Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя

Тип атомно-эмиссионной спектроскопии

Схема системы LIBS – предоставлено Исследовательской лабораторией армии США.

Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя ( LIBS ) — это тип атомно-эмиссионной спектроскопии , в котором в качестве источника возбуждения используется высокоэнергетический лазерный импульс. ^{[1] [2]} Лазер фокусируется для формирования плазмы, которая распыляет и возбуждает образцы. Формирование плазмы начинается только тогда, когда сфокусированный лазер достигает определенного порога 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, направленные на обнаружение опасных материалов. ^{[4] [5]} Приложения, исследованные в ARL, включали обнаружение остатков взрывчатых веществ и других опасных материалов, распознавание пластиковых мин и определение характеристик 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 коммерциализированы в 2003 году. Спектрометр, предназначенный для анализа материалов, позволил системе LIBS быть чувствительной к химическим элементам в низких концентрациях. ^[7]

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

• Протестировано на обнаружение альтернативных агентов галона.
• Испытание портативной системы LIBS для обнаружения свинца в почве и краске.
• Изучено спектральное излучение алюминия и оксидов алюминия из массивного алюминия в различных газовых ваннах.
• Выполнено кинетическое моделирование шлейфов LIBS.
• Продемонстрировал обнаружение и распознавание геологических материалов, пластиковых мин, взрывчатых веществ, а также суррогатов химических и биологических боевых агентов.

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

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

события 2010-х годов

LIBS – один из нескольких аналитических методов, которые можно применять в полевых условиях, в отличие от чисто лабораторных методов, например, искрового ОЭС . По состоянию на 2015 год ^{[обновлять]}недавние исследования LIBS сосредоточены на компактных и (переносных) портативных системах. Некоторые промышленные применения LIBS включают обнаружение путаницы материалов, ^[8] анализ включений в стали, анализ шлаков во вторичной металлургии, ^[9] анализ процессов горения, ^[10] и высокоскоростную идентификацию кусков лома для задачи по переработке конкретных материалов. Вооружившись методами анализа данных, этот метод распространяется и на фармацевтические образцы. ^{[11] [12]}

LIBS с использованием коротких лазерных импульсов

После многофотонной или туннельной ионизации электрон ускоряется за счет обратного тормозного излучения и может сталкиваться с близлежащими молекулами и генерировать новые электроны в результате столкновений. Если длительность импульса велика, вновь ионизированные электроны могут ускориться, и в конечном итоге последует лавинная или каскадная ионизация. Как только плотность электронов достигает критического значения, происходит пробой и создается плазма высокой плотности, не запоминающая лазерный импульс. Итак, критерий кратковременности импульса в плотных средах следующий: Импульс, взаимодействующий с плотным веществом, считается коротким, если при взаимодействии не достигается порог лавинной ионизации. На первый взгляд это определение может показаться слишком ограничительным. К счастью, из-за тонко сбалансированного поведения импульсов в плотных средах порог не может быть легко достигнут. ^{[ нужна цитация ]} Явлением, ответственным за баланс, является ограничение интенсивности ^[13] за счет начала процесса филаментации при распространении 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 ее с точки зрения низкого уровня континуума, а также меньшего уширения линий. Это объясняется более низкой 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 атома, 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 )
• ${\displaystyle n_{0}}$— число 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)
• ${\displaystyle U(T)}$является статистической суммой (безразмерной)
• ${\displaystyle E_{i}}$- энергетический уровень верхнего уровня i (в эВ)
• ${\displaystyle k_{B}}$— постоянная Больцмана (в эВ/К)
• ${\displaystyle T}$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)

Статистическая сумма представляет собой статистическую долю занятости 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 и микроразрушающий инструмент для анализа пищевых продуктов. Он считается потенциальным аналитическим инструментом для качественного и количественного химического анализа, что делает его пригодным в качестве PAT (технологической аналитической технологии) или портативного инструмента. С помощью LIBS анализировали молоко, хлебобулочные изделия, чай, растительные масла, воду, крупы, муку, картофель, финики и различные виды мяса. ^[18] Лишь немногие исследования показали его потенциал в качестве инструмента обнаружения фальсификации определенных продуктов питания. ^{[19] [20]} LIBS также была оценена как многообещающий метод элементной визуализации мяса. ^[21]

В 2019 году исследователи Йоркского университета и Ливерпульского университета Джона Мурса использовали LIBS для изучения 12 европейских устриц ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) из позднемезолитической кучки раковин на острове Конорс ( Ирландия ). Результаты подчеркнули применимость LIBS для определения доисторической сезонности, а также биологического возраста и роста с более высокой скоростью и меньшими затратами, чем это было достижимо ранее. ^{[22] [23]}

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Радземски, Леон Дж.; Кремерс, Дэвид А. (2006). Справочник по спектроскопии лазерного пробоя . Нью-Йорк: Джон Уайли. ISBN 0-470-09299-8.
2. Шехтер, Израиль; Мизиолек, Анджей В.; Винченцо Паллески (2006). Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя (ЛИПС): основы и приложения . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-85274-9.
3. Дж. П. Сингх и С. Н. Тхакур, Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя, 1-е изд. (Elsevier, 2007).
4. Мансон, Дженнифер Л. Готфрид, Фрэнк 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-01.06.2009. 24 (6) . Проверено 27 августа 2018 г.
5. Готфрид, Дженнифер Л.; Де Люсия, Фрэнк С. младший (2010). «Спектроскопия лазерного пробоя: возможности и приложения». дои : 10.21236/ada528756. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
6. «Обнаружение энергетических материалов и взрывоопасных остатков с помощью спектроскопии лазерного разрушения: I. Лабораторные измерения» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 10 мая 2020 г.
7. «Исследователи армии США изучают методы лазерного обнаружения | Качественный дайджест» . www.qualitydigest.com . Проверено 27 августа 2018 г.
8. Нолл, Рейнхард; Бетт, Хольгер; Бриш, Адриана; Краушаар, Марк; Мёнч, Инго; Питер, Ласло; Штурм, Волкер (2001). «Спектрометрия лазерного пробоя — применение для контроля производства и обеспечения качества в сталелитейной промышленности». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 56 (6): 637–649. Бибкод : 2001AcSpe..56..637N. дои : 10.1016/s0584-8547(01)00214-2.
9. Сангхапи, Эрве К.; Айяласомаяджула, Кришна К.; Юэ, Фан Ю.; Сингх, Джагдиш П.; Макинтайр, Дастин Л.; Джайн, Джинеш К.; Накано, Дзинъитиро (2016). «Анализ шлаков с помощью спектроскопии лазерного пробоя». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 115 : 40–45. Бибкод : 2016AcSpe.115...40S. дои : 10.1016/j.sab.2015.10.009 .
10. Сюй, Пол С.; Грагстон, Марк; Ву, Юэ; Чжан, Чжили; Патнаик, Анил К.; Кифер, Йоханнес; Рой, Сукеш; Горд, Джеймс Р. (2016). «Чувствительность, стабильность и точность количественных измерений соотношения топливо-воздух на основе Ns-LIBS для метано-воздушного пламени при давлении 1–11 бар». Прикладная оптика . 55 (28): 8042–8048. Бибкод : 2016ApOpt..55.8042H. дои : 10.1364/ao.55.008042 . ПМИД  27828047.
11. Сен-Онж, Л.; Квонг, Э.; Сабсаби, М.; Вадас, Э.Б. (2002). «Количественный анализ фармацевтических продуктов методом лазерно-индуцированной спектроскопии пробоя». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 57 (7): 1131–1140. Бибкод : 2002AcSpe..57.1131S. дои : 10.1016/s0584-8547(02)00062-9.
