激光诱导击穿光谱技术相关物理机制研究进展

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等,对激光诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响,进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、激光参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解激光与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。

紧凑型激光诱导击穿光谱仪的研制

基于煤质分析、冶金、水质检测等众多领域对激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的需求,本研究设计了一台基于激光诱导击穿光谱原理的紧凑型快速检测装置,其具有良好的稳定性和较高的激光能量(0~100 mJ),可进行全自动化谱线对比与筛选,从而实现多样品、多元素的LIBS快速检测。在参数优化的基础上,利用该装置对7个钢样所含的硅元素与碳元素进行了检测分析。实验结果表明,当延迟时间为1μs、离焦量为0 mm、激光能量为60 mJ时,可以获得最佳的硅、碳特征光谱数据。在最优实验条件下,对7个样品进行定量分析,利用内标法建立硅、碳元素的定标拟合曲线,其相关系数分别为0.986和0.999,相对强度比的相对标准误差不超过5%,预测值与实际值偏差较小。研究结果验证了该仪器具有良好的分析性能,对多元素检测、可移动式LIBS仪器的发展具有参考意义。

塑料标准样品结合偏最小二乘法在激光诱导击穿光谱法元素定量分析领域的研究

激光诱导击穿光谱法以其快速、高效、无害、全谱直读、几乎不需要样品制备等优势,广泛用于元素定量分析领域,为了建立简单易行的分析方法,利用自行研制的聚丙烯塑料(PP)标准样品(RM),结合偏最小二乘法(PLS),运用激光诱导击穿光谱方法(LIBS),建立了Pb和Cr元素的PRM-PLS-LIBS分析模型。PP标准样品是按照国际标准要求进行研制,Pb和Cr的含量梯度根据各个国家和地区的限制要求,设定范围在0~1000 mg·kg^(-1),具体数值由定值结果结合不确定度给出,并且该套标准样品均匀性和稳定性良好,应用该标准样品建立的Pb和Cr的标准曲线的相关系数分别为0.9992和0.9989,检出限分别为35和28 mg·kg^(-1),已经达到定量分析能力。为了提高定量分析模型的准确度,需要对标准曲线的数据进一步优化。在数据量较小的情况下,通过对基线类型的多重优化,比较了偏最小二乘法(PLS)和经典最小二乘法(CLS)。实验数据表明,PLS的校正均方根误差(RMSEC)和校正系数(Corr.Coeff)都明显优于CLS。通过优化Pb和Cr的分析波长范围和基线类型,校正曲线的给定值与预测值之间的校正系数达到1.0000,进一步提高了模型的准确度。随机选取一套PP标准样品,对校正曲线进行验证。取高含量样品(PP-306)和低含量样品(PP-302)进行测定,将Pb和Cr的测定数据代入PCRM-PLS模型中,PP-306中Pb和Cr的测定值分别为998和96 mg·kg^(-1),PP-302中Pb和Cr的测定值分别为980和95 mg·kg^(-1),都在给定值范围内,方法有效可靠。

激光诱导击穿光谱技术在提高矿冶分析准确度的研究进展

激光诱导击穿光谱法(LIBS)是一种基于原子发射光谱的多元素分析方法,具有快速、准确、无需复杂的样品制备和远程分析的优点.然而,由于矿石、冶金样品化学成分的复杂性和多样性,干扰信号多,以及激光光谱的谱线维度较高和自吸收效应严重,LIBS技术在矿冶领域定性、定量分析的准确性受到了一定影响.本文综述了LIBS在矿冶领域3种信号增强方法,分别是双脉冲、纳米粒子增强和空间约束,以及综述了降噪、归一化和自吸收校正3种光谱预处理方法.此外,为提高定性、定量模型的泛化能力和分析的准确性,人们在模型算法和参数优化做了大量的工作.简要概述了主成分分析、偏最小二乘判别分析、支持向量机、随机森林和人工神经网络5种LIBS定性分析建模方法在矿石、冶金样品中的应用,以及概述了多元线性回归、偏最小二乘法、支持向量机、人工神经网络和自由定标法5种定量分析建模方法在矿石、冶金样品中的应用成果,并对LIBS技术未来在矿冶分析领域的发展进行了展望.

激光诱导击穿光谱技术结合化学计量学在中药质量控制中的应用进展

中药质量控制在确保中药安全有效方面发挥着极其重要的作用,传统的液相色谱、气相色谱等分析手段难以实现快速、无损的质量控制,光谱技术能较好地弥补传统方法的缺陷。激光诱导击穿光谱法(LIBS)具有可携带、快速无损等特点,能实现样品中多种元素的同时检测,目前已应用于中药质量控制中。对LIBS的检测原理、装置构造进行介绍,归纳LIBS数据处理和建模方法,并对LIBS在中药产地溯源、真伪鉴别、含量测定、重金属检测方面的应用进行总结,分析LIBS现存的挑战和问题,展望LIBS在中药领域的应用,为其在中药质量控制中的实际应用提供参考。

激光诱导击穿光谱(LIBS)光谱诊断与元素分析及激光功率、入射角度以及测试距离的改变对结果影响

激光诱导击穿光谱法(LIBS)在精准识别该样品元素的组成成分和含量的同时,也可以得到该特征元素等离子体的电子温度、粒子旋转温度等相关光谱诊断参数。该方法非接触式、低损伤阈值,借助高速高分辨率响应的CCD探测元件更可以实现实时动态测量。文章基于LIBS的相关原理,对一块事先标定好元素成分的合金进行光谱诊断的同时,发现在改变激光入射角度、激光入射功率和接收端面到测试样品的距离对实验结果将会产生重要的影响。由实验结果表明,利用LIBS不仅可以精准的分析测试对象的元素成分和含量,同时也定量分析了以上实验条件和参数的变化对实验结果的影响并给出相应的理论依据与解释。

激光诱导击穿光谱法定量分析水泥中的铜元素

为定量分析水泥中的铜(Cu)元素,根据激光诱导击穿光谱分析方法(Ll BS)的特点,建立了激光诱导击穿光谱分析系统。采用标准加入法为定标方法,制备了5个不同含铜量的水泥样品。根据LIBS谱图,以213.598 nm和219.958 nm作为分析线。应用Savitzky-Golary卷积平滑方法对光谱数据进行了预处理,比较了Guass、Lorentz和Voigt拟合方法对光谱曲线的拟合效果。对测量结果采用一元线性拟合建立了相应的定标曲线,213.598 nm和219.958 nm定标曲线的校正决定系数分别为0.994 8和0.986 4,平均相对误差分别为3.20%和5.78%。实验结果表明:213.598 nm作为分析线的准确度优于219.958 nm分析线,该方法能够满足水泥中Cu元素定量分析的要求。

激光感生击穿光谱技术(LIBS)的原理及影响因素

激光感生击穿光谱技术(LIBS)具有不需制备样品,快速分析,可进行实时控制的特点显示了巨大实际应用价值,文中介绍了激光感生击穿光谱技术(LIBS)的发展历史、研究现状及其原理。同时通过重复频率为20Hz,最高单脉冲能量为50mJ的纳秒激光(10ns,1064nm)研究了在不同激发条件下Cr和Co薄膜产生的光谱信号。得出对于Cr膜当激发能量小于10mJ时,信号差异不明显。但是当激发能量超过10mJ时将产生明显的变化。分析了激光特性、延迟时间、实验装置、环境气体的种类及压力、单/双脉冲、以及采用的理论分析方法对LIBS探测结果的影响。

激光诱导击穿光谱法分析表面氧化钢铁样品中的碳硅锰磷硫铬镍铜铝

利用激光诱导击穿光谱法对中低合金钢中的碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜、铝九种元素进行了定量分析。采用铁基体作参比、信号积分平均的数据处理方法,考察了样品台高度、激光聚焦位置、积分延迟时间、低压充氩等因素对激光光谱信号的影响。通过反复试验,确定了焦点位于样品表面之下4mm、氩气氛围为4 000Pa等最佳分析条件。在优化条件下,中低合金钢标准样品GSBH40068-93中9种元素线性相关系数均大于0.99。所建立的方法可应用于存在表面氧化钢铁样品的直接测定。实验表明,本法在不进行样品处理条件下测定值与火花光谱测量结果相吻合。

激光诱导击穿光谱法对焊接接头表面渗铜区铜元素的深度分布分析

采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对不同工艺下的焊接接头根部中心区域进行了铜的深度分布分析,探讨了不同材料的LIBS激发脉冲数目与其剥蚀深度的相关性,发现在10个脉冲内脉冲数目与剥蚀深度有良好的一次线性关系,同样的脉冲数目激发焊材所得的剥蚀深度要小于铜衬垫,并由此计算了焊接接头根部中心部位渗铜区域的深度。同时,绘制了匹配的中低合金钢的定量分析校准曲线,并对不同渗铜区深度方向的铜含量进行了分布分析,发现不同工艺下的焊接接头的渗铜程度有较大差别:带铜垫脉冲控制工艺焊接的接头在某些区域出现了较为严重的渗铜现象,表面渗铜质量分数超过了0.5%,同时渗铜深度超过了50μm;铜垫短弧控制工艺焊接的SY2样品有少量渗铜,但表面渗铜质量分数均没有超过0.5%,且渗铜深度均不到10μm;而无铜垫脉冲控制工艺焊接样品SY3则表面没有出现渗铜现象。

激光诱导击穿光谱法分析焊丝样品

采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对焊丝样品中的硅、锰、磷、硫、铬及镍元素进行测定。采用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观察了样品经激光脉冲烧蚀后的形貌,并考察了各元素的谱线强度与激光脉冲个数之间的关系,从而确定了预剥蚀激光脉冲个数。通过分析标准样品建立了单个元素的谱线强度与其质量分数之间的标准曲线,相关系数在0.989~0.999之间。本方法对焊丝样品的分析结果与经典的电感耦合等离子体原子发射光谱法和高频红外硫碳分析方法的测定结果相吻合,其精密度稍差于经典的分析方法。

激光诱导击穿光谱法分析精度提高的研究

信号波动严重、强烈的连续发射干扰复杂光谱、激光能量波动、重复性差等影响激光诱导击穿光谱法(Laser Induced Breakdown Spectrometry,简称LIBS)的分析精度。本文在自主研制的激光光谱仪上,通过采用激光光束调整技术兼顾空间分辨率和数据稳定性,门控积分技术提高LIBS的分析灵敏度和检测下限,数据筛选技术提高数据的可靠性等手段提高了LIBS的分析精度。对一中低合金钢中的C、Si、Mn、P、S、B、Mo、Ni、Cr、V、Cu、Ti、Al、W、Fe等15个元素进行LIBS测定,测定结果的相对标准偏差除P和B外,其他元素均小于10%,分析精度高于文献报道的LIBS。

激光诱导击穿光谱法测定玩具油漆表面铅含量

采用家用铅检测试剂对编号为2579e的表面含铅油漆标样进行了定性测量,讨论了铅在玩具油漆表层中的深度分布,并建立了激光诱导击穿光谱法测定玩具油漆表面铅含量的方法。为减弱自吸收的影响,在铅405.78nm谱线处,采用谱线强度(I)与铅浓度(c)关系的对数形式建立校准曲线。实验表明,线性方程为lgI=5.56+0.44·lgc,曲线的拟合度(R)为0.956,方法检出限为72μg/g。采用方法对碳酸盐岩石成分分析标准物质GBW07136进行测定,结果与认定值的相对误差为8.3%,10次平行测定的相对标准偏差为7.1%。采用方法测得市购橘色玩具小车表面铅的含量是18.5mg/g。

激光诱导击穿光谱法测定丹参中钙、镁离子含量

为了采用激光诱导击穿光谱法对丹参中钙、镁元素含量进行测定,采用1 064 nm激光束经光路传输系统聚焦在样品表面,熔融样品并产生等离子体以激发待测元素,用高精度光谱仪进行采集光谱,建立样品中钙、镁元素离子浓度与其激光诱导击穿光谱强度间的定标曲线.钙、镁离子的含量与光谱强度线性相关系数分别达0.9981及0.9998.结果表明,本激光诱导击穿光谱技术能够用于检测丹参中钙、镁元素含量.

