Спектроскопия лазерного пробоя

Type of atomic emission spectroscopy

Схема системы LIBS – предоставлена ​​Исследовательской лабораторией армии США

Спектроскопия лазерного пробоя ( LIBS ) — это тип атомно-эмиссионной спектроскопии , которая использует высокоэнергетический лазерный импульс в качестве источника возбуждения. ^{[1] [2]} Лазер фокусируется для образования плазмы, которая распыляет и возбуждает образцы. Формирование плазмы начинается только тогда, когда сфокусированный лазер достигает определенного порога для оптического пробоя, который обычно зависит от окружающей среды и материала мишени. ^[3]

События 2000-х годов

С 2000 по 2010 год Исследовательская лаборатория армии США (ARL) исследовала потенциальные расширения технологии LIBS, которая была сосредоточена на обнаружении опасных материалов. ^{[4] [5]} Приложения, исследованные в ARL, включали дистанционное обнаружение остатков взрывчатых веществ и других опасных материалов, распознавание пластиковых мин и характеристику материалов различных металлических сплавов и полимеров. Результаты, представленные ARL, показывают, что LIBS может различать энергетические и неэнергетические материалы. ^[6]

Исследовать

Широкополосные спектрометры высокого разрешения были разработаны в 2000 году и поступили в продажу в 2003 году. Разработанный для анализа материалов, спектрометр позволил системе LIBS быть чувствительной к химическим элементам в низкой концентрации. ^[7]

Приложения ARL LIBS, изученные с 2000 по 2010 год, включали: ^[5]

• Протестировано на обнаружение альтернативных галонам агентов
• Испытана портативная система LIBS для обнаружения свинца в почве и краске.
• Изучено спектральное излучение алюминия и оксидов алюминия из сыпучего алюминия в различных газовых ваннах.
• Выполнено кинетическое моделирование струй LIBS
• Демонстрация обнаружения и различения геологических материалов, пластиковых наземных мин, взрывчатых веществ, а также заменителей химических и биологических боевых агентов.

Прототипы ARL LIBS, изученные в этот период, включали: ^[5]

• Лабораторная установка LIBS
• Коммерческая система LIBS
• Переносное устройство LIBS
• Разработана система Standoff LIBS для обнаружения и распознавания остатков взрывчатых веществ на расстоянии более 100 м.

События 2010-х годов

LIBS — один из нескольких аналитических методов, которые можно использовать в полевых условиях, в отличие от чисто лабораторных методов, например, искровой OES . По состоянию на 2015 год ^[update]недавние исследования LIBS были сосредоточены на компактных и (человеко)переносимых системах. Некоторые промышленные приложения LIBS включают обнаружение смешивания материалов, ^[8] анализ включений в стали, анализ шлаков во вторичной металлургии, ^[9] анализ процессов горения, ^[10] и высокоскоростную идентификацию кусков лома для задач переработки конкретных материалов. Вооруженный методами анализа данных, этот метод распространяется на фармацевтические образцы. ^{[11] [12]}

LIBS с использованием коротких лазерных импульсов

После многофотонной или туннельной ионизации электрон ускоряется обратным тормозным излучением и может сталкиваться с близлежащими молекулами и генерировать новые электроны посредством столкновений. Если длительность импульса велика, вновь ионизированные электроны могут ускоряться, и в конечном итоге следует лавинная или каскадная ионизация. Как только плотность электронов достигает критического значения, происходит пробой и создается плазма высокой плотности, которая не имеет памяти о лазерном импульсе. Таким образом, критерий кратковременности импульса в плотных средах следующий: импульс, взаимодействующий с плотным веществом, считается коротким, если во время взаимодействия не достигается порог лавинной ионизации. На первый взгляд это определение может показаться слишком ограничивающим. К счастью, из-за тонко сбалансированного поведения импульсов в плотных средах порог не может быть легко достигнут. ^{[ необходима цитата ]} Явление, ответственное за баланс, — это ограничение интенсивности ^[13] посредством начала процесса филаментации во время распространения сильных лазерных импульсов в плотных средах.

