Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя

«Либс» перенаправляется сюда. Аббревиатуру см. в разделе «Либеральный» .

Схема системы LIBS – предоставлено Исследовательской лабораторией армии США.

Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя ( LIBS ) — это тип атомно-эмиссионной спектроскопии используется высокоэнергетический лазерный импульс. , в котором в качестве источника возбуждения Лазер фокусируется на образование плазмы, которая распыляет и возбуждает образцы. Образование плазмы начинается только тогда, когда сфокусированный лазер достигает определенного порога оптического пробоя, который обычно зависит от окружающей среды и материала мишени.

события 2000-х годов

С 2000 по 2010 год Исследовательская лаборатория армии США (ARL) исследовала потенциальные расширения технологии LIBS, направленные на обнаружение опасных материалов. Приложения, исследованные в ARL, включали дистанционное обнаружение остатков взрывчатых веществ и других опасных материалов, распознавание пластиковых мин и определение характеристик материалов различных металлических сплавов и полимеров. Результаты, представленные ARL, показывают, что LIBS может различать энергетические и неэнергетические материалы.

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.

Приложения ARL LIBS, изученные с 2000 по 2010 год, включали:

• Протестировано на обнаружение альтернативных агентов галона.
• Испытана портативная полевая система 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 в этот период, включали:

• 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 , недавние исследования LIBS сосредоточены на компактных и (переносных) портативных системах. Некоторые промышленные применения LIBS включают обнаружение смешивания материалов, анализ включений в стали, анализ шлаков вторичной металлургии, анализ процессов горения, и высокоскоростная идентификация отходов для задач по переработке конкретных материалов. Вооружившись методами анализа данных, этот метод распространяется и на фармацевтические образцы.

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 быть ускорены, 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. Феномен, отвечающий за баланс, — это ограничение интенсивности. за счет возникновения процесса филаментации при распространении сильных лазерных импульсов в плотных средах.

Потенциально важное развитие LIBS предполагает использование короткого лазерного импульса в качестве спектроскопического источника. 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.

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

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

где :

• $I_{ij}$ — скорость излучения фотонов (в м ⁻³ сэр ⁻¹ с ⁻¹ )
• $n_{0}$ — число нейтральных атомов в плазме (в м ⁻³ )
• $A_{ij}$ — вероятность перехода между уровнем i и уровнем j (в с ⁻¹ )
• $g_{i}$ – вырождение верхнего уровня i (2 J +1)
• $U(T)$ является статистической суммой (безразмерной)
• $E_{i}$ - энергетический уровень верхнего уровня i (в эВ)
• $k_{B}$ — постоянная Больцмана (в эВ/К)
• $T$ температура (в К)
• $I(\lambda )$ профиль линии такой, что $\int _{-\infty }^{\infty }I(\lambda )d\lambda =1$
• $\lambda$ длина волны (в нм)

Функция разделения $U(T)$ - статистическая доля занятости каждого уровня $k$ атомных видов:

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

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. Лишь немногие исследования показали его потенциал в качестве инструмента обнаружения фальсификации определенных продуктов питания. LIBS также был оценен как многообещающий метод элементной визуализации мяса.

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 доисторических практик сезонности, а также биологического возраста и роста с более высокой скоростью и меньшими затратами, чем это было достижимо ранее.

См. также

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

Ссылки

• 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 . ПМИД   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. дои : 10.1007/s00216-006-0347-z . ПМИД   16570144 . S2CID   42607960 .
• Штурм, В.; Питер, Л.; Нолл, Р. (2000). «Анализ стали методом лазерно-индуцированной спектрометрии 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..147V . дои : 10.1016/j.sab.2003.11.006 .
• Дусе, Франсуа Р.; Фаустино, Патрик Дж.; Сабсаби, Мохамад; Лион, Робб К. (2008). «Количественный молекулярный анализ с эмиссией молекулярных полос с использованием спектроскопии лазерного пробоя и хемометрии» . Журнал аналитической атомной спектрометрии . 23 (5): 694. дои : 10.1039/b714219f . S2CID   97020157 .
• В.Копачевский, В.Шпектор, Д.Клемято, В.Бойков, М.Кривошеева, Л.Боброва. (2008). "Количественный анализ состава тарных стекол анализатором LEA S500" . Фотоника (in Russian) (1): 38–40. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Нолл, Рейнхард (2012). Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя: основы и приложения . Берлин: Шпрингер. ISBN  978-3-642-20667-2 .

Внешние ссылки

• База данных NIST LIBS