Abhängigkeit der Laser-induzierten Breakdown Spectroscopy Ergebnisse auf Pulsenergien und Timing-Parameter Mit Boden Simulanten

Zusammenfassung

LIBS-Detection-Funktionen auf die Bodensimulatoren wurden mit einer Reihe von Pulsenergien und Timing-Parameter getestet. Eichkurven wurden verwendet, um Nachweisgrenzen und Empfindlichkeiten für verschiedene Parameter zu bestimmen. Im allgemeinen zeigten die Ergebnisse, dass es keine signifikante Verminderung der Erkennungsfunktionen mit niedrigeren Pulsenergien und nicht-torgeErkennung.

Zusammenfassung

Die Abhängigkeit von einigen LIBS Erkennungsfunktionen auf niedriger Pulsenergien (<100 mJ) und Timing-Parameter wurden mit synthetischen Silikat-Proben untersucht. Diese Proben wurden als Simulanten für Boden verwendet und enthalten kleinere und Spurenelemente häufig im Boden in einem breiten Bereich von Konzentrationen gefunden. Für diese Studie wurden 100 Eichkurven mit unterschiedlichen Pulsenergien und Zeitparametern hergestellt; Nachweisgrenzen und Empfindlichkeiten wurden aus den Eichkurven bestimmt. Plasma-Temperaturen wurden auch mit Boltzmann-Grundstücke für die verschiedenen Energien und der getesteten Timing-Parameter gemessen. Die Elektronendichte des Plasmas wurde mit der Vollbreiten-Halbmaximum (FWHM) der Wasserstoffleitung zu 656,5 nm über den getesteten Energien berechnet. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Verwendung von niedrigeren Pulsenergien und Nichtgesteuerte Ermittlung nicht ernsthaft beeinträchtigen die analytischen Ergebnisse. Diese Ergebnisse sind sehr wichtig für die Gestaltung von Feldund Person LIBS-portable Instrumente.

Einleitung

Laser-Emissionsspektrometrie (LIBS) ist eine einfache Methode der Elementaranalyse, die einen Laser erzeugten Funken als Anregungsquelle verwendet. Der Laserimpuls wird auf einer Oberfläche, die erwärmt abträgt, zerstäubt und ionisiert das Oberflächenmaterial, die zur Bildung von Plasma fokussiert. Die Plasma-Licht wird spektral aufgelöst und erkannt und Elemente werden durch ihre spektralen Signaturen identifiziert. Wenn richtig kalibriert, kann LIBS quantitative Ergebnisse zu liefern. LIBS können Feststoffe, Gase und Flüssigkeiten mit geringer oder ohne Probenpräparation zu analysieren. ¹ Diese Eigenschaften machen sie ideal für Analysen, die nicht im Labor durchgeführt werden können.

Derzeit ist LIBS wird für viele verschiedene Anwendungen, insbesondere solche, die Feld-basierte Messungen zur Quantifizierung erfordern sucht. ^1-8 Dies erfordert die Entwicklung von LIBS-Analysegeräte mit robuste und kompakte Bauteile, die sich für ein Feld-basierten System. In den meisten Fällen wird diese Komponenten werden nicht die vollen Fähigkeiten von Labor-basierte Instrumente, wodurch die Analyse Performance zu beeinträchtigen. LIBS Ergebnisse sind abhängig von Laserpulsparameter und andere Messbedingungen, die Stichprobengeometrie umgebenden Atmosphäre, und die Verwendung von gated oder nicht-gated Erkennung enthalten. ^9-12 Für Feld LIBS-basierte Mess-, zwei wichtige Faktoren zu berücksichtigen sind die Pulsenergie und die Verwendung des torge versus nicht-gesteuerte Erkennung. Diese zwei Faktoren bestimmen zu einem großen Teil der Kosten, der Größe und Komplexität der LIBS Instrument. Klein, robust gebaut Laser, die Impulse 10-50 mJ bei Wiederholungsraten von 0,3 bis 10 Hz erzeugen können, sind im Handel erhältlich und kann es sehr vorteilhaft sein. Daher ist es wichtig zu wissen, was, wenn überhaupt, Verlust der Erkennungsfunktionen aus der Verwendung dieser Laser führen. Die Pulsenergie ist ein wichtiger Parameter für LIBS, da sie die Menge an Material abgetragen wird und verdampft und das Anregungs char bestimmtschaften des Plasmas. Darüber hinaus kann die Verwendung von Gesteuerte Ermittlung der Kosten der LIBS-System zu erhöhen, als Ergebnis, ist es unbedingt erforderlich, die Unterschiede zwischen den Spektren und Erkennungsfunktionen zu bestimmen, mit gated und nicht-torgeErkennung.

Kürzlich wurde eine Studie durchgeführt, um einen Vergleich gated Detektion nicht-torgeErkennung für Spurenelemente in Stahl gefunden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Nachweisgrenzen waren vergleichbar, wenn nicht besser für nicht-gesteuerten Erfassungs. ^12. Ein wichtiges Merkmal ist, dass die LIBS Technik erfährt physikalischen und chemischen Matrixeffekte. Ein Beispiel des ersteren ist, dass die Laserpuls Paare effizienter mit leitenden / Metallflächen als nicht-leitenden Oberflächen. ¹³ Für diese Studie die Auswirkungen von Impulsenergie und Zeitparameter für die nichtleitenden Materialien wie Erde Simulanzlösemitteln wollten wir.

Zwar haben Feld tragbare LIBS Instrumente entwickelt und eingesetztFür einige Anwendungen ist eine umfassende Studie über die Erkennungsfunktionen nicht durchgeführt Vergleich höheren Energie-und Wohnanlagen zu geringeren Energie-und Nicht-Wohnanlagen mit Boden Simulanten. Diese Studie konzentriert sich auf die Laserpulsenergie und Timing-Parameter für die Bestimmung von Spurenelementen in komplexen Matrices. Die Laserimpulsenergie betrug 10 bis 100 mJ, um einen Vergleich zwischen der unteren und höheren Energien zu erhalten. Ein Vergleich der Verwendung von gated versus nicht-gesteuerten Detektion auch über den gleichen Energiebereich durchgeführt.

Protokoll

1. Laser System

1. Verwenden von einem Q-geschalteten Nd erzeugten Laserimpulse: YAG-Laser bei 1064 nm und bei 10 Hz liegt.
2. Fokus der Laserpulse auf die Probe mit 75 mm Brennweite.
3. Sammeln des Plasmalicht mit einer optischen Faser an und wies in der Nähe der auf der Probe gebildete Plasma gegeben.
4. Verwenden Sie ein Echelle-Spektrographen / ICCD die Entschlossenheit spektral und notieren Sie die LIBS-Spektrums.
5. Betätigen Sie den ICCD in beiden nicht-abgeschlossenen und bewachten Modi mit einem Gewinn von 125.
6. Verwenden Sie eine 0 Mikrosekunden Zeitverzögerung (t _d) in nicht-gated-Modus und einen 1 us t _d in Gated-Modus.
7. Für beide Modi, mit einem Gatebreite (T _B) von 20 &mgr; s mit einem 3 Sekunden Belichtung (Integration des Plasmalicht auf der ICCD Kamera-Chip), was in 30 einzelnen Laserschüssen hinzugefügt, um jedes Spektrum zu erzeugen führen.
8. Nehmen Sie insgesamt 5 solcher Spektren für jede Probe analysiert.
9. Verwenden Sie ein digitales Verzögerungsgenerator, um die t-SteuerungInstant Messaging zwischen dem Laser und der ICCD-Gate-Impuls. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt.
10. Stellen Sie sicher, das Timing mit einem Oszilloskop.
11. Betreiben Sie den Laser bei Pulsenergien von 10, 25, 50 und 100 mJ unter Verwendung von sowohl nicht-torge und gated Erkennung.
12. Die Laserenergie kontinuierlich zu überwachen und einzustellen, um die Drift zu korrigieren, wenn erforderlich.
13. Sicherheits Gegenleistung: Der Nd:. YAG-Laser ist ein Laser der Klasse IV, tragen Sie geeignete Laserschutzbrillen zu allen Zeiten beim Betrieb der Laser-und etablieren Zimmer Verriegelungen in Verbindung mit der Zimmertür und Laser ¹⁴

2. Proben und Probenvorbereitung

1. Verwenden Sie synthetisches Silikat zertifizierte Referenzmaterialien mit bekannten Elementkonzentrationen als Proben, diese nachzuahmen gemeinsamen Bodenproben mit Neben-und Spurenmengen von ausgewählten Elementen, die einen Bereich von Konzentrationen.
2. Konzentrationen der Spurenelemente reicht von wenigen ppm bis 10.000 ppm. Tabelle1 sind die Elemente hier überwacht einschließlich ihrer Linientypen und Wellenlängen für die Analyse verwendet. Die Linientypen I und II markiert bedeuten neutralen Atomen oder ein einfach ionisierten Atomen. Der gemeinsame Grundzusammensetzung jeder Probe Silikat SiO ₂ (72%), Al ₂ O ₃ (15%), Fe ₂ O ₃ (4%), CaMg (CO _{3) 2} (4%), Na ₂ SO ₄ ( 2,5%) und K ₂ SO ₄ (2,5%).
3. Drücken Sie die Proben in 31 mm Durchmesser Pellets mit einer hydraulischen Presse, um eine glatte Oberfläche für LIBS-Analyse erstellen. Die glatte Oberfläche hilft, um die Übereinstimmung mit den LIBS-Ergebnisse erstellen.
4. Analysieren Sie einen neuen Probenpunkt für jedes Spektrum aufgezeichnet.
5. Sicherheitsbetrachtung: Die synthetischen Silikat Proben enthalten eine Vielzahl von Elementen in verschiedenen Konzentrationen, Handschuhe bei der Handhabung tragen.

