد الكشف أن طريقة الكشف عن بوابات يسمح للكشف عن كافة العناصر بما فيها تلك التي لم ينظر باستخدام الطاقات الليزر العالي في وضع الكشف غير مسور. باستخدام بوابات الكشف، ولم يلاحظ خلفية عالية الأولي من تشكيل البلاز?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من خلال وزارة الطاقة الأميركية، مكتب العلوم.
Materials
| 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 |
References
- Song, K., Lee, Y., Sneddon, J. Recent developments in instrumentation for laser induced breakdown spectroscopy. Appl. Spec. Rev. 37 (1), 89-117 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lida, Y. Effects of atmosphere on laser vaporization and excitation processes of solid samples. Spectrochim. Acta Part B. 45 (12), 1353-1367 (1990).
- Radziemski, L. J., Loree, T. R. Laser-induced breakdown spectroscopy: Time-integrated applications. J. Plasma Chem. Plasma Proc. 1 (3), 281-293 (1981).
- 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).
- Fan, C., Longtin, J. P. Modeling Optical Breakdown in Dielectrics During Ultrafast Laser Processing. Appl. Opt. 40 (18), 3124-3131 (2001).
- ANSI Z-136.5. . American National Standard for Safe Use of Lasers in Educational Institutions. , (2009).
- . . Compendium of Chemical Terminology. , (1997).
- Cremers, D. A., Radziemski, L. J. . Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. , (2006).
- Griem, H. R. . Spectral Line Broadening by Plasmas. , (1974).
- 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).