12. Мьякалвар, Ашвин Кумар; Шридхар, С.; Барман, Ишан; Дингари, Нарахара Чари; Венугопал Рао, С.; Прем Киран, П.; Тевари, Сурья П.; Манодж Кумар, Г. (2011). «Исследование и классификация фармацевтических таблеток на основе лазерной спектроскопии разрушения с использованием многомерного хемометрического анализа». Таланта . 87 : 53–59. doi :10.1016/j.talanta.2011.09.040. ПМЦ 3418677 . ПМИД  22099648. 
13. Сюй, Шэнци; Сунь, Сяодун; Цзэн, Бин; Чу, Вэй; Чжао, Цзяюй; Лю, Вэйвэй; Ченг, Я; Сюй, Жижан; Чин, См. Леанг (2012). «Простой метод измерения пиковой интенсивности лазера внутри нити фемтосекундного лазера в воздухе». Оптика Экспресс . 20 (1): 299–307. Бибкод : 2012OExpr..20..299X. дои : 10.1364/oe.20.000299 . ПМИД  22274353.
14. А. Талебпур и др., Спектроскопия газов, взаимодействующих с интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами, 2001, Лазерная физика , 11: 68–76.
15. Талебпур, А.; Абдель-Фаттах, М.; Чин, С.Л. (2000). «Пределы фокусировки интенсивных сверхбыстрых лазерных импульсов в газе высокого давления: путь к новому спектроскопическому источнику». Оптические коммуникации . 183 (5–6): 479–484. Бибкод : 2000OptCo.183..479T. дои : 10.1016/s0030-4018(00)00903-2.
16. Гейнц, Ю. Э.; Землянов, А.А. (2009). «О пределе фокусировки распространения мощных фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе». Европейский физический журнал Д. 55 (3): 745–754. Бибкод : 2009EPJD...55..745G. doi : 10.1140/epjd/e2009-00260-0. S2CID  121616255.
17. Рейнхард., Нолл (2012). Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя: основы и приложения . Шпрингер-Верлаг Берлин Гейдельберг. ISBN 978-3-642-20667-2. OCLC  773812336.
18. Маркевич-Кешицка, Мария; и другие. (2017). «Спектроскопия лазерного разрушения (LIBS) для анализа пищевых продуктов: обзор». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 65 : 80–93. дои : 10.1016/j.tifs.2017.05.005 .
19. Сезер, Бану; и другие. (2018). «Выявление мошенничества с молоком с помощью спектроскопии лазерного пробоя (LIBS)». Международный молочный журнал . 81 : 1–7. дои : 10.1016/j.idairyj.2017.12.005.
20. Диксит, Яш; и другие. (2017). «Лазерная спектроскопия разрушения для количественного определения натрия и калия в говяжьем фарше: потенциальный метод обнаружения фальсификации говяжьих почек». Аналитические методы . 9 (22): 3314–3322. дои : 10.1039/C7AY00757D.
21. Диксит, Яш; и другие. (2018). «Введение в визуализацию спектроскопии лазерного разрушения пищевых продуктов: диффузия соли в мясе». Журнал пищевой инженерии . 216 : 120–124. дои : 10.1016/j.jfoodeng.2017.08.010 .
22. Хаусманн, Н.; Прендергаст, Алабама; Лемонис, А.; Зех, Дж.; Робертс, П.; Сиозос, П.; Англос, Д. (06 марта 2019 г.). «Обширное картирование элементов позволяет использовать соотношение Mg/Ca в качестве показателя климата в сезонных записях средиземноморских блюдец». Научные отчеты . 9 (1): 3698. Бибкод : 2019NatSR...9.3698H. дои : 10.1038/s41598-019-39959-9. ISSN  2045-2322. ПМК 6403426 . ПМИД  30842602. 
23. Хаусманн, Никлас; Робсон, Гарри К.; Хант, Крис (30 сентября 2019 г.). «Годовые закономерности роста и межвидовая изменчивость в записях Mg/Ca археологического Ostrea edulis (европейская устрица) из стоянки позднего мезолита острова Конорс». Открытый четвертичный период . 5 (1): 9. дои : 10,5334/ок.59 . ISSN  2055-298X.

• Ли, Вон Бэ; У, Цзянюн; Ли, Ён-Илл; Снеддон, Джозеф (2004). «Недавние применения спектрометрии лазерного пробоя: обзор подходов к материалам». Обзоры прикладной спектроскопии . 39 (1): 27–97. Бибкод : 2004АпСРв..39...27Л. дои : 10.1081/ASR-120028868. ISSN  0570-4928. S2CID  98545359.
• Нолл, Рейнхард; Бетт, Хольгер; Бриш, Адриана; Краушаар, Марк; Мёнч, Инго; Питер, Ласло; Штурм, Волкер (2001). «Спектрометрия лазерного пробоя — применение для контроля производства и обеспечения качества в сталелитейной промышленности». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 56 (6): 637–649. Бибкод : 2001AcSpe..56..637N. дои : 10.1016/S0584-8547(01)00214-2. ISSN  0584-8547.

дальнейшее чтение

• Анджей В. Мизиолек; Винченцо Паллески; Израиль Шехтер (2006). Спектроскопия лазерного пробоя . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-85274-9.
• Горнушкин И.Б.; Ампонса-Менеджер, К.; Смит, Б.В.; Оменетто, Н.; Вайнфорднер, доктор юридических наук (2004). «Спектроскопия микрочипового лазерного пробоя: предварительное технико-экономическое обоснование». Прикладная спектроскопия . 58 (7): 762–769. Бибкод : 2004ApSpe..58..762G. дои : 10.1366/0003702041389427. PMID  15282039. S2CID  41416641. Архивировано из оригинала 15 апреля 2013 г.
• Ампонса-Менеджер, К.; Оменетто, Н.; Смит, Б.В.; Горнушкин И.Б.; Вайнфорднер, доктор юридических наук (2005). «Лазерная абляция микрочипов металлов: исследование процесса абляции с точки зрения его применения в спектроскопии лазерного пробоя». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 20 (6): 544. дои : 10.1039/B419109A.
• Лопес-Морено, К.; Ампонса-Менеджер, К.; Смит, Б.В.; Горнушкин И.Б.; Оменетто, Н.; Паланко, С.; Лазерна, Джей Джей; Вайнфорднер, доктор юридических наук (2005). «Количественный анализ низколегированной стали методом микрочиповой лазерной спектроскопии пробоя». Журнал аналитической атомной спектрометрии . 20 (6): 552. дои : 10.1039/B419173K. S2CID  39938942.
• Бетт, Х; Нолл, Р. (2004). «Высокоскоростная лазерно-индуцированная спектрометрия пробоя для сканирующего микроанализа». Журнал физики D: Прикладная физика . 37 (8): 1281. Бибкод : 2004JPhD...37.1281B. дои : 10.1088/0022-3727/37/8/018. S2CID  250750854.
• Бальцер, Герберт; Хёне, Мануэла; Нолл, Рейнхард; Штурм, Волкер (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.
• Штурм, В.; Питер, Л.; Нолл, Р. (2000). «Анализ стали с помощью спектрометрии лазерного пробоя в вакуумном ультрафиолете». Прикладная спектроскопия . 54 (9): 1275–1278. Бибкод : 2000ApSpe..54.1275S. дои : 10.1366/0003702001951183. S2CID  32765892.
• Вадильо, Хосе М.; Лазерна, Дж. Хавьер (2004). «Лазерно-индуцированная плазменная спектрометрия: действительно инструмент для анализа поверхности». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 59 (2): 147. Бибкод : 2004AcSpe..59..147В. дои : 10.1016/j.sab.2003.11.006.
• Дусе, Франсуа Р.; Фаустино, Патрик Дж.; Сабсаби, Мохамад; Лион, Робб К. (2008). «Количественный молекулярный анализ с испусканием молекулярных полос с использованием спектроскопии лазерного пробоя и хемометрии». 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: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Нолл, Рейнхард (2012). Спектроскопия лазерного пробоя: основы и приложения . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-642-20667-2.

Внешние ссылки

• База данных NIST LIBS