Потенциально важное развитие LIBS предполагает использование короткого лазерного импульса в качестве спектроскопического источника. ^[14] В этом методе плазменный столб создается в результате фокусировки сверхбыстрых лазерных импульсов в газе. Самосветящаяся плазма намного превосходит его с точки зрения низкого уровня континуума, а также меньшего уширения линии. Это объясняется меньшей плотностью плазмы в случае коротких лазерных импульсов из-за эффектов дефокусировки, которые ограничивают интенсивность импульса в области взаимодействия и, таким образом, предотвращают дальнейшую многофотонную/туннельную ионизацию газа. ^{[15] [16]}

Интенсивность линии

Для оптически тонкой плазмы, состоящей из одного нейтрального атомного вида, находящегося в локальном тепловом равновесии (ЛТР), плотность фотонов, испускаемых при переходе с уровня i на уровень j , равна ^[17]

${\displaystyle I_{ij}(\lambda )={\frac {1}{4\pi }}n_{0}A_{ij}{\frac {g_{i}\exp ^{-E_{i}/k_{B}T}}{U(T)}}I(\lambda )}$

где :

• ${\displaystyle I_{ij}}$- плотность скорости излучения фотонов (в м ⁻³ ср ⁻¹ с ⁻¹ )
• ${\displaystyle n_{0}}$количество нейтральных атомов в плазме (в м ⁻³ )
• ${\displaystyle A_{ij}}$вероятность перехода между уровнем i и уровнем j (в с ⁻¹ )
• ${\displaystyle g_{i}}$вырождение верхнего уровня i (2 J +1)
• ${\displaystyle U(T)}$это функция распределения (безразмерная)
• ${\displaystyle E_{i}}$- энергетический уровень верхнего уровня i (в эВ)
• ${\displaystyle k_{B}}$постоянная Больцмана (в эВ/К)
• ${\displaystyle T}$это температура (в К)
• ${\displaystyle I(\lambda )}$профиль линии такой, что ${\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }I(\lambda )d\lambda =1}$
• ${\displaystyle \lambda }$длина волны (в нм)

Функция распределения представляет собой статистическую долю заполнения каждого уровня атомного вида: ${\displaystyle U(T)}$ ${\displaystyle k}$

${\displaystyle U(T)=\sum _{j}g_{j}\exp ^{-E_{j}/k_{B}T}}$

LIBS для анализа пищевых продуктов

Недавно LIBS исследовали как быстрый, микроразрушающий инструмент анализа пищевых продуктов. Он считается потенциальным аналитическим инструментом для качественного и количественного химического анализа, что делает его пригодным в качестве PAT (Process Analytical Technology) или портативного инструмента. Молоко, хлебобулочные изделия, чай, растительные масла, вода, крупы, мука, картофель, финики и различные виды мяса были проанализированы с помощью LIBS. ^[18] Несколько исследований показали его потенциал в качестве инструмента обнаружения фальсификации определенных пищевых продуктов. ^{[19] [20]} LIBS также оценивался как перспективный метод элементной визуализации в мясе. ^[21]

В 2019 году исследователи из Йоркского университета и Ливерпульского университета Джона Мурса использовали LIBS для изучения 12 европейских устриц ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) из позднемезолитической раковинной кучи на острове Конорс ( Ирландия ). Результаты подчеркнули применимость LIBS для определения доисторических сезонных практик, а также биологического возраста и роста с улучшенной скоростью и меньшими затратами, чем это было возможно ранее. ^{[22] [23]}

Смотрите также

• Атомная спектроскопия
• Лазерная абляция
• Лазерно-индуцированная флуоресценция
• Список методов анализа поверхности
• Фотоакустическая спектроскопия
• Рамановская спектроскопия
• Спектроскопия

Ссылки

1. Радземски, Леон Дж.; Кремерс, Дэвид А. (2006). Справочник по лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения . Нью-Йорк: John Wiley. ISBN 0-470-09299-8.
2. Шехтер, Израиль; Мизиолек, Анджей В.; Винченцо Паллески (2006). Спектроскопия лазерного пробоя (LIBS): основы и приложения . Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
3. Дж. П. Сингх и С. Н. Такур, Лазерно-индуцированная пробойная спектроскопия, 1-е изд. (Elsevier, 2007).
4. Мансон, Дженнифер Л. Готтфрид Франк К. Де Люсия-младший. Анджей В. Мизиолек Чейз А. (июнь 2009 г.). «Текущее состояние приложений безопасности Standoff LIBS в исследовательской лаборатории армии США». Спектроскопия . Спектроскопия-06-01-2009. 24 (6) . Получено 27-08-2018 .
5. Готтфрид, Дженнифер Л.; Де Люсия, Фрэнк К. младший (2010). «Лазерно-индуцированная пробойная спектроскопия: возможности и применение». doi : 10.21236/ada528756. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
6. "Обнаружение энергетических материалов и остатков взрывчатых веществ с помощью лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии: I. Лабораторные измерения" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 10 мая 2020 г.
7. «Исследователи армии США изучают методы лазерного обнаружения | Quality Digest». www.qualitydigest.com . Получено 27.08.2018 .
8. Нолл, Рейнхард; Бетте, Хольгер; Бриш, Адриан; Краушаар, Марк; Мёнх, Инго; Питер, Ласло; Штурм, Фолькер (2001). «Спектрометрия с лазерно-индуцированным пробоем — применение для контроля производства и обеспечения качества в сталелитейной промышленности». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 56 (6): 637–649. Bibcode : 2001AcSpe..56..637N. doi : 10.1016/s0584-8547(01)00214-2.
9. Sanghapi, Hervé K.; Ayyalasomayajula, Krishna K.; Yueh, Fang Y.; Singh, Jagdish P.; McIntyre, Dustin L.; Jain, Jinesh C.; Nakano, Jinichiro (2016). «Анализ шлаков с использованием лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 115 : 40–45. Bibcode :2016AcSpe.115...40S. doi : 10.1016/j.sab.2015.10.009 .
10. Hsu, Paul S.; Gragston, Mark; Wu, Yue; Zhang, Zhili; Patnaik, Anil K.; Kiefer, Johannes; Roy, Sukesh; Gord, James R. (2016). «Чувствительность, стабильность и точность количественных измерений соотношения топлива и воздуха на основе Ns-LIBS для пламен метана и воздуха при давлении 1–11 бар». Applied Optics . 55 (28): 8042–8048. Bibcode :2016ApOpt..55.8042H. doi : 10.1364/ao.55.008042 . PMID  27828047.
11. St-Onge, L.; Kwong, E.; Sabsabi, M.; Vadas, EB (2002). «Количественный анализ фармацевтических продуктов с помощью лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 57 (7): 1131–1140. Bibcode : 2002AcSpe..57.1131S. doi : 10.1016/s0584-8547(02)00062-9.
12. Myakalwar, Ashwin Kumar; Sreedhar, S.; Barman, Ishan; Dingari, Narahara Chari; Venugopal Rao, S.; Prem Kiran, P.; Tewari, Surya P.; Manoj Kumar, G. (2011). «Исследование и классификация фармацевтических таблеток на основе спектроскопии лазерного разрушения с использованием многомерного хемометрического анализа». Talanta . 87 : 53–59. doi :10.1016/j.talanta.2011.09.040. PMC 3418677. PMID  22099648 . 
