LIBS激光诱导击穿光谱技术

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描述

激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是一种用于化学多元素定性和定量分析的原子发射光谱技术。LIBS技术通过高能激光脉冲在样品表面产生等离子体,并检测其发射光谱来确定样品的元素组成。与传统的元素检测技术相比,LIBS具有无需样品制备、快速、几乎无损等优点,被誉为“未来化学分析之星”。

激光诱导

工作原理

1.激光脉冲与样品相互作用

-高能激光脉冲:一束高能脉冲激光聚焦在样品表面,当激光辐照度超过样品的击穿阈值时,少量材料将被烧蚀和激发,产生高温等离子体。

2.等离子体的生成与冷却

-等离子体生成:激光脉冲在样品表面产生等离子体,等离子体内包含电子、离子、原子、分子和微粒等,整体呈电中性。

-等离子体冷却:在激光脉冲结束时,等离子体迅速扩散并冷却。

3.光谱发射与检测

-光谱发射:处于激发态的原子和离子从高能态迁移回低能态,并发出具有特定波长的特征光辐射。

-光谱检测:用灵敏的光谱仪对等离子体发射光谱中的谱峰位置、峰强等信息进行分析,识别样品中的元素种类和相应的含量。

激光诱导

动力学过程

在激光诱导击穿光谱的动力学过程中,激光脉冲导致样品表面材料的烧蚀和等离子体的形成。等离子体中的粒子在高能级和低能级之间跃迁,并发射出特征光谱线。利用光谱仪检测这些特征光谱线,可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。

能级跃迁示意图

当激光脉冲结束后,等离子体中被激发的粒子会从高能级向低能级跃迁,并发射特征谱线。特征谱线的波长(lambda)可以表示为:

[lambda=frac{ccdot h}{E_k-E_i}]

其中:

-(c)为光速

-(h)为普朗克常量

-(E_k)为高能级的能量

-(E_i)为低能级的能量

用光谱仪采集等离子体发射的特征谱线可以得到类似于下图所示的LIBS光谱图。等离子体中各种元素的比例通常与烧蚀样品的元素比例一致,通过分析特征谱线的强度,可以定量分析出样品中各种元素的含量。

LIBS系统的优势

1.快速多元素检测

-同时检测多种元素:LIBS系统能够同时检测样品中的多种元素,如碳(C)、锂(Li)、硅(Si)等。

-高效分析:与传统方法相比,LIBS技术无需样品制备,能够实现快速、实时的元素分析。

2.无损分析

-几乎无损:由于激光烧蚀的样品量极小,LIBS分析对样品几乎无损。

-适用广泛:适用于多种类型的样品,包括固体、液体和气体。

3.高灵敏度和准确性

-检测限:LIBS系统的检测限很大程度上取决于样品类型、具体元素以及仪器配置。通常,LIBS检出限可以做到10 ppm到100 ppm,对于均质材料甚至可以达到<1%的相对标准偏差。

激光诱导

LIBS定量标定需要注意事项

在使用LIBS做定量分析前,需要制备样品并进行一系列的物质准备。在LIBS测量中,需要注意以下几点:

1.激光聚焦

-精确聚焦:确保激光精确聚焦到样品上,以获得稳定的等离子体信号。

2.样品表面条件

-清洁处理:样品表面的粗糙程度、油污、指纹和灰尘等污染都会影响测量结果。因此,需要对样品表面进行清洁处理。

-预燃处理:对于存在氧化层的样品,可以在标定或测量前发射几个激光脉冲以去除氧化层,这个过程称为预燃。

3.获取光谱与谱线选取

-多次轰击平均:为了提高测量精度,对样品同一个点多次轰击,平均光谱个数取决于样品,一般为10至500次。

-无重叠谱线选择:选取无重叠的光谱线,并对光谱信号进行平均处理,以获得更稳定的测量结果。

结论

LIBS技术凭借其快速、无损、多元素同时检测的特点,在元素分析领域展现了巨大的潜力。特别是在需要快速、现场检测的应用场景中,LIBS技术提供了一种高效、可靠的解决方案。随着技术的不断进步和应用的日益广泛,LIBS技术有望在未来的化学分析中发挥更加重要的作用。

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审核编辑 黄宇

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