基于分光透射比模型提高镉等离子体特征光谱识别能力的研究

为了降低或消除激光诱导击穿光谱（LIBS）检测过程中激光能量、背景辐射、噪声信号对特征光谱信息的影响,以镉靶材为对象,构建偏振分辨激光诱导击穿光谱（PRLIBS）系统,探索提高重金属污染物LIBS分析能力的方法。结合光波在多层媒介传播过程中的菲涅耳方程,分析入射光波长对光强透射比的作用机理,构建正入射方向上的等离子体辐射强度分光透射比模型。利用该模型获得了相同条件下的LIBS、PRLIBS光谱数据,比较了镉元素特征谱线强度的相对标准偏差（RSD）,并分析了不同延迟时间下特征谱线强度的变化趋势。结果表明：在低能量密度情况下,PRLIBS具有明显的测量优势,可以采集到更多的特征峰信号,并且PRLIBS光谱特征谱线强度的RSD值小于相同检测参数下LIBS光谱特征谱线强度的RSD值,说明分光透射比模型能够有效提高等离子体光谱的稳定性;LIBS与PRLIBS的谱线强度随延迟时间的变化趋势一致,说明PRLIBS并不影响原有LIBS的延迟时间;随着脉冲能量增大,分光透射比模型可以有效降低基线漂移和背景辐射,增强光谱的分辨能力;分光透射比模型不仅保留了连续谱中的有效信息,还提高了谱线识别的稳定性,对于...     

激光诱导击穿光谱最佳探测时间的分析

为了确定激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）最佳的探测时间,采用时间分辨LIBS研究了样品中4种元素Fe、Pb、Ca和Mg的4条特征谱线峰值强度以及相应的连续背景辐射光谱强度的衰减特性,对特征谱线峰值强度和连续背景辐射光谱强度的比值求极值,获得了特征谱线最佳信背比（signal-to-background ratio, SBR）所对应时间的计算值。连续背景辐射和特征谱线光谱强度均呈指数形式衰减,4条特征谱线衰减时间分别为1.42, 1.95, 1.69, 1.65 ?s,相应的连续背景辐射衰减时间分别为0.85, 0.93, 0.89, 0.87 ?s。4条特征谱线最佳SBR所对应时间的计算值分别为1.43 ,1.77 ,1.62 ,1.80 ?s,最佳SBR所对应的时间的实验测量值分别为1.5 ,2.0,1.5 ,1.5 ?s,二者具有较好的一致性。特征谱线峰值强度和连续背景辐射光谱强度的演化规律能够对最佳SBR出现的时间作出预测。以上研究结果表明,LIBS最佳探测时间与连续背景辐射和特征谱线的衰减规律密切相关,通过对光谱强度的比值求极值,可以预测谱线最佳SBR出现的时间,此方法为确定LIBS技术探测和分析的最佳时间提供了依据。     

土壤中铅元素的激光诱导击穿光谱测量分析

利用Nd∶YAG脉冲激光器(波长:1064 nm)作光源,以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件,测量并分析土壤中铅元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)特性。以铅的(Pb:405.78 nm)特征谱线作为分析线,测定不同铅浓度下的特征谱线强度。结果表明铅的质量分数在40×10-6~1350×10-6范围内,谱线强度随浓度的增加而增加。给出铅元素的定标曲线,并计算得到铅元素的检测限约为25.82×10-6质量分数。LIBS测量值与X射线荧光光谱(XRF)测量值的相对误差最大值为8%。     

激光诱导击穿光谱技术在太空探测中的应用

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新型的元素分析技术,具有灵敏度高、快速、可多元素同时测量并可非接触遥测等优点,非常适合针对空间其他星球的空间遥测。搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,并通过配置特定样品,开展了一系列LIBS探测实验。根据含有不同浓度的同种元素样品的LIBS实验结果,获得元素浓度与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。对中南民族大学附近的土壤进行了LIBS实验,发现土壤中含有Mg、Ca、Na等18种元素,对河南云台山茱萸峰岩石的LIBS实验结果仅获得Fe、Mg、Ca3种金属元素。比较这两种实际样品的LIBS实验结果表明,检测样品的物理结构对LIBS的实验结果有一定影响。     

土壤中微量重金属元素Pb的激光诱导击穿谱

从实验上测定了土壤在可见光谱区的激光诱导击穿光谱(LIBS),对测定的光谱结构进行了分析,并对可观测的谱线进行了归属,得出土壤所含的主要元素和部分微量元素;测定了不同Pb掺杂浓度下土壤中微量元素Pb405.78 nm谱线的强度,采用内标法拟合得到了该分析谱线的激光诱导击穿光谱定标曲线,由定标曲线的拟合结果计算得到Pb元素的检测限质量分数为36.7×10-6。     

溶液中铬元素的激光诱导击穿光谱检测

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对含铬污水溶液中的重金属元素铬开展了探测实验。根据一系列含铬浓度不同的污水样品的LIBS实验结果,获得元素浓度和强度之间的关系曲线,即定标曲线。对CrⅡ(283.43nm)及CrⅠ(425.45nm)两处谱线进行了分析和比较。实验发现,283.43nm处原子辐射信号强度比425.45nm谱线强2倍;从定标曲线的线性相关度及信背比来看CrⅡ(283.43nm)谱线要优于CrⅠ(425.45nm)。计算二者检测限,质量浓度分别为80μg/mL(283.43nm)及170μg/mL(425.45nm)。实验采用CrⅡ(283.43nm)的定标曲线对含铬污水溶液进行了定量分析,测得该污水溶液的含铬质量浓度为333μg/mL,与采用原子吸收分光光度计所得到的检测结果(309μg/mL)符合较好。结果表明,在对铬元素进行LIBS检测时选用CrⅡ(283.43nm)谱线要优于CrⅠ(425.45nm)谱线。采用LIBS方法可实现对污水溶液中Cr元素的快速检测,具有很好的应用前景。     

液体射流激光击穿光谱检测重金属研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、激光能量等)对金属LIBS谱线强度的影响。实验获取了K2Cr2O7、Pb(NO3)2和CdBr2水溶液样品在532nm激光激发下的等离子体发射光谱,标识了Cr、Pb和Cd等重金属元素的特征谱线,获得Cr、Pb、Cd的探测限约为0.32、15.6、57.6mg/L,展示了液体射流LIBS用于水体中重金属快速检测的能力。     

基于腔体约束激光诱导击穿铝土矿光谱的参数优化

基于外加腔体约束方法,对铝土矿中Al、Si两种元素的激光诱导击穿光谱（LIBS）实验参数进行了优化研究。通过设置压强、激光能量、延迟时间等参数,使用传统LIBS和外加腔体约束LIBS（CC-LIBS）分别对铝土矿样品进行激光烧蚀,选择Si Ⅰ 288.15 nm和Al Ⅰ 308.21 nm作为特征谱线对最优实验条件进行了分析。结果表明:压强为150 MPa时,谱线强度偏差最小;能量为80 mJ时,采集到的特征谱线信噪比(SNR)最大;延迟时间为1 μs时,Al、Si两种元素得到的SNR最优,从而确定了最佳实验条件。与传统的LIBS相比,CC-LIBS采集到的特征谱线强度、SNR都有所提高,为铝土矿中Al、Si元素的检测提供了新的实验依据与思路,具有一定的参考价值。     

土壤中Pb、Cr元素激光诱导击穿光谱技术定量分析

采用激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced b reakdown spectroscopy,LIBS)对土 壤样品中的Pb和Cr元素进行了分析,以PbI280.17 nm和CrI425.43 nm作为分析线,优化了透 镜到样品的距离(Lens to sample distance,LTSD)、延迟时间对光谱信号强度及信噪比 SNR 的影响。在最佳实验条件下,对两种元素的谱峰强度和元素浓度进行分析,针对外标法 和内标法分别建立了谱线峰值强度、谱线峰值积分面积与对应元素浓度的定标曲线。采用谱 线峰值积分面积法对土壤中重金属Pb和Cr元素的检测,相比于外标法,内标法将Pb和Cr元素 最大相对误差分别从13.56%和12.68%降低到了 6.7%;Pb和Cr元素定标曲线的拟合相关 系数R²分别从0.978和0.975提高到了0.996和0.991。实 验结果表明:采用LIBS技术对土 壤中Pb、Cr元素检测具有可行性,采用谱线峰值积分面积的内标法,可以降低最大相对误差 并提高测量精度。     

