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Quantitative analysis of laser induced carbon plasma by intensity ratio calibration

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Academic year: 2021

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第 2O卷 第 7期  2008年 7月 

强  激  光  与  粒  子  束 

H IG H POW ER LASER AND PARTICLE BEAM S  Vo1.2O,No.7  Ju1.,2008  文 章 编 号 : 1001—4322(2008)07—1089—04 

强 度 比定 标 法 分 析 激 光 诱 导 击 穿 碳 谱 线 

姚顺春 ,

  陆继东 。,

  谢承利。,

  李  娉 ,

  潘圣华 ,

  李  捷。,

  刘  彦 

(1.华南 理 工大 学 电 力 学 院 ,广 州 510640;2.华 中科 技 大学 煤 燃 烧 国 家 重 点 实 验 室 ,武 汉 430074)  摘  要 :  利用 激光 诱 导 击 穿 光谱 技 术 ,使 样 品 在 大 气 常 压 环 境 下 被 击 穿 形 成 等 离 子 体 ,探 测 等 离 子 体 发  射 信 号 。选 择 混 合 样 品 所 含 的 基 体 元 素 硅 作 为 内 标 元 素 ,分 别 根据 碳谱 线 峰 值 强 度 、分 析 线 和 内标 线 峰值 强 度  比建 立 不 同 的 定 标 曲 线 。对 两 种 定 标 曲 线 的 拟合 度 、测 量 重 复 性 以 及 定 量 分 析 结 果 准 确 度 进 行 了 研 究 。研 究  结 果 表 明 :强 度 比定 标 法 在 一 定程 度 上 可 以 提 高 定 标 曲 线 的 拟 合 度 和 测 量 重 复 性 ,减 小 强 度 比定 标 法 定 量 分 析  结 果 的误 差 ,提 高测 量 准 确 度 。  关 键 词 : 激 光 诱 导 击 穿 光谱 ; 强 度 比 ; 定 标 曲线 ; 拟 合 度 ; 测 量 重 复 性 ;  准 确 度  中 图 分 类 号 : 0657.38  文 献 标 志 码 : A  激光 诱 导击 穿光 谱 (LIBS)作 为 一 种光 谱 化 学 分 析 技术 ,在过 去 的 2O多 年 中得 到 了快 速 发 展 。独 特 的多  元 素同步 实 时分 析能 力 ,简单 的样 品预处 理要 求 ,使 该技术 被 广泛应 用 于各 种对 象 的定 性 、定量 分析 [1 ]。由 于  激 光 等离 子体 特性 容 易受 到基 体效应 和 一些 难 以避 免 的客观 因素 ,如激 光强 度 脉 动 、样 品 表面 特性 等的干扰 而  影 响定 量分 析 的精 确 度 。在 定 量 分 析 过 程 中 ,可 以通 过 选 择 内 标 元 素 来 降 低 基 体 效 应 和实 验 参 数 波 动 的影  响[6。],然 而传 统 的 内标元 素选 择要求 非 常严 格 ,适用 范 围有 限 。一 般 是 加入 固定 含 量 试 样 本身 不 含 的元 素作  为 内标 ,或 选择 试样 本 身所含 的 主体元 素作 为 内标 ,要 求其 含 量 变化 非 常小 ,而且 所 选 的 内标 元 素 应 该 和分 析  元 素具有 相 近 的理化 性 质和 电离 能[8Ig]。在大 多 数不 能使 用 传统 内标 法 的 LIBS测 量 中 ,同样 存 在 各种 参数 的  随机波 动导 致样 品烧 蚀 量 的变化 ,造成 等离 子 体信 号发 射 强 度 的涨 落 。可 以选 择 样 品 中含 量相 对 稳 定 的元 素  或 者背 景信 号作 为 内标n¨ ,利用 分析 线 和 内标 线 的峰值强 度 比来 建立定 标 曲线 ,这 种 强度 比定标 法 可 以在 一  定 程度上 消 除各 种参 数 波动 的影响 ,提 高 LIBS测量 重 复性 、定 标 曲线 的拟 合 度和 测 量结果 的准确 度[143。本 文  通过 探测 激 光等 离子 体发 射 的元素 特征 谱线 ,选 用样 品 中含量 相 对稳 定 的硅 (Si)元 素作 为 内标 ,计 算 碳 (C)和  Si元 素特征 谱 线 的峰 值强度 比,建立 了定 标 曲线 ,分 析 了强度 比定 标法 对 LIBS测 量 重 复 性 、定 标 曲线 拟 合度  和测 量结 果准 确 度 的影响 。  1 实 验 和 样 品 介 绍  1.1  样 品 制 备  分 析所 用 的样 品分 为 7组 ,含 碳量 为 0.52  ~ 11  ,由化 学 纯石 墨 和分 析 纯 SiO。粉 末 按一 定 的质 量 比例  搅 拌混合 而成 ,其含 量 如表 1所示 。  表1 石墨和二氧化硅混合样品中元素的质量百分数  在进 行 LIBS测 量 时 ,粉 状样 品 放 在 一 个 内径 为  36 mm、深 度为 5 mm 的 圆柱形金 属 盒 中 ,并 用 工具 将  被测 样 品 的表面 压平 。盛 放样 品 的金属 盒 由 电机控 制  的旋 转平 台带 动 ,以一定 的速度 绕着 竖直 方 向旋 转 ,避  免连续 两 次脉 冲 打在样 品表 面 的 同一 点上 。  1.2  LIBS测 量 系 统  实 验所 用 的 LIBS测 量 系统 如 图 1所 示 ,主要 包  括 Nd:YAG 调 Q 脉 冲 激 光 器 (脉 宽 6 riS;激 光 能 量  100 mJ;波 长 532rim;实 验 采 用 手 控 单 次 触 发 )、光 纤  Table 1  Element mass fraction in mixed sample  of graphite and silica dioxide  * 收 稿 日期 :2008—01—08;  修 订 日期 :2008—06—05  基 金 项 目 :国家 自然 科 学 基 金 项 目(50576029)  作 者 简 介 :姚 顺 春 (1983一 ),男 ,浙 江 龙游 人 ,硕 士研 究 生 ,主 要 从 事 激 光 测 量 与 诊 断 技 术 在 燃 烧 领 域 的应 用 研 究 ;guangtouysc( ̄163.corn。  联 系 作 者 :陆 继 东 ,教 授 ,博 士 生 导 师 ,jdlu@ SCUt.edu.cn。  维普资讯 http://www.cqvip.com

