Laserem indukovaná spektroskopie rozpadu - Laser-induced breakdown spectroscopy

Schéma systému LIBS - s laskavým svolením výzkumné laboratoře americké armády

Laserem indukovaná rozkladová spektroskopie ( LIBS ) je typem atomové emisní spektroskopie, která využívá jako zdroj buzení vysoce energetický laserový puls. Laser je zaostřen za vzniku plazmy, která atomizuje a excituje vzorky. Tvorba plazmy začíná teprve tehdy, když zaostřený laser dosáhne určité prahové hodnoty pro optické zhroucení, která obecně závisí na prostředí a cílovém materiálu.

2000s vývoj

V letech 2000 až 2010 zkoumala americká armádní výzkumná laboratoř (ARL) potenciální rozšíření technologie LIBS, která se zaměřila na detekci nebezpečných materiálů. Aplikace zkoumané na ARL zahrnovaly detekci odstupu výbušných zbytků a jiných nebezpečných materiálů, diskriminaci plastových nášlapných min a charakterizaci materiálů různých kovových slitin a polymerů. Výsledky předložené ARL naznačují, že LIBS může být schopen rozlišovat mezi energetickými a neenergetickými materiály.

Výzkum

V roce 2000 byly vyvinuty a komercializovány širokopásmové spektrometry s vysokým rozlišením a uvedeny na trh v roce 2003. Spektrometr, navržený pro materiálovou analýzu, umožnil systému LIBS být v nízké koncentraci citlivý na chemické prvky.

Aplikace ARL LIBS studované v letech 2000 až 2010 zahrnovaly:

  • Testováno pro detekci alternativních agentů Halon
  • Testován v terénu přenosný systém LIBS pro detekci olova v půdě a barvách
  • Studoval spektrální emise hliníku a oxidů hliníku ze sypkého hliníku v různých koupelových plynech
  • Provedeno kinetické modelování oblaků LIBS
  • Předvedl detekci a diskriminaci geologických materiálů, plastových nášlapných min, výbušnin a náhrad chemických a biologických bojových látek

Prototypy ARL LIBS studované během tohoto období zahrnovaly:

  • Laboratorní nastavení LIBS
  • Komerční systém LIBS
  • Přenosné zařízení LIBS pro muže
  • Standoff LIBS systém vyvinutý pro detekci 100+ m a diskriminaci výbušných zbytků.

2010s vývoj

LIBS je jednou z několika analytických technik, které lze nasadit v terénu na rozdíl od čistě laboratorních technik, např. Jiskřit OES . Jak 2015, nedávný výzkum LIBS se zaměřuje na kompaktní a (man-) přenosné systémy. Některé průmyslové aplikace LIBS zahrnují detekci záměny materiálu, analýzu vměstků v oceli, analýzu strusky v sekundární metalurgii, analýzu spalovacích procesů a vysokorychlostní identifikaci kusů šrotu pro recyklační úlohy specifické pro materiál. Tato technika, vyzbrojená technikami analýzy dat, se rozšiřuje na farmaceutické vzorky.

LIBS pomocí krátkých laserových pulzů

Po multiphotonové nebo tunelové ionizaci je elektron urychlován inverzním Bremsstrahlung a může se srazit s blízkými molekulami a generovat nové elektrony prostřednictvím srážek. Pokud je trvání pulzu dlouhé, lze nově ionizované elektrony urychlit a nakonec následovat lavinová nebo kaskádová ionizace. Jakmile hustota elektronů dosáhne kritické hodnoty, dojde k rozpadu a vytvoří se plazma s vysokou hustotou, která nemá paměť na laserový puls. Kritérium pro krátkost pulzu v hustém médiu je tedy následující: Pulz interagující s hustou hmotou je považován za krátký, pokud během interakce není dosaženo prahu pro lavinovou ionizaci. Na první pohled se tato definice může zdát příliš omezující. Naštěstí kvůli jemně vyváženému chování pulzů v hustých médiích nelze prahovou hodnotu snadno dosáhnout. Fenoménem zodpovědným za rovnováhu je intenzita sevření na začátku procesu filamentace během šíření silných laserových pulzů v hustých médiích.

Potenciálně důležitý vývoj LIBS zahrnuje použití krátkého laserového pulsu jako spektroskopického zdroje. Při této metodě se vytvoří plazmová kolona jako výsledek zaostřování ultrarychlých laserových pulsů v plynu. Samosvítící plazma je mnohem lepší, pokud jde o nízkou úroveň kontinua a také menší rozšíření linie. To je přičítáno nižší hustotě plazmy v případě krátkých laserových pulzů v důsledku efektů rozostření, které omezují intenzitu pulsu v interakční oblasti a tím brání další multiphotonové/tunelové ionizaci plynu.

Intenzita čáry

Pro opticky tenkou plazmy sestávající z jediné, neutrální atomové druhů v místní teplotní rovnováze (LTE), hustota fotonů vyzařovaných přechodem z úrovně i na úrovni j je

kde:

  • je hustota emisní rychlosti fotonů (v m −3 sr −1 s −1 )
  • je počet neutrálních atomů v plazmě (v m −3 )
  • je pravděpodobnost přechodu mezi úrovní i a úrovní j (v s −1 )
  • je degenerace horní úrovně i (2 J +1)
  • je funkce oddílu (v s −1 )
  • je energetická hladina horní úrovně i (v eV)
  • je Boltzmannova konstanta (v eV/K)
  • je teplota (v K)
  • je profil linky takový, že
  • je vlnová délka (v nm)

Funkce rozdělení je statistický obsazovací zlomek každé úrovně atomového druhu:

LIBS pro analýzu potravin

Nedávno byl LIBS zkoumán jako rychlý, mikro-destruktivní nástroj pro analýzu potravin. Je považován za potenciální analytický nástroj pro kvalitativní a kvantitativní chemickou analýzu, takže je vhodný jako PAT (Process Analytical Technology) nebo přenosný nástroj. Mléko, pekařské výrobky, čaj, rostlinné oleje, voda, obiloviny, mouka, brambory, datle z palmy a různé druhy masa byly analyzovány pomocí LIBS. Několik studií ukázalo svůj potenciál jako nástroj pro detekci falšování pro určité potraviny. LIBS byl také hodnocen jako slibná elementární zobrazovací technika v mase.

V roce 2019 použili vědci University of York a Liverpool John Moores University LIBS ke studiu 12 evropských ústřic ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) z pozdně mezolitické lastury na ostrově Conors ( Irská republika ). Výsledky zdůraznily použitelnost LIBS k určení prehistorických praktik sezónnosti a také biologického stáří a růstu zlepšenou rychlostí a sníženými náklady, než bylo dříve dosažitelné.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy