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激光誘導擊穿光譜技術的前世今生

發布時間:2019-02-28 15:51:27         點擊:2454

1、引言

       激光誘導擊穿光譜并不是一種新的分析方法,其前身可以追溯到1962年第十屆國際光譜學會議上。激光誘導擊穿光譜技術(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )簡稱為LIBS,是由美國 Los Alamos 國家實驗室的 David Cremers 研究小組于1962年提出和實現的。自從1962年該小組成員Brech最先提出了用紅寶石微波激射器來誘導產生等離子體的光譜化學方法之后,激光誘導擊穿光譜技術開始被廣泛應用于多個領域,如鋼鐵成分在線分析、宇宙探索、環境和廢物的監測、文化遺產鑒定、工業過程控制、醫藥檢測、地球化學分析,以及美國NASA的火星探測計劃CHEMCAM等,并且開發出了許多基于LIBS技術的小型化在線檢測系統。


2、LIBS的基本原理
       激光誘導等離子體光譜法本質上是一種利用原子發射光譜進行化學元素分析的方法,它與電弧和火花放電光譜的不同之處在于LIBS采用高能激光作為激發源。將高功率(1~10MW cm-2)激光聚焦于靶表面很小的區域,在激光的激發下大約10-9~10-12 g的樣品被燒蝕并產生高溫(10000~20000K)、高密度的等離子體。這時,樣品降解和氣化形成的原子或離子首先會產生一種連續輻射。由于這種輻射不包含有用的元素信息,無法用于分析。但是,等離子體接著會以超到各元素分立的特征譜線。這些特征譜線通過透鏡由光纖接收,最后進入攝譜儀或陣列開關式探測器加以分析。利用原子譜線波長和強度可以確定樣品中的元素組成和元素濃度。

       LIBS的激發方法決定了它可以直接分析各種狀態的樣品,包括氣體、液體和固體。任何元素在如此高能量密度激光的照射下都會被激發,所以它可以分析所有元素。LIBS的分析波長范圍和另名都實際上只取決于其所配置的光學系統和檢測器。另外,從技術上講,LIBS與其他利用激光作為激發源的光譜類似,比如激發拉曼光譜、激光誘導熒光光譜等。這些光譜儀的很多硬件都是相同的,現在已經嘗試將這些分析、原子光譜技術集成起來,以獲得樣品更為詳盡、更為深入的組成和結構信息。


3、特點
       由于采用激光作為激發源,LIBS與火花放電發射光譜和X射線熒光光譜(XRF)相比主要有以下優點:
       快速響應特性,能夠實時或接近實時情況下獲得所需信息。對于相對均勻的樣品,LIBS的測試時間只為XRF的1/3~1/30;
       可以分析各種形態的樣品,且不需任何前處理,避免了與處理過程可能造成的污染;
       導電、非導電樣品都可以測量,例如堅硬難溶的陶瓷;
       多元素同時分析、局部微區分析、表面分析功能;

       由于使用光纖實現激發光和發射光的傳遞,可通過光纖進行XRF不能實現的分析,如直接遠距離對核設施、嚴重污染區域等進行檢測以及對土壤次表層進行原位檢測。


4、激光誘導擊穿光譜儀實驗裝置
激光誘導擊穿光譜的實驗裝置系統主要是由激光器、真空室、光譜儀和PC機組成。
激光誘導擊穿光譜系統示意圖
激光誘導擊穿光譜系統示意圖
5、便攜式LIBS的應用
       因為LIBS的特點,尤其是適合現場分析的優點,近年來LIBS的發展主要還是集中在便攜式分析設備開發及其在實時分析領域的應用上。
       考古和礦物學:在文物修復和保藏前進行元素分析,可以同時得到文物所用材料及其可能的降解產物方面的信息。非接觸、快速、全元素分析、無需制樣等特點使LIBS分廠適合用于文物的現場分析。
       環境監測:環境監測是便攜式LIBS應用需求最大和應用實踐最多的領域,土壤成分分析就是環境監測的主要內容之一。
       空間科學研究:ICP、XRF等測試方法都需要電極或探針與待測樣品接觸或者需要將樣品裝進設備的樣品室,這些要求在空間科學研究中都比較難以滿足或者實現起來費時費力。LIBS的遙測功能使其特備適合于此類科學研究。

       金屬材料檢驗:LIBS與XRF和發射光譜相比有著諸多優點,是各種環境條件下實現金屬材料現場檢驗的重要手段,可以快速對各種混雜金屬制品提供定性、定量分析。隨著便攜式LIBS系統的不斷完善和分析性能的進一步一稿,它有望成為現場金屬材料檢驗的主流設備。

創想最新手持式激光誘導式光譜分析儀

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6、總結
隨著激光及相關技術的進步,LIBS必將成為現場分析領域的常規設備。
 

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