Laserindusert nedbrytningsspektroskopi - Laser-induced breakdown spectroscopy

Skjematisk over et LIBS -system - Hilsen av US Army Research Laboratory

Laserindusert nedbrytningsspektroskopi ( LIBS ) er en type atomemissionsspektroskopi som bruker en svært energisk laserpuls som eksitasjonskilde. Laseren er fokusert på å danne et plasma, som forstøver og eksiterer prøver. Plasmadannelsen begynner først når den fokuserte laseren oppnår en viss terskel for optisk sammenbrudd, som vanligvis avhenger av miljøet og målmaterialet.

Utviklingen på 2000 -tallet

Fra 2000 til 2010 undersøkte US Army Research Laboratory (ARL) potensielle utvidelser av LIBS -teknologi, som fokuserte på deteksjon av farlig materiale. Søknader som ble undersøkt ved ARL inkluderte avvisning av eksplosive rester og andre farlige materialer, diskriminering av plastminer og materialkarakterisering av forskjellige metallegeringer og polymerer. Resultater presentert av ARL antyder at LIBS kan være i stand til å skille mellom energiske og ikke-energiske materialer.

Forskning

I 2000 ble bredbånds høyoppløselige spektrometre utviklet og kommersialisert i 2003. Spektrometeret var designet for materialanalyse og tillot LIBS-systemet å være følsomt for kjemiske elementer i lav konsentrasjon.

ARL LIBS -applikasjoner som ble undersøkt fra 2000 til 2010 inkluderte:

  • Testet for påvisning av Halon alternative midler
  • Testet et felt-bærbart LIBS-system for påvisning av bly i jord og maling
  • Studerte spektralutslipp av aluminium og aluminiumoksider fra bulkaluminium i forskjellige badgasser
  • Utførte kinetisk modellering av LIBS -plumes
  • Demonstrert påvisning og diskriminering av geologiske materialer, plastminer, sprengstoff og kjemiske og biologiske krigføringsagenter.

ARL LIBS -prototyper som ble studert i denne perioden, inkluderte:

  • Oppsett av laboratorium LIBS
  • Kommersielt LIBS -system
  • Menneskelig bærbar LIBS-enhet
  • Standoff LIBS -system utviklet for 100+ m deteksjon og diskriminering av eksplosive rester.

2010 -tallets utvikling

LIBS er en av flere analytiske teknikker som kan distribueres i feltet i motsetning til rene laboratorieteknikker, f.eks. Gnist OES . Fra og med 2015 fokuserer nyere forskning på LIBS på kompakte og (mann) bærbare systemer. Noen industrielle applikasjoner av LIBS inkluderer deteksjon av materialblandinger, analyse av inneslutninger i stål, analyse av slagg i sekundærmetallurgi, analyse av forbrenningsprosesser og høyhastighetsidentifikasjon av skrapstykker for materialspesifikke resirkuleringsoppgaver. Bevæpnet med dataanalyseteknikker, utvides denne teknikken til farmasøytiske prøver.

LIBS ved bruk av korte laserpulser

Etter multiphoton eller tunnelionisering blir elektronen akselerert av invers Bremsstrahlung og kan kollidere med molekylene i nærheten og generere nye elektroner gjennom kollisjoner. Hvis pulsvarigheten er lang, kan de nyioniserte elektronene akselereres og til slutt følger skred- eller kaskadeionisering. Når tettheten til elektronene når en kritisk verdi, oppstår det sammenbrudd og plasma med høy tetthet dannes som ikke har noe minne om laserpulsen. Så, kriteriet for korthet av en puls i tette medier er som følger: En puls som interagerer med et tett stoff anses å være kort hvis terskelen for skredioniseringen ikke oppnås under interaksjonen. Ved første øyekast kan denne definisjonen synes å være for begrensende. Heldigvis, på grunn av den delikat balanserte oppførselen til pulsen i tette medier, kan terskelen ikke nås lett. Fenomenet som er ansvarlig for balansen er intensiteten som spenner seg gjennom starten på filamenteringsprosessen under forplantning av sterke laserpulser i tette medier.

En potensielt viktig utvikling for LIBS innebærer bruk av en kort laserpuls som en spektroskopisk kilde. I denne metoden opprettes en plasmakolonne som et resultat av fokusering av ultraraske laserpulser i en gass. Det selvlysende plasmaet er langt bedre når det gjelder lavt nivå av kontinuum og også mindre linjebredde. Dette tilskrives den lavere tettheten av plasmaet ved korte laserpulser på grunn av de defokuserende effektene som begrenser intensiteten til pulsen i interaksjonsområdet og dermed forhindrer ytterligere multiphoton/tunnelionisering av gassen.

Linjeintensitet

For en optisk tynn plasma består av en enkelt, nøytrale atomarter i lokal termisk likevekt (LTE), tettheten av fotoner som sendes ut av en overgang fra nivå i til nivå j er

hvor :

  • er utslippshastigheten for fotoner (i m −3 sr −1 s −1 )
  • er antallet nøytrale atomer i plasma (i m −3 )
  • er overgangssannsynligheten mellom nivå i og nivå j (i s −1 )
  • er degenerasjonen av det øvre nivået i (2 J +1)
  • er partisjonsfunksjonen (i s −1 )
  • er energinivået til det øvre nivået i (i eV)
  • er Boltzmann -konstanten (i eV/K)
  • er temperaturen (i K)
  • er linjeprofilen slik at
  • er bølgelengden (i nm)

Delingsfunksjonen er den statistiske okkupasjonsfraksjonen av hvert nivå av atomarten:

LIBS for matanalyse

Nylig har LIBS blitt undersøkt som et raskt, mikro-destruktivt verktøy for matanalyse. Det regnes som et potensielt analytisk verktøy for kvalitativ og kvantitativ kjemisk analyse, noe som gjør det egnet som et PAT (Process Analytical Technology) eller bærbart verktøy. Melk, bakervarer, te, vegetabilske oljer, vann, frokostblandinger, mel, poteter, palmedato og forskjellige kjøtttyper er blitt analysert ved bruk av LIBS. Få studier har vist potensialet som et verktøy for påvisning av forfalskning for visse matvarer. LIBS har også blitt evaluert som en lovende elementær avbildningsteknikk i kjøtt.

I 2019 brukte forskere ved University of York og ved Liverpool John Moores University LIBS for å studere 12 europeiske østers ( Ostrea edulis , Linnaeus , 1758) fra Late Mesolithic shell -midten på Conors Island ( Irland ). Resultatene fremhevet anvendbarheten til LIBS for å bestemme prehistorisk sesongpraksis samt biologisk alder og vekst med en forbedret hastighet og reduserte kostnader enn det som tidligere var oppnåelig.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker