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激光诱导击穿光谱技术的前世今生

发布时间:2019-02-28 15:51:27         点击:2129

1、引言

       激光诱导击穿光谱并不是一种新的分析方法,其前身可以追溯到1962年第十届国际光谱学会议上。激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS,是由美国 Los Alamos 国家实验室的 David Cremers 研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年该小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后,激光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于多个领域,如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析,以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等,并且开发出了许多基于LIBS技术的小型化在线检测系统。


2、LIBS的基本原理
       激光诱导等离子体光谱法本质上是一种利用原子发射光谱进行化学元素分析的方法,它与电弧和火花放电光谱的不同之处在于LIBS采用高能激光作为激发源。将高功率(1~10MW cm-2)激光聚焦于靶表面很小的区域,在激光的激发下大约10-9~10-12 g的样品被烧蚀并产生高温(10000~20000K)、高密度的等离子体。这时,样品降解和气化形成的原子或离子首先会产生一种连续辐射。由于这种辐射不包含有用的元素信息,无法用于分析。但是,等离子体接着会以超到各元素分立的特征谱线。这些特征谱线通过透镜由光纤接收,最后进入摄谱仪或阵列开关式探测器加以分析。利用原子谱线波长和强度可以确定样品中的元素组成和元素浓度。

       LIBS的激发方法决定了它可以直接分析各种状态的样品,包括气体、液体和固体。任何元素在如此高能量密度激光的照射下都会被激发,所以它可以分析所有元素。LIBS的分析波长范围和另名都实际上只取决于其所配置的光学系统和检测器。另外,从技术上讲,LIBS与其他利用激光作为激发源的光谱类似,比如激发拉曼光谱、激光诱导荧光光谱等。这些光谱仪的很多硬件都是相同的,现在已经尝试将这些分析、原子光谱技术集成起来,以获得样品更为详尽、更为深入的组成和结构信息。


3、特点
       由于采用激光作为激发源,LIBS与火花放电发射光谱和X射线荧光光谱(XRF)相比主要有以下优点:
       快速响应特性,能够实时或接近实时情况下获得所需信息。对于相对均匀的样品,LIBS的测试时间只为XRF的1/3~1/30;
       可以分析各种形态的样品,且不需任何前处理,避免了与处理过程可能造成的污染;
       导电、非导电样品都可以测量,例如坚硬难溶的陶瓷;
       多元素同时分析、局部微区分析、表面分析功能;

       由于使用光纤实现激发光和发射光的传递,可通过光纤进行XRF不能实现的分析,如直接远距离对核设施、严重污染区域等进行检测以及对土壤次表层进行原位检测。


4、激光诱导击穿光谱仪实验装置
激光诱导击穿光谱的实验装置系统主要是由激光器、真空室、光谱仪和PC机组成。
激光诱导击穿光谱系统示意图
激光诱导击穿光谱系统示意图
5、便携式LIBS的应用
       因为LIBS的特点,尤其是适合现场分析的优点,近年来LIBS的发展主要还是集中在便携式分析设备开发及其在实时分析领域的应用上。
       考古和矿物学:在文物修复和保藏前进行元素分析,可以同时得到文物所用材料及其可能的降解产物方面的信息。非接触、快速、全元素分析、无需制样等特点使LIBS分厂适合用于文物的现场分析。
       环境监测:环境监测是便携式LIBS应用需求最大和应用实践最多的领域,土壤成分分析就是环境监测的主要内容之一。
       空间科学研究:ICP、XRF等测试方法都需要电极或探针与待测样品接触或者需要将样品装进设备的样品室,这些要求在空间科学研究中都比较难以满足或者实现起来费时费力。LIBS的遥测功能使其特备适合于此类科学研究。

       金属材料检验:LIBS与XRF和发射光谱相比有着诸多优点,是各种环境条件下实现金属材料现场检验的重要手段,可以快速对各种混杂金属制品提供定性、定量分析。随着便携式LIBS系统的不断完善和分析性能的进一步一稿,它有望成为现场金属材料检验的主流设备。

创想最新手持式激光诱导式光谱分析仪

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6、总结
随着激光及相关技术的进步,LIBS必将成为现场分析领域的常规设备。
 

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