水体重金属LIBS多元素测量参数优化方法研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)方法的优势之一就是可多元素同时检测。为获得水体重金属LIBS多元素测量时的综合最佳信号输出,本文利用BP神经网络拟合Pb,Cu和Ni三种元素特征谱线信背比(S/B)与延时门宽之间的数值关系,同时采用DM设计实验数据作为校验样本,保证BP神经网络模型的泛化能力。基于上述数值模型利用遗传算法优化延时门宽两个测量参数,定义了适应度函数,得到延时门宽为(15.5和21.5 μs)时,取最小值0.102 4,此时三种元素综合信背比最大,对比实验进一步验证了优化效果。神经网络结合遗传算法的优化方法提高了水体重金属LIBS多元素测量时的综合信背比,研究方法也为更多参数更多响应的实验系统优化提供了参考。     

应用LIBS技术测量土壤重金属Cr含量

应用激光诱导击穿光谱分析技术(laser-induced break-down spectroscopy, LIBS)开展了土壤中重金属铬元素含量探测研究。实验中激光波长为1 064 nm, 脉冲宽度为8 ns, 重复频率10 Hz,选取Cr 427.4 nm作为光谱分析谱线。实验结果表明,在光谱采集相对于激光脉冲延迟时间为4.78 μs, 土壤样品表面位于聚焦透镜焦后1 mm的实验条件下, Cr元素浓度测量的相对标准偏差(RSD)为12.1%, 检测限为2.01 ppm, 元素实验测量与标准值的相对偏差为5.15%。可以看出LIBS技术具有低检测限、测量精度高等优点, 这对土壤中重金属污染和监测环境质量的精确、快速检测等问题具有重要意义。     

基于LIBS技术的托卡马克装置壁表面成分在线诊断研究

托卡马克装置是环形的等离子体约束系统,被认为是最有可能实现受控热核聚变的方式.等离子体与壁材料相互作用(Plasma wall interaction, PWI)过程所产生的杂质会严重威胁托卡马克装置的高参量稳态运行,因而发展有效的壁杂质监测方法十分关键.激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)技术被视为极具潜力的壁表面元素分析技术,相关研究有助于PWI各种物理过程和机理的深入理解,以及发展PWI的控制方法.本文对国内外LIBS壁诊断相关研究现状进行评述,并阐述LIBS壁诊断技术的发展趋势和亟待解决的关键问题.     

土壤中铜元素的激光诱导击穿光谱测量分析

利用Nd:YAG脉冲激光器(1064nm)作为光源,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,测量并分析了土壤中铜元素激光诱导击穿光谱特性。以铜的327.396nm特征谱线作为分析线,在同一浓度下,固定探测器门宽,通过调节延迟时间,得到铜元素的衰变特性,确定了铜元素的最佳延迟时间为1.1μs。测定不同铜浓度下的特征谱线强度,表明在低浓度下,谱线强度随浓度的增加而增大。文章给出了铜元素的定标曲线,并计算得到铜元素的检测限为13.36μg·g-1。     

激光诱导击穿光谱(LIBS)光谱诊断与元素分析及激光功率、入射角度以及测试足巨离的改变对结果影响

激光诱导击穿光谱法(LIBS)在精准识别该样品元素的组成成分和含量的同时,也可以得到该特征元素等离子体的电子温度、粒子旋转温度等相关光谱诊断参数.该方法非接触式、低损伤阈值,借助高速高分辨率响应的CCD探测元件更可以实现实时动态测量.文章基于LIBS的相关原理,对一块事先标定好元素成分的合金进行光谱诊断的同时,发现在改...     

钢液中多元素的LIBS实时定量分析

将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术直接应用于钢液成分的检测.研究结果表明,氩气作为保护气不仅可以避免钢液表面的氧化,同时可以增强等离子体信号强度.在氩气氛围下,钢液表面被聚焦成高功率密度的脉冲激光击穿形成等离子体,利用耦合CCD的多通道光纤光谱仪探测等离子体在冷却过程中发射的光谱信号,得到钢液组分的相关信息.根据分析谱线选取原则,确定了主要合金元素Mn,Si和Cr的特征谱线,并建立了相应元素的定标曲线,曲线的线性拟合度均在0.925以上,对应的质量浓度检测限分别为75.7,23.8和724.5 μg·g-1.     

