תלות של תוצאות ספקטרוסקופיה ההתפלגות מושרה לייזר על אנרגיות דופק ופרמטרים תזמון שימוש Simulants קרקע
Summary
יכולות זיהוי LIBS על simulants הקרקע נבדקו באמצעות מגוון של אנרגיות דופק ופרמטרי עיתוי. עקומות כיול שימשו לקביעת מגבלות זיהוי ורגישויות לפרמטרים שונים. באופן כללי, התוצאות הראו שלא הייתה ירידה משמעותית ביכולות זיהוי באמצעות אנרגיות דופק נמוכות וגילוי שאינו מגודרת.
Abstract
התלות של כמה יכולות זיהוי LIBS על אנרגיות נמוכות יותר דופק (<100 MJ) ופרמטרי תזמון נבדקה באמצעות דגימות סיליקט סינתטיות. דגימות אלה שימשו כsimulants לאדמה והכילו אלמנטים קטנים ועקבות נמצאים בדרך כלל בקרקע במגוון רחב של ריכוזים. במחקר זה, מעל 100 עקומות כיול הוכנו באמצעות אנרגיות דופק שונות ופרמטרי עיתוי; זיהוי גבולות ורגישויות נקבעו מעקומות הכיול. טמפרטורות פלזמה נמדדו גם באמצעות חלקות בולצמן לאנרגיות השונות ופרמטרי העיתוי שנבדקו. צפיפות האלקטרונים של הפלזמה חושב באמצעות המחצית המרבית ברוחב המלא (FWHM) של קו המימן ב656.5 ננומטר על האנרגיות שנבדקו. בסך הכל, תוצאות המחקר מראים כי השימוש באנרגיות דופק נמוכים וגילוי שאינו מגודרת לא מתפשרות ברצינות תוצאות האנליטיות. תוצאות אלו הן רלוונטיות מאוד לעיצוב של שדהומכשירי LIBS אדם נייד.
Introduction
ספקטרוסקופיה התמוטטות מושרה לייזר (LIBS) היא שיטה פשוטה של ניתוח יסודות המשתמשת ניצוץ לייזר שנוצר כמקור העירור. על גבי משטח שמתחמם, ablates, atomizes וionizes חומר משטח כתוצאה מכך היווצרות של פלזמה דופק הלייזר ממוקד. אור הפלזמה ספקטרלית נפתר וזוהה ואלמנטים מזוהים על ידי החתימה ספקטראלית שלהם. אם מכויל כראוי, LIBS יכול לספק תוצאות כמותיות. LIBS יכול לנתח מוצקים, גזים ונוזלים עם הכנת מדגם קטנה או לא. 1 תכונות אלו הופכות אותו לאידיאלי עבור ניתוחים שאינם יכול להתבצע במעבדה.
נכון לעכשיו, LIBS הוא נחקר עבור יישומים רבים ושונים במיוחד אלה הדורשים מדידות המבוסס על שדה לכימות. 1-8 זה דורש הפיתוח של מכשור LIBS תוך שימוש ברכיבים קשיחים וקומפקטי מתאימים למערכת מבוססת תחום. ברוב המקרים,רכיבי se לא יהיו את מלוא היכולות של מכשור מעבדה מבוססת, וכך לפגוע בביצועי הניתוח. תוצאות LIBS תלויות בפרמטרי דופק לייזר ותנאי מדידה אחר הכוללים גיאומטריה דגימה, אווירה שמסביב, ואת השימוש בזיהוי מגודרת או בלתי מגודרת. 9-12 למכשור LIBS מבוסס שדה, שני גורמים חשובים שיש לשקול הם את האנרגיה הדופק והשימוש במגודר לעומת גילוי שאינו מגודרת. שני גורמים אלה קובעים במידה רבה את העלות, גודל ומורכבות של מכשיר LIBS. לייזרים קטנים, שנבנו מחוספס שיכול ליצור פולסים 10-50 mJ בשיעורי החזרה של .3-10 הרץ זמינים מסחרי ויהיה יתרון מאוד לשימוש. לכן, חשוב לדעת מה, אם בכלל, הפסד ביכולות זיהוי יגרום מהשימוש בלייזרים אלה. האנרגיה הדופק היא פרמטר מרכזי לLIBS כפי שהוא קובע את כמות החומר ablated ומתאדה וchar העירורתכונותיהם של הפלזמה. בנוסף, השימוש בזיהוי מגודרת יכול להגדיל את העלות של מערכת LIBS; כתוצאה מכך, זה הכרחי כדי לקבוע את ההבדלים בין הספקטרום ויכולות זיהוי באמצעות זיהוי מגודרת ואינו מגודרת.
לאחרונה, בוצע מחקר שהשווה איתור מגודר לזיהוי שאינו מגודרת לקטין אלמנטים שנמצאו בפלדה. התוצאות הראו כי מגבלות זיהוי היו דומות אם לא טובים יותר לגילוי שאינו מגודרת. 12 מאפיין חשוב אחד LIBS הוא שהטכניקה חווה השפעות מטריצה פיזיות וכימיות. דוגמא הראשונה היא שזוגות דופק לייזר בצורה יעילה יותר עם משטחי הניצוח / מטאל מאשר שאינם מנהלי משטחים. 13 במחקר זה, אנחנו רוצים לקבוע את ההשפעות של פרמטרים אנרגיה דופק ותזמון עבור חומרים שאינם מנהלים כמו simulants אדמה.
אמנם, מכשירים ניידים LIBS שדה פותחו ומשמשיםעבור יישומים מסוימים, מחקר מקיף על יכולות זיהוי לא בוצע השוואת אנרגיה ומערכות מגודרות גבוהות יותר למערכות אנרגיה ושאינו מגודרות נמוכות באמצעות simulants אדמה. מחקר זה מתמקד בפרמטרי אנרגיה דופק לייזר ועיתוי לקביעת יסודות קורט במטריצות מורכבות. האנרגיה דופק לייזר נעה 10-100 mJ לקבל השוואה בין אנרגיות נמוכות יותר וגבוהות יותר. השוואה של השימוש במגודר לעומת גילוי שאינו מגודרת בוצעה גם על אותו טווח האנרגיה.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאשר משווים את מצבי זיהוי שאינו מגודרות ומגודרים, הנתונים מראים כי גבול גילוי מצב זיהוי מגודרת אפשר זיהוי של כל האלמנטים, כולל אלה שלא ראו את השימוש באנרגיות לייזר גבוהות יותר במצב זיהוי שאינו מגודרת. באמצעות זיהוי מגודרת, גבוה הרקע הראשוני מההיווצרות של הפלזמה הוא ל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי משרד האנרגיה, משרד המדע בארה"ב.
Materials
| 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 |
References
- Song, K., Lee, Y., Sneddon, J. Recent developments in instrumentation for laser induced breakdown spectroscopy. Appl. Spec. Rev. 37 (1), 89-117 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lida, Y. Effects of atmosphere on laser vaporization and excitation processes of solid samples. Spectrochim. Acta Part B. 45 (12), 1353-1367 (1990).
- Radziemski, L. J., Loree, T. R. Laser-induced breakdown spectroscopy: Time-integrated applications. J. Plasma Chem. Plasma Proc. 1 (3), 281-293 (1981).
- 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).
- Fan, C., Longtin, J. P. Modeling Optical Breakdown in Dielectrics During Ultrafast Laser Processing. Appl. Opt. 40 (18), 3124-3131 (2001).
- ANSI Z-136.5. . American National Standard for Safe Use of Lasers in Educational Institutions. , (2009).
- . . Compendium of Chemical Terminology. , (1997).
- Cremers, D. A., Radziemski, L. J. . Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. , (2006).
- Griem, H. R. . Spectral Line Broadening by Plasmas. , (1974).
- 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).
