JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Toprak simulants üzerinde KIBS algılama yetenekleri darbe enerjileri ve zamanlama parametreleri bir dizi kullanılarak test edildi. Kalibrasyon eğrileri farklı parametreler için algılama sınırları ve karşı duyarlılıklarını araştırmak için kullanıldı. Genellikle, sonuçlar alt nabız enerjileri ve non-kapılı algılama kullanarak algılama yeteneklerinde önemli bir azalma olmadığını gösterdi.

Özet

Düşük nabız enerjilerin (<100 mJ) ve zamanlama parametreleri üzerinde bazı KIBS algılama yetenekleri bağımlılığı sentetik silikat örnekleri kullanılarak incelenmiştir. Bu örnekler için toprak benzerlerinde yaygın olarak kullanılan ve konsantrasyonları, geniş bir toprakta bulunan küçük ve eser elementleri ihtiva edilmiştir. Bu çalışma için, 100'ün üzerinde kalibrasyon eğrileri farklı darbe enerjileri ve zamanlama parametreleri kullanılarak hazırlanmış; tespit sınırları ve hassasiyetleri kalibrasyon eğrileri belirlenmiştir. Plazma sıcaklığı, aynı zamanda, çeşitli enerjileri ve test edilen zamanlama parametreleri için Boltzmann araziler kullanılarak ölçülmüştür. Plazmanın elektron yoğunluğu test enerjilerinin fazla 656,5 nm hidrojen hattının tam genişlikli yarım maksimum (FWHM) kullanılarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, düşük darbe enerjileri ve non-kapılı algılama kullanımı ciddi analitik sonuçları olumsuz olmadığını göstermektedir. Bu sonuçlar tasarımına çok alakalı alanda-ve kişi-taşınabilir KIBS aletleri.

Giriş

Lazer kaynaklı arıza Spektroskopisi (LIBS) uyarım kaynağı olarak bir lazer tarafından oluşturulan bir kıvılcım kullanan element analizi, basit bir yöntemdir. Lazer darbeli, ısıtır ablates, atomize ve plazma oluşumu ile sonuçlanan bir yüzey malzemesi iyonize bir yüzey üzerine odaklanmıştır. Plazma ışık Işıksal çözülmesi ve algılanır ve elemanları kendi spektral imzaları ile tanımlanır edilir. Düzgün kalibre ise, LIBS kantitatif sonuçlar sağlayabilir. LIBS az veya hiç numune hazırlama ile katı, gaz ve sıvı analiz edebilirsiniz. 1. Bu özellikleri laboratuarda yürütülen olamaz analizler için idealdir.

Şu anda, LIBS özellikle çok farklı uygulamalar ölçümü için alan bazlı ölçümler gerektiren olanlar için çalışılmaktadır. 1-8 Bu alan bazlı sistem için uygun sağlam ve kompakt bileşenleri kullanarak KIBS enstrümantasyon geliştirilmesini gerektirmektedir. Çoğu durumda,se bileşenler böylece analiz performansından ödün, laboratuar tabanlı enstrümantasyon tam yeteneklere sahip değildir. LIBS sonuçlar lazer darbe parametreleri ve örnekleme geometri, çevreleyen atmosfer ve Geçitli veya non-kapılı algılama kullanımını içeren diğer ölçüm koşullarına bağlıdır. 9-12 alan bazlı KIBS enstrümantasyon için, dikkate alınması gereken iki önemli faktör darbe enerji vardır ve kullanımı olmayan kapılı algılama karşı Geçitli. Bu iki faktör, büyük ölçüde LIBS enstrümanın maliyet, boyut ve karmaşıklık belirler. 0,3-10 Hz tekrarlanma oranlarda 10-50 mJ gelen pulsları üretir Small, sağlam yapılı lazerler ticari olarak temin edilebilir ve kullanımı son derece avantajlı olacaktır. Bu nedenle, eğer varsa, algılama yeteneklerine kaybı Bu lazerlerin kullanımı neden olur, ne bilmek önemlidir. Bu ablasyon ve buharlaşmış malzeme miktarı ve uyarma karakter olarak belirleyen darbe enerjisi LIBS için önemli bir parametredirPlazmanın tiklerinden ötürü. Buna ek olarak, kapı tespit kullanımı LIBS sistemin maliyetini artırabilir, sonuç olarak, bu kapı ve non-kapılı algılama kullanarak spektrumları ve algılama yetenekleri arasındaki farklılıkları belirlemek için zorunludur.

Son zamanlarda, bir çalışma çelik bulunan küçük elementlerin olmayan kapılı tespiti için bir kapı algılama karşılaştırılarak yapıldı. Sonuçlar algılama sınırları olmayan kapılı tespiti için karşılaştırılabilir olmasa daha iyi olduğunu gösterdi. 12. LIBS önemli özelliklerinden birisi, teknik, fiziksel ve kimyasal matriks etkileri deneyimleri olduğunu. Eski bir örneği daha iletken / metal yüzeyleri ile daha verimli lazer darbeli çiftler yüzeyleri, iletken olmayan olmasıdır. 13 Bu çalışma için, toprak benzerlerinde gibi iletken olmayan malzemeler için darbe enerjisi ve zamanlama parametrelerini etkisini belirlemek istedi.

Her ne kadar, alan taşınabilir KIBS alet geliştirilmiş ve kullanılmıştırbazı uygulamalar için, algılama yetenekleri üzerinde kapsamlı bir çalışma toprak benzerleri kullanılarak düşük enerji ve non-kapılı sistemlerde daha yüksek enerji ve kapı sistemlerini karşılaştırırken yapılmamıştır. Bu çalışma karmaşık matrisler iz elementlerin belirlenmesi için lazer darbe enerjisi ve zamanlama parametreleri üzerinde duruluyor. Lazer darbesinin enerjisi düşük ve daha yüksek enerji arasında bir karşılaştırma elde etmek üzere 10 ile 100 mJ arasında bulunmuştur. Non-kapılı algılama karşı kapılı kullanımının bir karşılaştırılması da, aynı enerji aralığı üzerinde yapıldı.

Protokol

1.. Lazer Sistemi

  1. Q-anahtarlı Nd tarafından üretilen lazer darbeleri kullanın: YAG lazer 1,064 nm ve 10 Hz'de çalışan.
  2. 75 mm odak uzaklığı lens numune üzerine lazer darbeleri Odak.
  3. Işaret ve örnek üzerinde oluşan plazma yakın yerleştirilmiş bir fiber optik ile plazma ışığı toplamak.
  4. Kararlılığını spektral ve KIBS spektrum kaydetmek için bir Eşel spektrograf / ICCD kullanın.
  5. 125 bir kazanç kullanarak hem non-kapılı ve Geçitli modlarında ICCD çalıştırın.
  6. Non-kapılı modunda 0 mikro saniye olduğu zaman gecikmesini (t d) ve Geçitli modunda 1 mikro saniye olduğu t d kullanın.
  7. Modları için, (ICCD kamera çip plazma ışığı entegre) bir 3 sn pozlama ile 20 mikro saniye bir kapı genişliği (t b) kullanın, bu 30 ayrı lazer çekim için her spektrum üretmek üzere eklenen neden olur.
  8. Analiz edilen her numune için 5 böyle spektrumları toplam kaydedin.
  9. T kontrol etmek için bir dijital gecikme jeneratör kullanınlazer ve ICCD kapı darbesi arasında IMing. Kurulmuş deney, Şekil 1 'de gösterilmiştir.
  10. Bir osiloskop ile zamanlamasını doğrulayın.
  11. Non-kapı ve kapılı hem de algılama kullanarak darbe 10 enerjileri, 25, 50, ve 100 mJ'de lazer çalıştırın.
  12. Sürekli lazer enerjisini izleme ve gerektiğinde, sürüklenme düzeltmek için ayarlanır.
  13. Güvenlik Notları: Nd:. YAG lazer Sınıf IV lazer, lazer çalıştırırken her zaman uygun lazer güvenlik gözlükleri ve oda kapı ve lazer ile birlikte oda kilitleri kurmak 14