激光诱导击穿光谱(LIBS)在铝合金废料分选中的应用

简要介绍了激光诱导击穿光谱法(LIBS)的发展历程以及在铝合金废料分选中的应用。

LIBS-激光诱导击穿光谱系统 美国海洋光学亚洲公司

海洋光学（OCeanoptics．cn）发布了一款元素检测的神器：LIBS-激光诱导击穿光谱系统，能对固相、液相和气相基体中几乎所有元素进行定性甚至定量的分析。不同于传统的检测技术如ICP—OES或者XRF，LIBS技术在检测过程中无需进行复杂的样品制备，且样品用量极少，在工业领域也能够实现快速的征线分析，同时具有ppm量级的探测灵敏度。

激光诱导击穿光谱法判断汽车板表面划痕缺陷

采用激光诱导击穿光谱法对汽车板表面划痕类缺陷进行了分析和判断。通过使用激光诱导击穿光谱深度分析的方法对比了汽车板表面划痕缺陷部位与非缺陷部位的深度分布特点,并在选取的积分段内,对样品表面进行线扫描,得到表面元素的分布情况。依据缺陷部位某些元素的缺失现象,推断了该部位缺陷类型为表面划痕缺陷。判断结果与扫描电镜的检测结果相符。本文建立的方法具有分析时间短(<30s)、分析准确度高、无需样品前处理等特点,适用于汽车板表面划痕类缺陷的快速判别。

便携式激光诱导击穿光谱仪研制及其在钢样检测的应用

本文设计的便携式LIBS旨在便于携带的基础上减少降低便携式LIBS的性能,并解决在激发时产生的灰尘污染镜片造成光谱信号干扰等问题,其设计是将仪器分为探测头和机箱两部分并通过包塑管进行连接,采用微型二极管泵浦激光器,脉冲能量可达100 mJ,波长1064 nm,重复频率为1-10 HZ;此外采用多通道高分辨率光谱仪,提高LIBS的分析性能;选择FPGA作为主芯片,控制激光器的出光、使激光器和光谱仪实现同步测量同时为了减小辐射背景增加延迟时间功能以及控制防尘功能。结合偏最小二乘法对不锈钢的Cr、Si、Mn元素进行定量分析,其相关系数均在0.995以上,实际含量与预测含量的相对误差在5%以内,结果表明,所开发的便携式LIBS检测仪具有良好的定性定量性能。

激光诱导击穿光谱法在空气中定量测定土壤中氮元素方法的研究-基于CN分子谱线

土壤中氮元素的快速检测在现代农业中有重要意义,传统方法前处理复杂不适合现场快速检测。激光诱导击穿光谱法已被证明可以用来对土壤中的元素进行检测,但对于土壤中的氮元素检测,如何规避大气环境中氮气的影响是不可回避的问题。提出了一种基于激光诱导击穿光谱法的空气中土壤全氮检测方法,通过对不同土壤标准样品的CN(388.3nm)分子特征谱线对比分析并建立了分析模型,结果显示,可以很好地规避大气中氮元素的影响,其检出限小于0.14%。对比于N(746.8nm)处的原子特征峰在空气中和氩气中的分析结果,其优势非常明显。

基于激光诱导击穿光谱法和反向传播神经网络建立废钢分类和定标模型及其应用

基于自建激光诱导击穿光谱(LIBS)设备、软件以及反向传播(BP)神经网络,利用18个钢标准样品的LIBS光谱数据分别和钢标准样品类别以及Si、Mn、Cr、Ni、Cu元素的认定值建立分类模型和定标模型,并用于实际样品的检测。以各元素优选谱线(Si、Mn、Cr、Ni、Cu元素谱线分别为251.60,293.86,286.41,227.01,213.60 nm)与对应铁元素谱线(对应Fe元素谱线分别为263.54,292.66,271.44,263.54,206.98 nm)下相对强度作为输入变量,建立3层BP神经网络模型。分类模型的最大迭代次数为500,学习率为0.01,360组数据带中训练集和测试集的数量比为3∶1;Si、Mn、Cr、Ni、Cu定标模型的最佳迭代次数分别为200,200,200,160,280次,360组数据中训练集和测试集的数量比为4∶1,模型性能通过线性相关性拟合度(R^(2))、均方根误差(RMSE)、平均百分比误差(MPE)和残差平方和(PRESS)等4个指标评价。结果显示:分类模型对测试集分类的预测准确率达到100%;测试集中5种元素的定标模型R2分别为0.941,0.983,0.983,0.988,0.987,RMSE分别为0.0612,0.0607,0.0425,0.0496,0.0169。定标模型对实际样品的预测值和参考GB/T 4336-2016所得测定值基本一致。所建方法可用于钢铁行业中废钢样品的分类及其中成分的快速检测。