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

Riepilogo

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.

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.

Introduzione

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.

Protocollo

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.

4. 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

Risultati

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 ra...

Discussione

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 d...

Materiali

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