基于激光诱导击穿光谱定量检测土壤中营养元素的研究

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)对土壤中的营养元素进行了定量检测。采用输出波长为1064nm、脉宽为5.82ns的Nd…YAG脉冲激光器作为光源,将激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体,使用三光栅光谱仪和门宽控制的增强电荷耦合器件(ICCD)测量等离子体发射光谱。基于传统LIBS系统,新增了扩束镜系统和实时监测系统,研制了笼式结构LIBS系统,优化了笼式结构中扩束镜系统的激光聚焦位置,获得了最佳的激光聚焦位置0.2cm。测试了MgⅡ279.56nm、MgⅡ 280.26nm和MgⅠ 285.21nm谱线的信号强度。结果表明,笼式结构LIBS系统在信号稳定性上优于传统LIBS系统。定量分析了土壤中营养元素Cu、Mn、Mg、K的质量分数,它们的检出限分别为0.42×10~(-6)、13.2×10~(-6)、38.5×10~(-6)、62×10~(-6),优于传统LIBS系统得到的检出限。基于定标模型预测了土壤中Cu、Mn、Mg、K元素的质量分数,它们预测值的平均相对误差分别为9.2%、9.6%、8.5%、10.9%。     

激光诱导击穿光谱技术在燃煤电厂及土壤污染物在线检测中的应用研究

介绍了自主研发的激光诱导击穿光强技术（LIBS）煤质在线检测设备,可完成自动取样并带有自清洁系统,能实时对电厂输煤管道中煤粉的C、Ca、Mg、Ti、Si、H、Al、Fe、S等元素进行自动定量分析并转化为工业分析（发热量和灰分）结果。提出了飞灰含碳量在线检测成套方案并研制了自动采样及LIBS检测装置,建立了去除C线中Fe线的数学方法,利用二阶多元非线性逆回归模型建立了定标方程来校正基底效应,获得了0.26%的C元素测量精度。开发了便携式LIBS设备用于土壤污染物的现场检测,可对土壤中的重金属污染物进行快速的定性分析。     

激光诱导击穿光谱技术测定土壤中元素Cr和Pb

为了检验激光诱导击穿光谱技术对物质成分的检测能力,采用Nd:YAG激光器在优化实验条件下激发产生土壤等离子体,通过等离子体原子发射光谱法定量分析了国家标准土壤样品中元素Cr和Pb。实验中绘制了以Fe原子谱线为内标、分析谱线背景为内标以及没有内标的3种情况下的元素定标曲线,并确定了方法的精密度和检出限。结果表明,3种情况下分析元素Cr的相对标准偏差分别为5.85%、26.48%和33.10%,元素Pb的相对标准偏差分别为5.42%、22.78%和38.66%,证明采用内标法可以明显提高测量精度。用Fe谱线为内标时得到的元素Cr和Pb的相对检出限分别为3.5010-3%和57.9010-3%,满足微量元素分析要求。     

激光诱导击穿光谱结合标准加入法定量检测土壤中Cr

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合标准加入法对土壤中的Cr进行定量检测。以Cr 425.435nm谱线为特征谱线,以Fe为内标元素,建立了土壤中Cr的定标曲线,确定在Cr质量分数低于250×10-6时,其特征谱线强度与其质量分数成线性关系,并由此求出土壤中Cr检测限为9.69×10-6,确定了标准加入法的检测范围。研究了5个外推点和单外推点的标准加入法,五点标准加入法对土壤中Cr的检测结果相对误差小于7%,单点标准加入法检测结果相对误差小于10%。基于单点标准加入法对同一土样进行5次检测,所得Cr质量分数的相对标准偏差(RSD)为4.66%,稳定性较好。实验结果证明LIBS结合标准加入法可以对土壤中的Cr进行较好的定量检测。     

基于激光诱导击穿光谱的果木炭燃烧对空气成分影响的研究

果木炭是一种常见的燃料,其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康,因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测,同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定,发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大,生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似,均含有C、 Fe、 Mg、 Ca、 Sr、 K、 Na和Ba等元素,果木炭光谱中C、H元素谱线强度均高于灰烬。此外,结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分,选取C、CN分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析(PCA)结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分,证明LIBS结合PCA技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用LIBS结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分,发现区分效果良好,为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。     

激光诱导击穿光谱对蕹菜中Pb元素定量分析研究

果蔬重金属污染日趋严重,急需发展一种绿色快速无损检测技术。激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新兴的快速检测技术,为了验证LIBS检测蔬菜中重金属含量的可行性,以新鲜蕹菜为样品,应用共轴双脉冲LIBS对比分析了有无Pb污染的蕹菜菜叶的特征光谱。实验选取铅405.78 nm处的特征谱线作为分析谱线,对7个样品的发射光谱进行研究,并得到了铅元素真实浓度与其LIBS强度拟合曲线,相关系数为0.9857。定标模型浓度预测的相对误差在0.928%~15.05%之间,平均为8.31%,而高浓度污染的测量相对误差均低于3%。试验结果表明,LIBS用于定量分析蕹菜中重金属元素含量是可行的。     

基于激光诱导击穿光谱技术的金属基体辅助测量研究

为了降低土壤中基体效应对激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)定量分析的影响,采用了 Cu、Al、Zn三种金属作为基体辅助LIBS检测土壤中的重金属元素.以Cd I 288.08 nm为特征谱线进行定量分析,得到了三种金属基体的原子谱线图,计算出等离子...     