3. Vorbereiten Kalibrierungskurven

1. Bereiten Eichkurven für die verschieschiedenen Elemente sowohl in gated-und Nicht-Wohn Nachweis über den Bereich der Laserenergien getestet.
2. Stellen diese Kurven durch Auftragen der Peakfläche oder Peakfläche ins Verhältnis gesetzt (y-Achse) gegen die Konzentration Element (x-Achse).
3. Verwenden Sie eine lineare Trendlinie, um die Kalibrierungskurve passen. [Screenshot 1]
4. Berechnen Nachweisgrenzen mit 3σ Erkennung von der IUPAC definiert. ^15. [Berechnung 1]

4. Plasma Temperaturbestimmung

1. Messen Plasmatemperaturen von Boltzmann-Plots.
2. Verwenden Sie eine Reihe von Eisenlinien [Fe (I)] zwischen den Wellenlängen von 371 bis 408 nm bis Boltzmann-Grundstücke mit zu erstellen: ln (Iλ / GA) = _u-E / kT - ln (4ρZ/hcN ₀₎ (Gleichung 1) wobei I die Intensität des Übergangs aus der Peakfläche bestimmt, λ die Wellenlänge ist, A ist die Übergangswahrscheinlichkeit ist, g die Degeneration des Übergangs, E _u die obere Zustand zur Emission ist, k die Boltzmann-Konstante, T ist die Temperatur,Z ist die Partitionsfunktion, h ist das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit, N ₀ ist der Gesamtarten Bevölkerung.
3. Wählen Fe Linien, die E gewusst haben, _u, g-und A-Werte.

• Die Fe-(I)-Leitungen werden dabei 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
• Die E _u, g und A-Werte können auf dieser Website ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
• Stellen Sie sicher, dass Sie die Möglichkeit, die "g" unter zusätzlichen Kriterien wie Level-Informationen beschriftet zeigen auswählen.
• Verwenden Sie die E _k und g _k-Werte.

4. Um Temperatur, Grundstück ln (Iλ / GA) gegen E _u bestimmen und passen die Daten mit einer linearen Trendlinie;. Ist die Steigung gleich zu -1/kT ^16,17 [Screenshot 2]

5. Elektronendichtebestimmung

1. Um die elektro messenn Dichte, nutzen die volle Halbwertsbreite (FWHM) der Wasserstofflinie bei 656,5 nm.
2. Nehmen Sie diese Daten mit t _d = 0,5 Mikrosekunden und T _b = 4,5 us auf der ICCD.
3. Messen Sie die Halbwertsbreite der Wasserstoffleitung. [Screenshot 3]
4. Berechnen der Elektronendichte mit: N _e = 8,02 x 10 ¹² [Δλ _{1/2 /} α _1/2] ^3/2 (Gl. 2), wobei N _e die Elektronendichte, Δλ _1/2 ist die gemessene Halbwertsbreite der Wasserleitung, und α _1/2 ist die reduzierte Wellenlänge, die eine Funktion der Temperatur und die Elektronendichte ist. Die Werte für die reduzierte Wellenlängen in der Anlage Griem IIIa ^16-18 vorgesehen.
5. Berechnen der Elektronendichte mit einer Temperatur von 10.000 K (dies war die Nähe der mittleren Temperatur der Plasma). [Screenshot 4]

6. Arbeiten Sie alle Daten mit einem ProgrammKann dass die Peak-Flächen und / oder Microsoft Excel ermitteln

Ergebnisse

Wirkung der Laserpulsenergie und Detektionsmethoden auf Erkennungsfunktionen. LIBS Spektren der synthetischen Silikatproben wurden unter Verwendung gated und nicht-torge Detektion über den Bereich der Laserpulsenergien erfasst getestet. Über 100 Kalibrierungskurven wurden aus diesen Daten konstruiert, um den Effekt der Laserimpulsenergie zu bewerten. Eichkurven wurden durch (1) unter Verwendung der Fläche unter dem Peak Analyten und (2) durch Verhältnisbildung der Fläche des Analyt-Peak, der dem Be...

Diskussion

Beim Vergleich von nicht-torge und gated Detektionsmethoden, die Nachweisgrenze Daten zeigen, dass das gesteuerte Erfassungsmodus für den Nachweis von allen Elementen einschließlich derer, die nicht mit höheren Laserenergien in nicht-gesteuerten Erfassungsmodus erkennen ließ. Verwendung Gesteuerte Ermittlung wird der Anfangs hohen Hintergrund von der Ausbildung des Plasmas nicht beobachtet und der Hintergrund verringert, welches die Elementaremissions besser aufgelöst. Darüber hinaus waren die Nachweisgrenzen etwa...

Materialien

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