第 28卷 第 5期
2008年 1O月
应
用
激
光
APPLIED LAsER Vo1.28,No.5 O ctober 2OO8云 台 山地 质 的激光 诱 导击 穿 光谱 研究 *
刘林 美 ,
林 兆祥 ,
李捷 ,
张文 艳
(
中南 民族 大学 激 光 光谱 支 验 室 .湖 北 武 汉 43007,
1;
华 中 科 技 大学 煤 燃 烧 国家 重 点 实 验 室 ,湖 北 武 汉 430074)
提 要
利 用 高 能 量 Nd:
YAG 脉 冲 激光 器 1
06
4n
m 光 束 聚 焦 待 测 样 品 表面 产 生 等 离 子体 ,
并 用光 谱 仪 和 I
CCD来 探 测 其 光 谱 信
号 。采 用 激 光 击 穿 光谱 (MBS)技 术 对 云 台 山 的泉 水 、
岩 石 和 土 壤进 行 了定 性 研 究 。对 比分 析 泉 水 和 纯 净 水 的光 谱 图 ,得 出 泉
水 中 含有 ca和 Mg元 素 。通 过 比较茱 萸峰 岩 石 和 潭 瀑 峡 岩石 的实 验 结 果 ,
可 知 两 种 岩石 的成 分 存 在 较 大差 异 ,
潭 瀑 峡 岩 石 所
含成 分 相 对 较 多 。 同时 还 对 云 台 山茱 萸 峰 土 壤 和 中南 民 族 大 学 附 近 的 土 壤 进 行 了 对 比分 析 ,发 现 中南 民 族 大 学 电 信学 院 附
近 的 土壤 中含 有 Zn、Cu、Hg,
而 在 茱 萸 峰 的 土壤 中发 现 一 种植 物 生 长 必 需 的 微 量矿 质 元 素 Ni
。
关 键 词 激 光 诱 导 击 穿 光谱 ;
定性 分 析 ;
地 质
Analysis of the Yuntaishan Geology by Laser-induced Breakdown Spectroscopy I iu Linmei . Lin Zhaoxiang , 1.i Jie , Zhang W enyan(
Labor
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ch,Sout
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es,Wuhan,Hubei
430074,Chi
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f Sci
enc
e
and Te
chnol
ogy,
Wuhan.Hub
ei
430074,
Chi
na)
Abstract The plasm a w as generated by focusing a pulsed N d:YA G laser at 1064nm on the surface of sample and detected by an echelle spectrograph and an intensified charge coupled device(ICCD). T he qualitative analysis of the spring rock and soil were perform ed using laser induced breakdown spectroscopy(LIBS). T he Ca and M g elem ents w ere found to be in spring com paring the spectra of spring and purified water. M easured the spectra of Zhuyufeng rock and Tanpuxia rock indicated a significant difference between the concentrations of tWO rocks.There were more compositions in Tanpuxia rock than that of Zhuyufeng rock. Furthermore, the experim ents of Zhuyufeng soil and the soil near the Southern Central U niversity for Nationalities (SCU EC )w ere carried on. The result dem onstrated that Ni elem ent that is needfull tO plant was included in Zhuym cng soil, and Zn、Cu and H g were found in the soil near SCU EC 。 Key words Laser—induced breakdow n spectroscopy; qualitative analysis; geology
l
引 言
云 台山世界地 质公园 位于河南 省焦作 市修武 县
境 内 ,
区 内地 质作 用 复杂 多 样 ,
地 质 遗 迹 丰 富多彩 。
公 园地 区经 历 了 25亿 年 以上的 漫长地质 演化历 史 ,
不 同阶段特 色鲜 明 的地质 发 展 演化 .
形 成 了基 底 与
盖 层 ,
特 别 是 巨 厚 的 潮 坪 — — 浅 海 相 、
碳 酸 盐 台地 相
陆 源 碎 屑 — — 碳 酸 盐 岩 沉 积 地 层 ,
奠 定 造 就 了 云 台
山地 质地貌 景观 的物质基 础 。如 典型 的沉积地层 剖
面及沉积遗 迹 、
古 生物景 观及化 石产地 、地质地貌 景
观 、
水体景 观和地 质灾害 遗迹景 观等 ,
构 成 了云台 山
地质公 同的宝贵 资源“ 。
激 光 诱 导 击 穿 光 谱 (La
s
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—
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nduc
e
d Br
e
akdown
Spe
c
t
r
os
c
opy,
简称 I
3BS)由于 具有 高灵 敏度 、可同时
测量多种元素等特点 ,
越来越广泛地应 用于各个领域
中口
j
。一束 高能量 脉 冲激光 经透 镜 之后 聚 焦在样
品的表面 ,
作用 点处的样品吸收激光 能量被击穿形 成
等离子体并发生 能级跃 迁 ,
在 等离 子体 冷却 阶段 ,等
离子体 由高能级 向低能级跃迁 ,
发射 出能代表 元素特
性的原子 (
离子 )
谱线 ,以进行定性乃至定量分析 。
Br
ec
h和 Cr
os
s
c
在 1962年 首 次 报 道 I
I
BS技
术并 将其 实 现 。在 随 后 的 三 十年 中 ,随着 LI
BS技
术在 气体 、
固体。
。
。
]、液体[
8
一中测 量分 析所 含元素 的
不断深 入研究 ,
LI
BS作 为一项 分析技 术不 仅在实 验
室 ,
同时在 工业领 域 也 引起研 究 人 员 的兴 趣 并获 得
基金 项 目 :国家 自然 科 学 基 金项 目(项 目编号 :50646037),湖北 省教 学 科 研 项 目(项 目编 号 :
20060198)
一通 讯作 者 :林 兆 祥 ,副 教 授 .
电 话 027~67843003,E—
mai
l
:
l
i
n—zhaox@ scuec.edu.c
n
收 稿 Et
期 :
2008—
06—
03
— 386 ~ -
广 泛 的 应 用 。本 文 主 要 采 用 LI
BS方 法 对 云 台 山 的
泉水 、
岩 石 、土壤 进 行 定 性 研 究 ,为将 I
I
BS方 法 引
入地 质结 构研究 提供 实验 依据 。
2
实 验 简 介
激 光 诱 导 击 穿 光 谱 实 验 装 置 如 图 1所 示 ,
包 括
激光器 、
光谱 仪 、
I
CCD(
增 强 型 电荷耦 合 器件 ,
I
nt
en—
s
i
f
ted
Char
ge
Coupl
ed Devi
c
e,简 称 I
CCD)、DG535
数 字脉 冲信 号发 生器 、衰减 片 、
反 射镜 、
聚焦 透镜 、
样
品池 、
旋 转平 台、收光器 、
光纤 、
计 算机 等 。激发光 源
为 Nd:
YAG脉 冲激 光 器 ,工作 波长 为 1064
nm,脉
宽 为 10
ns,
工 作频 率 0.625
Hz。激 光 光 束 先 经 过
衰 减 片 衰 减 为 1
40
mJ,再 由反 射 镜 反 射 后 经 透 镜
(焦距 195mm)聚焦 在样 品上 ,
样 品聚 焦点 处 功率 密
度 约 10
W/cm。
量 级 。激光 与 样 品作 用 后产 生 等 离
子 体 ,
其 发射 光谱信 号经 收光 器收 集后 ,由光 纤传 导
进 人 中阶梯光 栅光谱 仪 。光谱 仪 的光 谱 范 围 为 200
—
900
nm,
分 辨率 X/AX=4000。光 谱仪 的 出 口安装
I
CCD探 测 器 ,其 光 谱 范 围 1
85— 850
nm,1024×
1024像 素 。实验 前 先 利 用 标 准 汞 灯 的发 射 谱 线 对
光谱 仪进行 波 长定标 ,然 后 采用 氘 灯 和 卤素灯 对 其
进行 光 强 定 标 。 I
CCD 的 参 数 设 置 为 曝 光 时 间
0.05
S、增益 50(范 围 0~255)。其 中 岩石 与 泉水 的
延 时 时间为 1.0
s,
土壤 的延 时 时间为 2.0 S。I
C—
CD 出 口信 号 由数 据 线 传 输 到 计 算 机 中记 录 存 储 ,
然 后利 用软 件进 行 处 理 分析 。需 要 指 出 的是 ,
实 验
中 固体样 品 放置在 样 品池 中 ,
再 把 样 品池 放 在 旋 转
台上 ,而液体 样 品则 放置 在专 用 的液体 样 品池 中 。
图 1
LI
BS实 验 装 置 图
实验 所用 的样 品如 下 (1)云 台山潭 瀑峡 泉水 、
蒸
馏水 ;(
2)云 台山潭 瀑 峡 的 岩石 、云 台 山茱 萸 峰 顶 的
岩石 ;(
3)云 台山茱 萸 峰 顶 的 土壤 、中南 民族 大 学 电
信学 院附 近 的土壤 。
其 中 由于 土壤 是 粉 状样 品 ,
实 验 之前 进 行 了简
单 处理 。取样 品若 干 ,
先用烤 箱烘 干 ,
然后 用压片 机
压 片 。 压 片 时 使 用 压 力 为 1
0 吨 ,压 片 时 间 为 5
mi
n,
每 片 约 为 1.5
g,
样 品 厚 度 2
mm,
直 径 13
mm 。
而 泉水 与岩石 不需 要预 处理 。
3 实 验 结 果 及 分 析
3.1 泉 水 的 LI
BS研 究
图 2(
a)和 图 2(
b)所 示 的 分 别 是 采 用 LI
BS方 法
对 云 台山不 老泉 的泉 水和 纯净 的蒸 馏 水进 行实 验得
出的光谱 图。通过 图 2(a
)的光谱 图定性分析 ,
并查原
子 光谱标准 与技 术数据库 ],
可 知光谱 图 中各 峰值对
应 的 元 素 分 别 为 Mg(279.55nm)、Ca(
393.36nm、
396.85nm)、H (656.27nm )、N (742.36nm 、744.23nm 、
746.83r
im )、
0 (777.19nm 、777.42nm、777.54nm、821.7nm 、
844.63nm)。为 了更好 地 得 出云 台 山不 老 泉 泉水 中
所 含的矿质元 素 ,
在 相 同 的设 置 情况 下 ,
利用 蒸 馏水
做 了一 组对 比实验 ,
其 结果 如 图 2(b)所 示 。通 过 比
较 图 2(
a)和 图 2(b)可 以 看 出 ,Mg 279.55nm 和
Ca
393.36nm均是 泉水 的谱 线 ,
这 同时 也说 明了 泉水
中含有 Mg元 素和 Ca元素 。其 中 N元素 主要 是因为
在大气环 境下做实验 空气 的击穿所 得到 的谱线 。
8 0000 60000 40000 20O00 -20000 2O0 300 400 500 600 700 800 900 wavelength(nm) 200 300 400 5O0 6O0 700 800 900 wavelength(nm)
图 2
LI
 ̄x
S光 谱 图
一 387 0 D 0 0 0 0 0咖
咖
咖
咖
0 8 6 4 2 2 ∞ [ ]ou
3.2 岩 石 的 LI
BS研 究
以云台 山茱萸峰 山顶海拔 13