样品物理方法前处理提高猪肉中Pb元素的LIBS分析精度研究

农产品基体复杂,为了减弱水分和有机质对其痕量重金属元素LIBS检测能力的影响,以期提高目标元素LIBS分析灵敏度和预测精度。以实验室含Pb溶液污染处理的新鲜猪肉样品为例,对猪肉样品进行烘干、粉碎、压片处理,比较样品简单的物理方法前处理提高目标元素LIBS探测效果的可行性。通过采集猪肉鲜样和干样的LIBS谱线信息发现,鲜样受水分、有机质成分影响致使其谱线信息背景和噪声信号干扰较大;对于10个浓度梯度的样品,目标元素特征谱线Pb Ⅰ 405.78的LIBS强度信息在鲜样中无明显的差异性,而在干样样品中差异明显并表现出一定的梯度关系。说明LIBS缺乏对鲜样样品低浓度Pb污染的探测能力,干燥处理削弱了水分的影响、浓缩了样品浓度范围,提高了LIBS的检测灵敏度。通过目标元素Pb的真实浓度与其特征谱线LIBS强度线性定量模型分析,干样样品的线性相关系数远大于鲜样样品,此时猪肉干样样品检测限为5.13 mg·kg-1,说明干样样品具有一定的预测精度。整个工作证明猪肉等农产品在经过合适的、简单的物理方法前处理后,有望在LIBS分析灵敏度和检测精度方面发挥应有的潜力,且该物理方法前处理同样适用于其他肉类的LIBS检测分析。     

腔体约束LIBS结合机器学习对土壤重金属元素的定量分析

土壤重金属元素含量检测及防治,对我国农业、生态环境修复具有重大意义。利用外加腔体约束结合激光诱导击穿光谱技术（LIBS）获得土壤光谱数据,采用机器学习对土壤中重金属元素Ni和Ba含量进行分析。实验设置延迟时间为0.5～5 μs,选择Ni Ⅱ 221.648 nm和Ba Ⅱ 495.709 nm作为目标研究特征谱线,计算两种LIBS条件下延迟时间对信噪比、光谱强度及增强因子的影响。结果表明,腔体约束LIBS（CC-LIBS）可以增大光谱强度及目标元素信噪比,同时随着采集延迟时间增长,等离子体数目变少,光谱强度及信噪比逐渐减小并趋于稳定;当延迟时间设置为1 μs时,CC-LIBS条件下Ni和Ba元素特征谱线信噪比达到最优,确定此时为LIBS最优实验条件。通过最优条件获取9种含Ni和Ba元素土壤样品的光谱数据,由于采集到的每组光谱信息有12 248个数据点,利用主成分分析（PCA）对CC-LIBS条件下的光谱数据降维,在保留95%以上的土壤原始信息后,选择9个主成分作为定量分析模型的输入变量,以提高模型的运算速度。采用机器学习中的Lasso,AdaBoost和Random Forest模型,对PCA降维后的光谱数据进行建模及预测,实现土壤重金属元素Ni和Ba的定量分析。结果表明,与Lasso和AdaBoost模型相比,Random Forest模型在训练集和测试集中表现出的预测性能最优。Random Forest模型下Ni元素在测试集中的R2为0.937,RMSEP为3.037;Ba元素在测试集中的相关系数R2为0.886,均方根误差RMSEP为90.515。基于腔体约束LIBS技术结合机器学习,为土壤重金属元素的高精度检测提供了技术指导。     

空气环境下煤粉流LIBS多元素同时检测中激光能量研究

考察了大气环境下激光诱导击穿光谱适用于煤粉流多元素同时检测的激光能量范围,分析了造成煤粉流测量谱线信号波动的原因,得到了适用于煤粉流多元素同时检测的激发区域功率密度范围和最佳功率密度。实验选取能量范围为20～160 mJ,粒径小于200 μm煤粉颗粒经下料口自由下落形成煤粉流束,通过螺杆式给粉机控制流量,波长1 064 nm脉冲激光聚焦后作用于下降的煤粉流束上,产生等离子体,光谱仪采集等离子体发射光谱信号,分析结果表明：实验台架下适于煤粉流LIBS检测的能量范围为30～60 mJ,对应激发前沿功率密度选取范围14.4～34.4 GW·cm-2,最佳测量功率密度19.5 GW·cm-2。     

LIBS结合单变量定标法对土壤中铅元素含量检测

重金属污染一直影响着人们的健康生活,如镉,铅和铜等的污染,故而土壤重金属的快速检测和如何预防,一直受各国学者关注和研究。传统土壤重金属检测方法（如原子吸收光谱法、X荧光光谱法等）样品预处理复杂,分析成本较高,易形成样品的二次污染,不能满足快速分析的要求。激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种典型的原子发射光谱,它是基于分析物质中原子和离子受激发而发射的特征谱线信息,进而研究物质成分的分析方法。LIBS技术能够快速检测任何状态（固、液和气态）物质元素的成分和含量,被看作是未来化学检测和快速绿色分析领域的新兴技术。LIBS技术具有对样本简单预处理（或不需要处理）、多元素同步分析、远距离测量、适用性广等优势,被广泛用于生活生产的各个领域,已成为近年来国内外学者广泛关注和研究的热点之一。在农业信息快速感知的大背景下,以激光诱导击穿光谱技术为技术手段,以土壤重金属铅元素为研究对象,运用理论分析和数学建模相结合,建立了多种基于单变量定标曲线的土壤重金属铅检测模型,并进行了模型验证。自制15个已知的铅元素浓度梯度的谱线土壤样本,在获取了土壤LIBS数据之后,对其进行预处理对比,建立了基于谱峰强度、谱峰积分、洛伦兹拟合强度三种定标曲线模型,对土壤中铅元素含量进行定量分析,得出基于三种定标曲线模型对土壤中铅元素含量的预测决定系数R2分别为0.918 0,0.910 1和0.914 3,三种定标曲线分析方法的预测结果都较好,说明了LIBS结合单变量定标曲线法对土壤中铅含量的检测可靠性高。最后选取部分样本数据进行验证,结果较好。研究结果为研发便携式农田土壤污染物检测技术与装备提供技术支撑,也为农田精准管理和科学施肥奠定基础。     

Analysis of Minerals and Rocks by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technique was applied for rapid analysis of major and minor elements composing geological samples including minerals, rocks, and a soil sample. The plasma was produced in air at atmospheric pressure by focusing on the targets a pulsed infrared Nd:YAG laser in open-path configuration. The emitted light in the UV-Vis was analyzed by a compact LIBS system to measure spectral emission lines of Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, C, Cu, Mn, and Ti. The experimental issues relevant for the analysis of the different samples were investigated by taking into account their peculiar features: drilling through a weathered layer, roughness and grain-size considerations, statistical averaging, and accuracy of the measurements. In this approach, the characterization of the samples was achieved by studying the relative variations of the emission intensities of each element normalized with respect to an internal standard. The present study shows the usefulness of LIBS as a tool for reliable identification of field samples.     

基于不同化学计量学方法的土壤重金属激光诱导击穿光谱定量分析研究

工业的发展及城市化进程的深入,造成大量耕地土壤遭受重金属污染,土壤重金属元素的准确检测对制定土壤重金属防治决策提供有效参考。本研究应用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合化学计量学方法对土壤中的铅(Pb)和镉(Cd)元素进行定量分析。根据土壤重金属污染的不同程度,人为制作了含有Pb和Cd元素的15个浓度梯度的土壤样本,并采集各个样本的LIBS谱线。采用剔除异常光谱和数据归一化来减少试验误差和噪声。综合土壤LIBS发射谱线中Pb和Cd元素谱峰信息以及美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准原子光谱数据库,选取了Pb,Cd元素的分析谱线与分析谱线区间,对比分析基于多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和反向传播人工神经网络(BP-ANN)算法,建立分析谱线区间与对应Pb和Cd元素浓度之间的定量回归模型。结果表明,非线性的LS-SVM和BP-ANN的模型的预测性能优于线性MLR和PLSR模型,这可能是因为非线性模型能够通过自适应较好地解决土壤基体效应的影响。研究表明,LIBS技术结合多元化学计量学方法能够为土壤重金属准确检测提供新的分析手段,为制定农业土壤重金属防治决策提供有效的理论基础。     

LIBS技术在污染土壤重金属含量分布测量中的应用

诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实时快速、多元素同时探测的优势,并且无需样品预处理,检测成本低,是土壤重金属定量分析检测的一种重要分析手段。将LIBS技术应用于冶炼厂区周围土壤中重金属的含量分布分析研究,利用Cu,Pb和Cr三种元素的特征谱线强度分析了冶炼厂区周围土壤中Cu,Pb和Cr三种元素的含量分布。实验结果表明冶炼厂区土壤LIBS光谱中Cu和Pb两种元素的特征谱线强度分布与实际含量分布呈较好的线性关系,而Cr元素的特征谱线强度分布与实际含量分布相关性较差。为了提高Cr元素含量分布分析的准确性,利用CF-LIBS结合Saha方程应用于土壤Cr元素的含量分布分析中。实验结果表明基于CF-LIBS计算的Cr和Si两种元素含量比值分布与土壤Cr元素的实际含量分布之间具有良好的一致性。相比于其他的化学分析方法,LIBS技术结合CF-LIBS可以快速的对区域土壤重金属元素的含量分布进行检测,因此将LIBS技术与CF-LIBS相结合用于土壤重金属的含量分布检测中,为污染区域的重金属防治提供方向。     

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for Chemical Mapping of Materials

Abstract: Analytical techniques able to perform spatially resolved analysis are highly demanded in the surface analysis and material science fields. Compared to other analytical techniques usually employed, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) offers several advantages, such as simplicity and robustness of instrumentation, which permit on-line and in situ measurements. No or minimal sample preparation is required, and the analysis of any sample without restrictions on the shape, size, or conductive nature can be performed under atmospheric conditions in a matter of seconds. In this work, a review of the different instrumental approaches employed in the generation of compositional maps as well as a detailed discussion of the different applications that involve the use of LIBS to obtain two-dimensional or even three-dimensional chemical maps is presented.     

激光诱导击穿光谱对焊缝熔合区的元素成分分布分析

激光诱导击穿光谱(LIBS)是近十几年来快速发展的一种新的表面分析工具,由于具有分析速度快、灵敏度高等优点,故在材料科学领域引起广泛的关注。文中采用LIBS、扫描电子显微镜／能谱仪(SEM/EDS)和电子探针显微分析(EPMA)三种分析方法,对两类不同焊缝的熔合线区域进行线扫描分析,研究了Ni,Mn,C,Si等元素在熔合线区域含量的变化情况。结果表明,对于含量较高且焊缝和母材成分差别较大的Ni和Mn元素,三种方法获得了一致的分析结果,两试样焊缝内的Ni和Mn含量均高于母材,在熔合线区域明显体现出浓度梯度分布。三种方法根据Ni和Mn的浓度分布测得的熔合线区宽度值比较接近。对于含量较低且焊缝和母材成分差别较小的C和Si元素,采用SEM/EDS和EPMA时,焊缝与母材之间的成分差异没有分析出来;而采用LIBS时,两区域的成分差异则可以清晰的展现出来,在熔合区域能够清楚观察到浓度梯度分布曲线。LIBS的分析灵敏度明显高于SEM/EDS和EPMA,在分析低含量元素时更具优势。     

溶液中金属元素的激光诱导击穿光谱

利用激光击穿光谱的方法对水溶液样品中的金属元素进行定性和定量分析。分别采用竖直喷流(口径0.5 mm)和静止液面两种样品采样模式,针对不同质量浓度的Cd,Fe,Al和Pb元素进行了检测分析并得到了其定标曲线(线性拟合相关度基本在0.99以上),初步确定了4种元素在喷流模式下的检测限为0.206 5(Cd),0.147 6(Fe),0.061 9(Al)和0.200 9(Pb)g/L;静止液面模式下的检测限为0.050 1(Cd),0.0239(Fe),0.014 8(Al)和0.006 9(Pb)g/L。实验所得的结果为检测工业废水中金属元素的含量提供了依据。     

Spectral Characterization of Nitrogen in Farmland Soil by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Nitrogen is one of the most important elements in farmland soil, and nitrogen content is one of the evaluation indicators of fertilizers. It is difficult to measure the nitrogen content in farmland soil because the chemical and physical properties of farmland soil are complex. Through the adoption of buffer gases to remove the influence of the nitrogen in air, this paper studied the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) characteristics of nitrogen in soil to establish a foundation for in situ measurement of nitrogen in farmland soil. Three characteristic spectral lines have been found. Based on the precise controlling of laser power and triggering of delay time between laser generation and spectra collection, we have studied the effects of laser energy on LIBS spectral characteristics and the time evolution characteristics to supply the basis of parameter optimization for the measurement. In addition, we have studied the relationship between nitrogen concentration and LIBS spectral intensity. The results demonstrated that LIBS was an effective measurement method of nitrogen content in farmland soil with simple hardware structure, fast detection, and high precision.     

远程激光诱导击穿光谱技术进展

远程激光诱导击穿光谱技术(Remote LIBS)是一种利用高能激光和聚焦手段实现远距离分析物质元素组成的光谱探测技术,是远程探测的一种重要手段。本文对远程LIBS的三种探测方式(开放路径式、光纤光路式和便携式探针式)及相应的系统结构做了总结和分析。传统的开放路径式对激光器、光学系统和检测系统的性能和规格要求严格,一直是远程LIBS的研究热点;光纤光路LIBS优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收。本文综述了远程LIBS新技术的研究进展,着重分析了飞秒成丝远程LIBS技术及与Raman光谱探测相结合等远程LIBS新技术的特点和优势。新技术大大提高了探测距离,增强了物质识别能力,为扩大远程LIBS的应用做出巨大的贡献。同时,论文详细介绍了远程LIBS技术在深空探测、危害物质检测、工业冶金、文物检测修复等领域的研究现状和应用新进展。远程LIBS技术随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究,探测距离和应用范围不断扩大,检测精度和准确度也在提升。     

真空环境熔融金属成分检测的激光诱导击穿光谱系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是应用于冶金在线分析最具前景的技术之一。为了研究真空和高温条件下LIBS光谱特性和物质成分定量分析方法,设计并搭建了可实现真空环境高温熔融金属LIBS光谱测量的实验系统。系统以调Q Nd: YAG脉冲激光器为光源,采用不同焦距透镜实现激光聚焦和信号光采集,并利用光谱仪进行光谱检测,真空获取和高温加热通过真空泵和中频感应电炉实现,感应加热线圈通过陶瓷封接引线法兰与真空系统进行整合。经过安装测试,搭建系统在未加热情况下真空度可达1×10-4Pa,加热温度可达到1 600 ℃,可实现真空环境下铁、铝等金属加热或熔融,并获得相应环境下的LIBS测量光谱。利用该系统进行真空和熔融条件下标准钢样品的LIBS实验,得到了固态钢样品LIBS光谱在不同真空度下的光谱对比,以及真空环境熔融态和固态钢样品光谱对比。通过对测得的LIBS光谱进行数据处理和理论分析,所得初步实验结果与现有研究结论相符合,表明该系统工作状况良好,可满足真空环境下的熔融金属成分分析研究的基本需求。     

Feasibility of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for the Study of the Temporal Distribution of Trace Elements Trapped in Snow Collected from Greater Himalayan Range

The potential merit of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been demonstrated for detection and quantification of trace pollutants trapped in snow/ice samples. In this technique, a high-power pulsed laser beam from Nd:YAG Laser (Model no. Surelite III-10, Continuum, Santa Clara, CA, USA) is focused on the surface of the target to generate plasma. The characteristic emissions from laser-generated plasma are collected and recorded by a fiber-coupled LIBS 2000+ (Ocean Optics, Santa Clara, CA, USA) spectrometer. The fingerprint of the constituents present in the sample is obtained by analyzing the spectral lines by using OOI LIBS software. Reliable detection of several elements like Zn, Al, Mg, Fe, Ca, C, N, H, and O in snow/ice samples collected from different locations (elevation) of Manali and several snow samples collected from the Greater Himalayan region (from a cold lab in Manali, India) in different months has been demonstrated. The calibration curve approach has been adopted for the quantitative analysis of these elements like Zn, Al, Fe, and Mg. Our results clearly demonstrate that the level of contamination is higher in those samples that were collected in the month of January in comparison to those collected in February and March.