微孔喷射辅助水溶液样品激光诱导击穿光谱在线分析方法研究

受到水溶液内部复杂基质效应的影响,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在水溶液样品的连续在线检测分析应用中受到很大制约。提出了一种微孔喷射辅助LIBS的新技术,用以实现水溶液中金属元素的连续在线分析。该方法通过微米量级的小孔矩阵和压电陶瓷振荡片将流动液体在线转化成密集的小液滴并连续喷出来,辅助LIBS系统进行检测。依据此思路,设计实现了一套由微孔喷射装置和传统LIBS装置组成的微孔喷射辅助LIBS检测系统。利用该系统,以水溶液中的Ca元素为目标元素展开实验,研究该方法的最优化实验参数、等离子体物理特性和检测能力等。结果表明,该方法对Ca元素的在线检测限能够达到0.96 mg/L,且在0~1124 mg/L范围内谱峰强度和浓度之间具有较好的线性关系。     

基于背景扣除法消除土壤基底中Al元素干扰的LIBS实验研究

土壤中重金属的污染严重影响了农业和食品安全，因此，对重金属污染的高效、准确的检测是目前亟需解决的问题。采用激光诱导击穿光谱技术（Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）对土壤中Ni元素进行定量分析时发现，土壤中波长为373.68 nm的Ni元素的特征峰会受到Al元素在373.39 nm处谱线的影响，因此，将纯铝基底土壤光谱与压片土壤光谱进行了对比测量。提出了以纯Al作为基底，采用纯Al基底谱线扣除土壤背景中Al元素谱线的方法，来消除土壤背景中Al元素对Ni元素干扰，该方法被称为背景扣除法。实验确定了两种土壤样品的最佳延迟时间均为1.0 μs，透镜到样品的距离（Lens to sample distance，LTSD）分别为97 mm和96 mm。采用内标法对两种土壤样品中的Ni进行了定量分析，得到纯Al基底土壤样品中Ni元素的定标曲线拟合效果较好，相关系数R2为0.997，最大标准偏差（Relative standard deviation，RSD）为4.34%，采用基底背景扣除法后的纯铝基底土壤样品中Ni元素检测的相对误差降低到4%。实验结果表明:采用LIBS技术对土壤中重金属元素含量测量时，在元素特征谱线有限的情况下，为避免谱线干扰，提高检测精度，采用背景扣除的方法能够有效消除元素间的谱线的干扰。     

内定标法水中Cr元素LIBS定量分析

以提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术精准检测水体中的重金属元素Cr为研究目的,对实验室配制的7种不同质量浓度的含铬(Cr)水溶液采用护肤棉进行富集,并对自然晾干后的护肤棉进行LIBS试验。首先对试验参数进行了优化并确定425.43 nm为Cr的特征分析谱线。选择护肤棉中固有的钙(Ca)元素作为内定标元素,其特征谱线为422.67 nm。分别采用内定标法和直接定标法进行定量分析,取其中的五个样品建立定量分析模型,并利用另外的两个样品验证模型的准确性,得出拟合曲线的线性相关系数分别为0.99614、0.73655,两个验证样品的相对误差值分别为11.38%、4.84%和64.66%、11.58%;内定标法LIBS的检出限为5.27μg/m L,优于之前滤纸富集的6.06μg/m L。试验结果表明以护肤棉为吸附基质结合内定标法能提高LIBS检测水体Cr元素的准确性、并能降低检出限。     

激光诱导击穿光谱内标参量选取方法研究

内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)定量分析主要使用的方法之一,采用内标法进行定量分析的关键就是内标参量的选取。以Fe 438.35 nm作为分析谱线,分别选取434~441 nm光谱积分、Al 309.29 nm、Si 288.17 nm、Ca 317.9 nm为内标参量,对水泥样品中的Fe元素进行定量分析,得到的定标曲线线性度分别为0.993、0.962、0.992和0.846。通过分析各内标参量与分析谱线光谱强度比值随积分延迟时间的变化情况,以及针对每个样品选用不同的内标参量得到的多组测量数据的离散程度,得出采用内标法进行LIBS定量分析时,应该选择在积分延迟时间附近光谱强度变化与待测元素的分析谱线最为相似的作为内标参量的结论。这样能有小减弱由于激光器时间抖动导致的定量分析误差,提高定量分析精度。