08米处 的岩石为对
象 ,
采用 UBS方 法进 行 测量 。
分 析岩 石 中的元 素 成
分 。同样通过查标准原 子谱 线库 ,
得到各峰值 谱线所
对应的元素分别 为 Fe、
Mg、
Ca,
具体 如 图 3所示 。 由
冈可知 ,
所得到 的谱线 比较少 ,也就 是说 这里 岩石 成
分 比较 单 一 。
1 80000 1 80000 1 40000 1 20000 1 000O0 凹 80000 u 60000 4 0000 20000 0 .20000 Ca(31 7 84 nrn) C a(31 0 08nm C a聘 8: 9(279 55nm CaO 70 7nm)
8
(
2
8
0
2
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)
。
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m
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{
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59 93nm )
0
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... . 一 .
I
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. . . . “ ~ a(396 82 nm) 24o 26o 280 30o 020 34o wavelength/nm
图 3
I
I
BS测 量茱 萸 峰 岩 百 的光谱 图
为了更好地研究 云台山的地质成分 ,
还对采集 的
潭 瀑 峡 岩 石 进 行 实 验 。 在 相 同 的 实 验 条 件 下 进 行 实
验 ,
并对其 光谱 图进 行定 性分 析 。
得 到 了其元 素和 对
应的谱线 见表 1所示 。通过 比较可 以看出 ,
云 台山潭
瀑峡岩石中所 含的元素 比较丰富 ,
这与茱 萸峰岩石 存
在较 大的区别 。
表 l 云 台 山潭 瀑峡 岩 石 的 Ll
BS定性 分 析元 素 谱线 表
3883.3 采 用 LI
BS对 土 壤 的研 究
以茱萸 峰 的土 壤为样 品 ,
研 究其 中所 含 的元 素 ,
采用 LI
BS方 法进行 测量 ,
得 到土壤 的全谱 图如 图 4
所 示 。
1 6O0000 {4O0000 1 200000 1 00 O000 善 800000 u 600000 400800 20O000 —200000 2 O0 300 400 5O0 6O0 700 800 ge0 wavelength/nm
图 4
I
JBS测 量 茱 萸 峰 土壤 的光 谱 图
其 中强度 最大 的那 条谱 线 为 Mg(279.55nm),
强度大 也就说 明 了 该土 壤 中 Mg的 含量 比较 高 ,而
由于 Fe原 子 含 有 多 个 跃 迁 能级 ,
可 产 生 多种 频 率
的辐射光 子 ,
所 以 Fe的谱 线 比较 丰富 。为 了更 好
地 得到该 土壤 中含有 的其他 元 素 ,
通 过查 标 准原 子
谱 线库 ,
得到各 峰值谱线 所对应 的元 素如表 2所示 。
表 2 云 台 山茱 萸 峰 土 壤 的 LIBS定 性 分 析 元 素 谱 线 表
元 素
波 长 (r
im)
248.31 249.89 250.35 253.89 254.18 254.49 256.24 256.68 257.42 257.78 258.24 259.14 Fe 259.82 260.69 262.16 262.55 266.66 271.17 271.42 273.07 274.66 275.56 278.36 358.12 373.49 374.93 382.03 406.35 439.49 440.45 279.55 280.26 285.21 292.87 293.66 338.76 M g 5l7.29 518.36 315.91 317.96 370.62 373.71 393.33 396.81 422.66 428.94 430.24 430.78 445.43 457.18 Ca 558.9 612.26 616.24 643.91 646.25 714.84 720.24 245.88 251.92 262.81 263.11 308.22 324.1 8 AI 361.86 394.34 396.16 454.97 634.63 Si 250.7 251.44 2j1.6】 252.41 252。86 390.55 257.61 273.68 283.55 298.47 305 322.92 Cr 323.43 351.09 356.53 360.88 381.57 Cd 267.69 325.28 326.16 441.49 268.46 304.74 306.62 323.64 323.89 324.85 M n 327.86 328.75 333.5 344.05 357.02