激光诱导击穿光谱二维元素的映射半岛综合体育官方APP下载德甲

Jan Novotny卡雷尔Novotny大卫·Prochazka AlešHrdlička和约瑟夫皇帝

实验室的激光光谱学、物理工程学院FME 半岛综合体育官方APP下载德甲& CEITEC但中欧理工学院,布尔诺科技大学Technicka 2896/2, 616 69布尔诺,捷克共和国。bdapp官方下载安卓版电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

激光诱导击穿光谱(LIBS),半岛综合体育官方APP下载德甲¹相对年轻的原子发射光谱技术,使用作为激励源聚焦激光脉冲,这有效的结合了元素分析领域的一个显著的优半岛综合体育官方APP下载德甲势。

虽然第一次填词分析发生后不久的建设在1962年第一次激光,发展一个更大的规模发生在1980年代的开始主要是由于生产现代强大的Nd: YAG激光和电荷耦合装置(CCD)探测器。

今天,库是越来越感兴趣的主题由于其速度、相对简单的仪器设置,不要求样品制备和可能决定大部分的元素周期表,连同其他属性。库可以用来执行一个空间分析解决,因此可以用于深度剖析和表面的映射。表面映射和创建所谓的“化学地图”,²(或分析样品的“化学图像”)提出了在库的一个示例应用程序。

物理原理

库利用光学发射的光谱分析等离子体羽为了确定的元素成分分析材料。分析开始的高功率激光脉冲聚焦在样品表面之间的光斑直径一般单位几百微米。高辐照度的顺序GW-TW厘米²融化和蒸发少量的任何材料在任何状态的物质。粒子是兴奋的多光子吸收、化学键断裂和样品雾化。自由电子获得进一步的能量与其他电子或离子碰撞和逆轫致辐射。电离作用迅速传播,导致建立一个等离子体电子密度大约10¹⁷-10年^20.厘米³10、温度³-10年⁴K和大小到几毫米——这取决于激光脉冲能量和环境压力。初始等离子体膨胀速度可以10⁵女士¹数量级和生成一个特征明显声响冲击波。

从第一时刻存在等离子体的发射光谱是由连续背景轫致辐射造成的。当激光脉冲结束时,等离子体开始降温,背景水平逐渐减毒和原子发射谱线的元素变得清晰可见。的最佳时间窗口捕捉发射光谱通常从数以百计的ns几十µs衡量激光脉冲触发。后这一次原子线的强度降低和分子乐队开始出现。

光学光谱范围从200纳米到900纳米原子发射谱线包含大部分的化学元素,因此它通常可以执行一个完整的定性分析在几秒钟内只有一个单一的激光枪。需要注意的是,填词不能直接确定化合物,因为他们已经在等离子体分解。

执行一个定量分析的决心集中需要进行校准。测量一系列标准与已知浓度或使用内部standardsation是最常见的技术。一种技术称为calibration-free填词³也可以使用。在这种情况下浓度由理论计算等离子体参数(如温度和电子密度),而不需要任何校准数据。由于激光等离子体的波动,应用标准化技术为宜。

限制检测通常在1 - 100 ppm的范围取决于样本的类型和元素的兴趣。更多细节可以在引用1和4。

仪表

典型的填词的设置(见图1)包括几个基本组成部分。脉冲激光发生器,激光聚焦透镜诱导等离子体在样品表面,聚光透镜收集等离子体辐射的光谱仪探测器捕捉分散的发射光谱。整个系统,即探测器接触对激光触发,通常是由脉冲发生器同步。

尽管典型的组装库设置相对简单,高要求放在单个组件的操作参数。填词仪器及其应用的发展高度依赖的进步发展领域的脉冲激光、光谱分析仪和探测器的光学辐射。脉冲激光辐照高(> GWcm的能力²)是必要的为了诱导等离子体在大多数样品。光泵q开关固态(Nd: YAG, Ti: Sa)或光纤激光器目前广泛应用的鲁棒性和price-to-performance比率。波长范围从紫外红外(IR),脉冲持续时间从ns fs,脉冲和能量从µJ数以百计的乔丹。

光谱仪的高吞吐量和分辨率是必要的。尽管中阶梯光栅类型值得特别提及的特殊组合的高分辨率光谱范围宽(通常覆盖整个填词范围从200纳米到900纳米)Czerny-Turner配置仍然是首选的敏感性。