2. Örnekleri ve Örnek Hazırlama

  1. Numune olarak bilinen element konsantrasyonları ile sentetik silikat sertifikalı referans malzemeleri kullanın, bunlar küçük ortak toprak örnekleri taklit ve konsantrasyonlarının bir aralığı kapsayan seçilen elemanların eser miktarda.
  2. Iz elementlerin miktarları birkaç ppm ila 10000 ppm. Tablo değişmekteydiAnalizi için kullanılan kendi hat türleri ve dalga boyları da dahil olmak üzere burada izlenir 1 listeleri elemanları. I ve II olarak etiketlenmiş çizgi türleri sırasıyla, nötr atomlar veya tek başına iyonlaşmış atom anlamına gelir. Her bir numunenin silikat ortak baz bileşimi SiO 2 (% 72), Al 3 2 O (% 15) 'dir, Fe 2 O 3 (% 4), CaMg (CO 3) 2 (% 4), 2 Na SO 4 ( % 2.5), ve K 2 SO 4 (% 2.5).
  3. LIBS analiz için düz bir yüzey oluşturmak için bir hidrolik pres kullanılarak 31 mm çapında topaklar halinde örnekleri basın. Pürüzsüz yüzey KIBS sonuçları ile tutarlılık oluşturmak için yardımcı olur.
  4. Kaydedilen her bir spektrum için yeni bir örnek nokta analiz.
  5. Emniyet göz: sentetik silikat örnekleri çeşitli konsantrasyonlarda elemanları geniş bir yelpazede içerir; taşıma sırasında eldiven giyin.

3. Kalibrasyon Eğrileri hazırlanıyor

  1. Vari için kalibrasyon eğrileri hazırlayıntest edilen lazer enerjileri aralığında işlenir ve non-kapılı her iki algılama lı elemanları.
  2. Element konsantrasyonu (x-ekseni) karşı pik alanı veya ratioed pik alanı (y-ekseni) grafiğini çizmek suretiyle bu eğrileri yapın.
  3. Kalibrasyon eğrisi uygun bir doğrusal eğilim hattı kullanın. [Ekran görüntüsü 1]
  4. IUPAC tarafından tanımlanan 3σ algılama kullanarak algılama sınırlarını hesaplayın. 15. [hesaplama 1]

4. Plazma sıcaklığı belirlenmesi

  1. Boltzmann parsellerden plazma sıcaklıkları ölçmek.
  2. - Ln (4ρZ/hcN 0) (Eşitlik 1) ln (Iλ / gA) =-E u / kT: kullanarak Boltzmann araziler yaratmak için 371-408 nm dalga boyu arasında demir hatları [Fe (I)] bir dizi kullanımı I pik alanı ile belirlenen geçişin yoğunluğu olduğu yerde, λ dalga boyu olan, bir geçiş olasılığı, g geçişin yozlaşması olan, E u emisyon için üst durumdur, k Boltzmann sabiti, T sıcaklıktır,Z h Planck sabiti, c ışık hızı olduğunu, bölme fonksiyonu, N 0 toplam türler nüfusu.
  3. E u, g ve A değerleri bilinen Fe çizgiler seçti.
  • Burada kullanılan Fe (I) hatları 371,99, 374,56, 382,04, 404,58, 406,36 nm.
  • E u, g ve A değerleri bu web sitesinde bulunabilir ( http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html )
  • Düzey bilgi olarak etiketlenmiş ek kriterler altında "g" göstermek için seçeneği seçmek için emin olun.
  • E k ve g k değerleri kullanın.
  1. E u karşı sıcaklığı, arsa ln (Iλ / gA) belirlemek ve bir doğrusal eğilim çizgisi ile veriyi sığdırmak için. Eğimi -1/kT eşittir 16,17 [screen shot 2]