13. Сюй, Шэнци; Сан, Сяодун; Цзэн, Бин; Чу, Вэй; Чжао, Цзяюй; Лю, Вэйвэй; Чэн, Я; Сюй, Чжичжань; Чин, Си Лян (2012). «Простой метод измерения пиковой интенсивности лазера внутри нити фемтосекундного лазера в воздухе». Optics Express . 20 (1): 299–307. Bibcode : 2012OExpr..20..299X. doi : 10.1364/oe.20.000299 . PMID  22274353.
14. А. Талебпур и др., Спектроскопия газов, взаимодействующих с интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами, 2001, Laser Physics , 11: 68–76
15. Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, SL (2000). «Пределы фокусировки интенсивных сверхбыстрых лазерных импульсов в газе высокого давления: путь к новому спектроскопическому источнику». Optics Communications . 183 (5–6): 479–484. Bibcode : 2000OptCo.183..479T. doi : 10.1016/s0030-4018(00)00903-2.
16. Гейнц, Ю. Э.; Землянов, А. А. (2009). «О пределе фокусировки распространения мощного фемтосекундного лазерного импульса в воздухе». The European Physical Journal D . 55 (3): 745–754. Bibcode :2009EPJD...55..745G. doi :10.1140/epjd/e2009-00260-0. S2CID  121616255.
17. Рейнхард, Нолл (2012). Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя: основы и применение . Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-20667-2. OCLC  773812336.
18. Маркевич-Кешицка, Мария и др. (2017). «Лазерно-индуцированная спектроскопия разрушения (LIBS) для анализа пищевых продуктов: обзор». Тенденции в пищевой науке и технологии . 65 : 80–93. doi : 10.1016/j.tifs.2017.05.005 .
19. Сезер, Бану и др. (2018). «Выявление фальсификации молока с использованием лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS)». International Dairy Journal . 81 : 1–7. doi :10.1016/j.idairyj.2017.12.005.
20. Диксит, Яш и др. (2017). «Лазерно-индуцированная спектроскопия разрушения для количественного определения натрия и калия в говяжьем фарше: потенциальный метод обнаружения фальсификации говяжьих почек». Аналитические методы . 9 (22): 3314–3322. doi :10.1039/C7AY00757D.
21. Диксит, Яш и др. (2018). «Введение в лазерно-индуцированную спектроскопию разрушения изображений в пищевых продуктах: диффузия соли в мясе». Журнал пищевой инженерии . 216 : 120–124. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2017.08.010 .
22. Хаусманн, Н.; Прендергаст, АЛ; Лемонис, А.; Цех, Дж.; Робертс, П.; Сиозос, П.; Англос, Д. (2019-03-06). «Обширное элементное картирование раскрывает отношения Mg/Ca как климатический прокси-фактор в сезонных записях средиземноморских блюдечек». Scientific Reports . 9 (1): 3698. Bibcode :2019NatSR...9.3698H. doi :10.1038/s41598-019-39959-9. ISSN  2045-2322. PMC 6403426 . PMID  30842602. 
23. Хаусманн, Никлас; Робсон, Гарри К.; Хант, Крис (30.09.2019). «Ежегодные закономерности роста и межвидовая изменчивость в записях Mg/Ca археологических находок Ostrea edulis (европейской устрицы) с позднемезолитического участка острова Конорс». Open Quaternary . 5 (1): 9. doi : 10.5334/oq.59 . ISSN  2055-298X.

• Ли, Вон-Бэ; Ву, Цзяньюн; Ли, Йонг-Илл; Снеддон, Джозеф (2004). «Современные применения лазерно-индуцированной пробойной спектрометрии: обзор подходов к материалам». Обзоры прикладной спектроскопии . 39 (1): 27–97. Bibcode : 2004ApSRv..39...27L. doi : 10.1081/ASR-120028868. ISSN  0570-4928. S2CID  98545359.
• Нолл, Рейнхард; Бетте, Хольгер; Бриш, Адриан; Краушаар, Марк; Мёнх, Инго; Петер, Ласло; Штурм, Фолькер (2001). «Спектрометрия с лазерным пробоем — применение для контроля производства и обеспечения качества в сталелитейной промышленности». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 56 (6): 637–649. Bibcode : 2001AcSpe..56..637N. doi : 10.1016/S0584-8547(01)00214-2. ISSN  0584-8547.

Дальнейшее чтение

• Andrzej W. Miziolek; Vincenzo Palleschi; Israel Schechter (2006). Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя . Нью-Йорк: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
• Gornushkin, IB; Amponsah-Manager, K.; Smith, BW; Omenetto, N.; Winefordner, JD (2004). "Microchip Laser Induced Breakdown Spectroscopy: Preliminary Feasibility Investigation". Applied Spectroscopy . 58 (7): 762–769. Bibcode :2004ApSpe..58..762G. doi :10.1366/0003702041389427. PMID  15282039. S2CID  41416641. Архивировано из оригинала 2013-04-15.
• Ампонса-Менеджер, К.; Оменетто, Н.; Смит, Б.В.; Горнушкин, И.Б.; Винефорднер, Дж.Д. (2005). «Микрочиповая лазерная абляция металлов: исследование процесса абляции в свете его применения в лазерно-индуцированной спектроскопии пробоя». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 20 (6): 544. doi :10.1039/B419109A.
• Lopez-Moreno, C.; Amponsah-Manager, K.; Smith, BW; Gornushkin, IB; Omenetto, N.; Palanco, S.; Laserna, JJ; Winefordner, JD (2005). "Количественный анализ низколегированной стали методом спектроскопии с использованием лазера, индуцированного микрочипом". Журнал аналитической атомной спектрометрии . 20 (6): 552. doi :10.1039/B419173K. S2CID  39938942.
• Бетт, Х.; Нолл, Р. (2004). «Высокоскоростная лазерно-индуцированная пробойная спектрометрия для сканирующего микроанализа». Журнал физики D: прикладная физика . 37 (8): 1281. Bibcode : 2004JPhD...37.1281B. doi : 10.1088/0022-3727/37/8/018. S2CID  250750854.
• Balzer, Herbert; Hoehne, Manuela; Noll, Reinhard; Sturm, Volker (2006). "Новый подход к онлайн-мониторингу профиля глубины Al горячеоцинкованной листовой стали с использованием LIBS". Аналитическая и биоаналитическая химия . 385 (2): 225–33. doi :10.1007/s00216-006-0347-z. PMID  16570144. S2CID  42607960.
• Sturm, V.; Peter, L.; Noll, R. (2000). «Анализ стали с помощью лазерно-индуцированной пробойной спектрометрии в вакуумном ультрафиолете». Прикладная спектроскопия . 54 (9): 1275–1278. Bibcode : 2000ApSpe..54.1275S. doi : 10.1366/0003702001951183. S2CID  32765892.
• Vadillo, José M.; Laserna, J.Javier (2004). "Спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы: действительно инструмент для анализа поверхности". Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 59 (2): 147. Bibcode : 2004AcSpe..59..147V. ​​doi : 10.1016/j.sab.2003.11.006.
• Дусе, Франсуа Р.; Фаустино, Патрик Дж.; Сабсаби, Мохамад; Лион, Роб К. (2008). «Количественный молекулярный анализ с эмиссией молекулярных полос с использованием лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения и хемометрики». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 23 (5): 694. doi :10.1039/b714219f. S2CID  97020157.
• В.Копачевский, В.Шпектор, Д.Клемято, В.Бойков, М.Кривошеева, Л.Боброва. (2008). «Колический анализ состава тарных стекол-анализатора LEA S500». Фотоника (на русском языке) (1): 38–40.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Нолл, Рейнхард (2012). Лазерно-индуцированная пробойная спектроскопия: основы и применение . Берлин: Springer. ISBN 978-3-642-20667-2.

Внешние ссылки

• База данных NIST LIBS