由于等离子体发射动力学,探测器的关键参数是它的时间分辨率。快速电子快门,能够限制µs的曝光时间单位可以大大提高signal-to-background比原子发射谱线。很明显,其他参数如灵敏度高、量子效率、低暗电流和高动态范围也十分重要。加剧了电荷耦合器件(ICCD)探测器多渠道板(MCP)已被证明是一个最好的解决方案库应用程序,尽管有时利用率较低的成本和更紧凑的电子倍增ccd (EMCCDs)可以是有益的。

另一方面,低成本的专业中设置可以建立了利用脉冲微芯片激光器与光电二极管检测合适的滤光器。但重要的是要注意,这样的设置的性能将会相当有限。

方法和应用

标准桌面单脉冲中设置可以修改来提高其填词光谱能力或适应LIBS技术一个新的应用程序。⁵

双脉冲库,⁶结合库+激光诱导荧光,⁷应用纳米粒子到样品表面⁸或者只是改变环境气氛的类型和压力⁹可显著提高signal-to-background比率,从而提高检测微量元素的极限。高放大倍数的显微镜目标聚焦高斯激光脉冲使µLIBSµm大小的点分析与高空间分辨率。液体和样品溶解在液体可以快速分析通过液体库直接针对激光脉冲流。¹⁰库还可以分析气体和气溶胶,并且有可能分析单一纳米粒子大小的量。¹¹

中设置可以让手机为了执行原位分析形状和大小类似于现代手持式光谱仪(x射线荧光检测器)。自激光脉冲与等离子体辐射可以很容易地通过环境空气或光纤,传输的分析可以进行远程距离通常从几个单位到几十米。¹²远程库利用光学纤维与手持探测器,在对峙中激光脉冲聚焦直接到样本的望远镜。分析成功的距离超过100据报道使用对峙中设置。¹³

LIBS技术作为分析工具的应用程序快速化学分析是重点,在其他事物之外,主要领域的钢铁行业,金属合金的化学分析和快速融化钢铁的在线分析,检测有毒元素在食品工业、环境诊断、化学分析在考古和文化遗产,矿物含量测定地质、痕量分析法医分析和检测的炸药。快的测量样本库分析和可能性原位和远程使测量在地方和情况下无法进行其他更传统的技术;这种位置的例子是核电站的环境和外星研究由美国国家航空航天局好奇心探测车(CHEMCAM)。¹⁴

幽默可以非常有效地结合拉曼光谱获取更详细的信息关于样品的化学成分半岛综合体育官方APP下载德甲¹⁵或计算机断层扫描(CT)为了重建一个化学元素分布的3 d地图。

化学成像

今天的化学成像分析的材料在许多领域的极大兴趣。例如,它可以提供关于个人的表面分布信息化学元素分析领域内一个非常明确的视觉形式。利用LIBS为此带来很多好处。分析比较快,不需要任何样品制备和由此产生的化学地图包含所有化学元素的光谱跟踪。填词的空间分辨率可高达数万甚至微米,单位根据激光能量配置和参数的激光聚焦透镜。

根据所需的分辨率和样本覆盖面积,可能需要执行从几百到几万测量。自动测量因此可以加快这一进程,节省大量的时间。

团队在实验室激光光谱学的布尔诺科技大学(捷克布尔诺)一直在与超过15年的半岛综合体育官方APP下载德甲填词方法特别关注生物、地质和考古样品。化学映射²广泛用于实验室检测和可视化所需的化学元素的分布在样品的表面上。实验室桌面的中心组件库设置互动室,已由实验室研究团队开发以满足所要求的库方法及其修改。室包含电动机械手,通过控制软件可以进行自动二维映射。

化学映射的描述在下一节中,下面的双脉冲中配置已经使用(参见图2):

• 脉冲Nd: YAG激光太阳能lq - 529(脉冲长度8 ns,脉冲能量280 mJ,波长532 nm)作为主要激光诱导等离子体的样品表面,
• 脉冲Nd: YAG激光Quantel辉煌B(脉冲长度8 ns,脉冲能量800 mJ,波长1064/532 nm),作为第二激光等离子体加热,
• 中阶梯光栅光谱仪和或Mechelle 5000(光谱范围200 - 975海里),
• ICCD探测器和或iStar 734像增强管(微通道板,MCP),内部脉冲发生器(纳秒时间分辨率)
• 脉冲发生器斯坦福DG535单个组件的同步。

实验

地图选定元素的例子在图3和图4所示。面积8毫米×8毫米分析了表面上的砷铂矿(铂砷化物矿物)和减少黄铜矿(铜硫化铁矿物)石(图3)左边。空间分辨率是100µm,火山口的直径大约是50µm并对6µm坑的深度。目标是想象的表面分布的元素,例如Pt,铅和镍。

双脉冲填词是为了获得最好的光谱使用单一的测量。主脉冲在532 nm的能量30 mJ, 1.5 ns二级脉冲的时间间隔后加热等离子体羽100 mJ的脉冲能量和波长1064纳米。

地图是由一个自动测量矩阵的包含6400个点,因此,地图数据包含相同数量的光谱没有积累(一个光谱测量位置)。由于中阶梯光栅光谱仪的光谱范围宽(UV-vis-NIR)每个测量包含所有化学元素存在的证据。通过定义特征原子发射谱线的波长很容易设置地图想象任何所需的化学元素的分布,例如,图3和图4。

类似的测量是为黄铜矿的另一个示例(参见图5)为了定位方铅矿静脉。自从方铅矿是铅和硫的化合物(PbS)感兴趣的元素是导致其原子发射线405.708海里。在这种特殊情况下,一个更大的面积25×25毫米²分析了表面的减少(图5)的左侧。

与前面的砷铂矿映射的情况下,测量了使用正交双脉冲LIBS技术使用相同的激光器和探测器参数。空间分辨率是100µm和火山口直径大约50µm。化学地图建立使用超过60000测量。图5中信号强度反映了空间分布的铅样品横截面。强度色标在任意单元可用于半定量估算含铅量甚至信号校准后的定量测定。

正如上面提到的,库可以有效地结合计算机断层扫描,以获得更多关于样品及其属性的信息。CT可提供的结构信息和三维模型样本,不同材料的物理性质是有区别的,幽默可以确定这些材料的化学元素。结合分析的结果可以看到如图6所示。方铅矿静脉内的三维分布样本是透露,这可以用于整个样本内铅量的估计。

结论

空间解决材料分析是现代材料科学的高度要求在许多领域和行业。LIBS能够执行这样一个分析。其空间分辨率主要由激光火山口直径是有限的,但可以小到几微米的单位。其他好处,比如速度,不需要样品制备,测量可能性原位甚至对峙,使库的一个有效的可视化工具在样品表面化学元素分布。一些化学地图所示本文记录的最近分析了地质样品说明此功能。

尽管仍有一些缺点,例如稍微有问题的定量分析和基体效应,库已成为一个受尊敬的技术,补充其他著名的材料分析技术,如原子吸收光谱、x射线荧光、电感耦合等离子体质谱仪,气相色谱分析-质谱法(gc - ms)等。半岛综合体育官方APP下载德甲

LIBS技术不仅是学习和使用在许多研究机构和大学,但仪表正在日益商业化开发由于日益增长的现实世界和工业应用的必要性。现在有很多公司的产品组合包括LIBS技术。这篇文章的作者正在开发LIBS和仪表与大学的密切合作,第一分拆的研究中心,AtomTrace公司(www.atomtrace.com)。

确认

作者要感谢项目“发展互动室的激光诱导击穿光谱(LIBS)”(TA02011272)的技术机构的捷克共和国(TACˇR)和项目“欧洲理工学院CEITEC-Central”(CZ.1.05/1.1.00/02.0068)从欧洲区域发展基金半岛综合体育官方APP下载德甲。bdapp官方下载安卓版Jan Novotny承认项目CZ.1.07/2.3.00/30.0005:“支持卓越的跨学科研究团队建立,但“。

引用

1. r·诺尔(激光诱导击穿光谱:基本面和应用程序半岛综合体育官方APP下载德甲。施普林格(2012)。doi:http://dx.doi.org/10.1007/978 - 3 - 642 - 20668 - 9
2. 诉,委内瑞拉议员马特奥g·尼古拉斯,“激光诱导击穿光谱化学材料”的映射,半岛综合体育官方APP下载德甲达成。Spectrosc。牧师。48岁的357 - 383 (2013)。
   doi:http://dx.doi.org/10.1080/05704928.2012.717569
3. e . Tognoni g . Cristoforetti Legnaioli和诉Palleschi“Calibration-free激光诱导击穿光谱:国家的艺术”,半岛综合体育官方APP下载德甲Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。65年,1 - 14 (2010)。
4. D.W.哈恩和n .托”,激光诱导击穿光谱(LIBS),第一部分:审查的基本诊断和plasma-part半岛综合体育官方APP下载德甲icle交互:仍面临问题分析等离子体中的社区”,达成。Spectrosc。64年,335 - 66 (2010)。doi:http://dx.doi.org/10.1366/000370210793561691
5. D.W.哈恩和n .托”,激光诱导击穿光谱(LIBS),第二部分:评估工具和方法的材料分析和应用不同的领半岛综合体育官方APP下载德甲域”,达成。Spectrosc。66年,347 - 419 (2012)。doi:http://dx.doi.org/10.1366/11 - 06574
6. 造成Babushok f.c德卢西亚,J.L. Gottfried c·a·芒森和托Miziolek,“双脉冲激光烧蚀等离子体:激光诱导击穿光谱信号增强”,半岛综合体育官方APP下载德甲Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。61年,999 - 1014 (2006)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2006.09.003
7. 得出某个特区Beddows, G.W.莫里斯和o . Samek“敏感和有选择性的金属样品光谱化学分析:激光诱导击穿光谱和激光诱导荧光光谱的结合”,半岛综合体育官方APP下载德甲Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。56岁的947 - 960 (2001)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/s0584 - 8547 (01) 00190 - 2
8. 一个。De Giacomo r . Gaudiuso c . Koral m .戴尔'Aglio和o·德·帕斯卡尔,“纳米颗粒增强型激光诱导击穿光谱:纳米颗粒沉积在样品表面对激光烧蚀的影响和等离子体发射”,Spectrochim。半岛综合体育官方APP下载德甲学报B部分。Spectrosc。98年,19-27 (2014)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2014.05.010
9. g . Asimellis美国汉密尔顿,a . Giannoudakos和m . Kompitsas“控制惰性气体环境增强氯和氟检测中的可见光和近红外激光诱导击穿光谱”,半岛综合体育官方APP下载德甲Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。60岁,1132 - 1139 (2005)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2005.05.035
10. p .为什么ˇizka, d . Prochazka z Pilat, l . Krajcarova j . Kaiser r . Malina et al .,“应用激光诱导击穿光谱分析藻类生物质工业生物技术”,半岛综合体育官方APP下载德甲Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。74 - 75,169 - 176 (2012)。doi:
    http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2012.06.014
11. F.J. Fortes, a . Fernandez-Bravo和j·哈维尔Laserna“化学表征单一微型和纳米粒子的光学catapulting-optical trapping-laser-induced击穿光谱”,半岛综合体育官方APP下载德甲Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。One hundred.78 - 85 (2014)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2014.08.023
12. F.J. Fortes和J.J. Laserna fieldable激光诱导击穿光谱仪的发展:不限制在地平线上”,Spectrochim。学报B部分。Spectrosc。65年,975 - 990 (2010)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.sab.2010.11.009
13. 美国Palanco和j . Laserna遥感仪器基于大道的固体样品原子发射光谱法”,启科学。Instrum。75年,2068 (2004)。doi:http://dx.doi.org/10.1063/1.1753675
14. A.K.骑士,N.L. Scherbarth, D.A.克莱莫M.J.摩天,”表征的激光诱导击穿光谱(LIBS)应用于太空探索”,半岛综合体育官方APP下载德甲达成。Spectrosc。54岁的331 - 340 (2000)。doi:http://dx.doi.org/10.1366/0003702001949591
15. ”栏目沙玛,A.K. Misra P.G. Lucey R.C.F. Lentz,“联合远程拉曼和填词工具描述矿物与532 nm激光激发”,Spectrochim。学报a Biomol摩尔。Spectrosc。73年,468 - 476 (2009)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.saa.2008.08.005