5. Elektron Yoğunluk Tayini

  1. Elektro ölçmek içinn yoğunluğu, 656,5 nm hidrojen çizgisinin yarı maksimum (FWHM) de tam genişliği kullanın.
  2. = T d kullanarak bu verileri almak 0.5 mikro saniye olduğu ve t b = ICCD üzerinde 4.5 mikro saniye olduğu.
  3. Hidrojen hattının FWHM ölçün. [Ekran görüntüsü 3]
  4. Kullanılarak elektron yoğunluğu hesaplayın: N e = 8.02 x 10 12 [Δλ 1/2 / α 1/2] N e elektron yoğunluğu 3/2 (Denklem 2), Δλ 1/2 arasında ölçülen FWHM olduğu hidrojen hattı ve α 1/2 sıcaklığın bir fonksiyonu ve elektron yoğunluğu düşük dalga boyudur. Indirgenmiş dalga boyları için değerler en Griem Ek IIIa 'da verilmiştir. 16-18
  5. (Bu plazma ortalama sıcaklığına yakın) 10,000 K bir sıcaklığı kullanılarak elektron yoğunluğunu hesaplar. [Ekran görüntüsü 4]

6. Bir Programı Kullanma Tüm Verileri çalışınbu tepe alanlarının ve / veya Microsoft Excel belirleyebilir

Sonuçlar

Sentetik silikat numune algılama yeteneklerine lazer darbeli enerji ve araştırma modları etkisi. LIBS spektrumları test lazer darbeli enerji aralığında işlenir ve non-kapılı algılama kullanılarak kaydedildi. 100 üzerinde kalibrasyon eğrileri lazer darbe enerjisinin etkisini değerlendirmek için bu verilere inşa edildi. Kalibrasyon eğrileri (1) analit tepe noktasının altındaki ve (2) 405,58 nm'de demir tepe alanına analit pik alanı ile ratioing alanını kullanarak hazırlandı...

Tartışmalar

Non-kapı ve kapı algılama modları karşılaştırırken, saptama sınırı verileri kapılı algılama modu olmayan-kapılı algılama modunda yüksek lazer enerjileri kullanılarak görülmedi olanlar da dahil olmak üzere tüm öğeleri tespiti için izin verdiğini gösteriyor. Kapılı algılama kullanarak, plazma oluşumu başlangıç ​​yüksek plan gözlenmemiştir ve arka elemental emisyon daha iyi çözülmesi gösteriyor azaltılır. Ayrıca, tespit limitleri kapılı algılama kullanılarak biraz düş...

Açıklamalar

Yazarlar ifşa etmek bir şey yok.

Teşekkürler

Bu çalışma Enerji, Bilim Ofisi ABD Bölümü ile finanse edildi.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Equipment
Nd:YAG laserContinuumSurelite II
Echelle spectrograh/ICCDCatalina/AndorSE200/iStar
Digital delay generatorBNCModel 575-4C
Hydraulic PressCarverModel-C
31-mm pellet dieCarver3902
Power meter indictor modelScientech, Inc.Model number: AI310D
Power meter detector modelScientech, Inc.Model number: AC2501S
OscilloscopeTektronixMSO 4054
Optical fiberOcean OpticsQP1000-2-UV-VIS
Lens kit (this kit contains the 75 mm f.l. lens)CVI OpticsLK-24-C-1064
Reagent/Material list
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07704
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07705
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07706
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07708
Synthetic silicate sampleBrammer Standard CompanyGBW 07709
Aluminum caps (for pressing synthetic silicate samples)SCP Science040-080-001

Referanslar

  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. , (1997).
  16. Cremers, D. A., Radziemski, L. J. . Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. , (2006).
  17. Griem, H. R. . Spectral Line Broadening by Plasmas. , (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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

KimyaSay 79analitik kimyalazer ara t rmaatom fizi iLIBSLazer kaynakl ar za spektroskopisiGe itli ve non kap l alg lamaenerji et d

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır