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怎么搭套LIBS 激光诱导击穿光谱系统?

发布时间:2024-04-30 爽报 YesDaily.COM 201

LIBS研究一般只需要准备非常少量的样品,简单的仪器,以及便于实施工业环境现场实时检测,其是一个非常好的工具。那么LIBS技术在生活中有哪些成功的应用?

1.快速,分析土壤和矿物(地质,采矿等)

2.外星探索(用LIBS技术来分析火星和金星土壤的具体情况,了解他们的元素组成)

3.环境监测(实时分析空气和水的质量,控制工业废水和废气排放量)

4.生物样品(肿瘤组织诊断,细菌类型检测,生物气溶胶和生物危害,过敏源,真菌的侦查,抗体,DNA分析)

5.Archeology (analysis of artifacts restoration quality) 考古学(文物修复质量分析)

6.军队和国防(有关生物武器,爆炸物,国土安全背包型检测系统检测)

7.燃烧过程(中间燃烧剂,燃烧产物,炉气体控制,未燃烧灰烬控制分析)

8.核工业

工作原理

通过高能量密度超短脉冲的激光器打到样品上。这样激光能量加热,蒸发,雾化,使得样品物质离子化,产生一个小范围的等离子体。这样处于等离子体的受激原子和离子会发射出次级光。最后通过光谱分析设备对等离子光进行光谱探测和分析。

而样品的每一个化学元素都是特有的光谱特性,我们可以根据不同元素的不同线状光谱,从获得的光谱进行元素的区分。因此,样品的多元素成分都可被确定,可以对样品中所含有的元素进行定性和定量的分析。

LIBS技术优势

LIBS对气体、固体、液体都可以进行痕量元素分析,是被认为最便捷和有效的分析技术

1.实时测量,可以进行在线监测和工业过程的质量控制检测

2.无损检测技术,对于一些有价值的样品,可重复使用,不会损伤样品

3.可以进行敏感材料分析,适用于活性生物分析等

4.可进行长距离远程测量,用于危险环境和太空探索任务

5.具备高空间分辨率,可以区分开不同元素的线状光谱

6.非常少量的样品要求,在新型化学材料,和新型复合材料或纳米结构的表征特性都非常有用。

7.样品的种类:可以是任何形式的气体、液体或者固体

8.几乎所有的化学元素都能进行分析,但重元素的X射线荧光不可用

9.硬材料的分析,例如陶瓷,超导材料,这些材料是很难溶解或样品进行其他类型的分析

10.气溶胶粒子的大小和化学成分可以同时进行分析

LIBS的关键设备

1.激光器:

LIBS系统通常用脉冲Nd:YAG激光器或者准分子激光器。

激光器的脉宽一般为ns量级,这样能够在极短时间内在样品表面聚焦产生超高能量,从而将样品表面微量元素剥离并激发出等离子体。

扩展:为了提高发射信号到10-30倍,可以使用两个正交信号激光发射。在这双激光脉冲作用下,第一束激光一般选用较强的激光脉冲用来烧蚀和雾化样品,而第二束激光进一步加热烧蚀样品,提高了原子或离子谱线强度。脉冲之间的时间延迟在实现信号强度增强中起到重要作用。这种技术提高了LIBS的灵敏度至少一个数量级。

2.光谱仪:

常用于LIBS光谱系统设备的光谱仪主要是多通道光纤光谱仪和中阶梯光谱仪,C-T光栅光谱仪。

多通道光纤光谱仪:

优点:一次成谱,可以多通道同步采集,进行快速在线采集。

缺点:内置线性CCD,灵敏度不高。同时无法采集到ns量级的信号。

可提供的厂家有:海洋光学,美国必达泰克,爱万提斯

中阶梯光谱仪:

优点:可以从190-1100nm整个光谱范围直接成谱,同时保证极高的分辨能力。

中阶梯光谱仪可以方便级联高性能CCD.

缺点:中阶梯光栅获得的光谱会存在严重的鬼线、伴线等噪声

厂家:德国LTB公司,英国Andor

C-T光栅光谱仪:在极少数情况下,应用需要更高的分辨率,可以采用长焦长光栅光谱仪,750mm或者800mm。

优点:分辨率高,光栅可以选择全息光栅,可以降低噪声的影响

缺点:长焦长光谱仪,分辨率高,一次采谱的范围就会窄,如果覆盖全谱,需要多个谱线合并在一起。这样整个谱线的获取可能需要长达几十秒钟或更长的时间,这就是为什么中阶梯光谱仪在LIBS应用中变得非常普及的原因。

厂家:美国Princeton Instruments,英国Andor.

3.探测器

ICCD探测器:

通常,在LIBS应用中脉冲激光器的脉宽只有十几ns。特别是在非侵入性和非破坏性分析是必需的,相对少的激光能量转移到样品上。因此,脉冲激光器产生微弱发射信号持续时间也很短大约在100ns左右,一般很难被传统的CCD探测器捕捉到。

因此需要ICCD探测器来进行采集。具体的门控时间,可以根据信号的周期来选配,快速的有2-3ns的门控ICCD,慢速的有200ns门控的ICCD可以选配。

ICCD推荐厂家:美国Princeton Instruments PI-MAX4 ICCD系列,英国Andor i-star ICCD or I-sCMOS.

普通高灵敏CCD探测器:

如果测量持续时间不是一个问题,普通的CCD配合光栅光谱仪也可以应用在LIBS技术。对于非增强型CCD要获取光信号,则需要进行长时间曝光。在这种情况下,通过多个激光脉冲等离子体发射信号积累在CCD上。

然而,人们应该小心对背景噪声和低信噪比的过度积累。尤其在露天环境、没有一个封闭的样品室的情况下,这就特别重要了。由于CCD曝光持续很长一段时间,房间里所有的杂散光源都应该被消除,应在黑暗情况下进行测量。

普通的CCD和ICCD相比可以经常应用在更复杂的系统中,因为像增强CCD在强光下容易受到损坏。因此,要特别注意防止ICCD暴露在如激光反射的强光源下。而一个普通CCD,一般很难被强光损害。


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