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强  激  光  与  粒  子  束  第 20卷  光谱 仪 (2048 pix CCD,波 长范 围 l75~ 1075 nm,分 为  8通道 ,光谱 分 辨 率 0.05~ 0.1 nm)、竖 直 导 轨 、反 射  镜 、聚焦 透镜 、旋 转平 台 、计 算机 等 。  通 过 调 节 激 光 器 自 带 的 衰 减 器 ,一 束 能 量 为  70 mJ、波长 为 532 nm 的激 光 脉 冲水 平 入 射 ,由反 射  镜 反射透 过垂 直方 向上 的聚焦 透镜 (焦距 为200 mm)。  为 了避 免空气 击穿 对探 测 等离 子 体信 号 产生 影 响 ,同  时提 高等离子 体信 号 的稳 定 性 ,聚焦 点 降至 样 品表 面  以下 14 mm,光 斑 面积 约为 3 mm 。高功率 密 度 的 聚  焦脉 冲将样 品局部 烧 蚀 ,形 成 高 温 等离 子 体 。等 离 子  体发 射的信 号 光 谱 由准 直 透镜 在 侧 面 与样 品 表 面 成  Fig.1  Schematic diagram of LIBS experimental system  图 1  LIBS实 验 系 统 示 意 图  45。角处 收集 ,进 入光 纤 ,并 传输 至光谱 仪进行 分光 ,由 CCD探 测 同时转 化为数 据信 号传 人计 算 机 ,光 谱 仪 自带  软件 进行处 理 和保 存 ,通 过软件 可 以调节 延迟 时间 、积分 时 间和光 谱平 均次数 等参数 。  样品在 大气 常压环 境 下被击 穿 ,通过 调节相 关 实验  参数 ,可 以收集 到具有 较好 信噪 比 的等离 子体发 射 光谱  信 号 。本 实验确 定 的延迟 时 间为 250 ns,积分时 间 为光  谱 仪默认 最小 的 2 ms。  图 2为激 光 击 穿 7 混 合样 品 时 ,光 谱仪 第 一 通 道  内(175 ̄300 nm)收集 到 的 光谱 信 号 ,分析 谱线 的选 择  以谱线轮 廓清 晰 、干 扰小 、强 度 大为 原则 。本 文 采 用 的  混 合 样 品 所 含 Si元 素 的 质 量 含 量 相 对 稳 定 ,介 于  41.53  ~46.43  之 间 ,而 且 波 长 为 288.16 nm 的 Si  元素原 子线 和波 长为 247.86 nm 的 c元 素分 析线 比较  接近 ,所 以在探 测 到 的 等离 子 体 发射 光 谱 中 ,可 以选 择  波长为 288.16 nm 的 Si元 素原 子线作为 定量分 析 C元  素质量 含量 的 内标 线 。  240  250  260  270  280  290  wavelengtW nm  Fig.2  Emission spectrum in the first channel of  spectrom eter of 7# sample  图 2  7 样 品 在 光谱 仪 第 一 通 道 内的 光 谱 图  2 定 标 结 果 与分 析  光谱定 量分 析 中 ,试样 所含某 元素含 量 的高 低 直接 反 映在 该 元素 特征 谱线 的强 度 变 化上 。元素 含 量较 低  时 ,谱 线较 弱 、较 窄 ,共 振 线 的 自吸较小 ;元素含 量较 高 时 ,谱 线 较 强 、较 宽 ,共振 线 的 自吸 较 大 。通过 测 量元 素  特征 谱线 的强度 ,建立 定标 曲线 ,就可 以定量 分析试 样 中对应 元 素 的含 量嘲 。  最基本 的定 标 曲线 根 据 特 征谱 线 峰值 强 度 由罗 马  ,  金一赛伯 公式得 到 ,图 3为样 品碳 质 量百 分 数 和 c谱 线  峰值强度 之 间的 拟合 曲线 。由 图 3可 知 ,1 ~ 4 样 品  中碳质量 百分 数 与 C谱 线 峰 值 强 度 呈 线性 关 系 ,由于  吾  自吸收效应的存在 ,5 ~7 样 品碳质量百分数 和 c谱  i 。  线 峰值强 度 的关 系 偏 离 了 1 ~ 4 样 品 的线 性 变 化 趋  势 ,拟合 曲线 为[1  § 2  C 一   ,  +  l, <ji>+ 2, <J >  (1)  式 中 :C 为 分 析 元 素 的浓 度 ;J 为 分 析 元 素 谱 线 的 强  度 ;  a 和 a  为 系数 。  根据 式 (1)建立 的定标 曲线 如 图 4所 示 ,图 中每 个  数 据点 为重复 10次测 量 的平均 值 ,每 次测 量平 均 50个  脉冲信 号 ,误 差棒 表 示 1o次 重 复测 量 值 的相 对 标 准偏  差 ( 。。),其 所示 的两 组定 标 曲线拟合 度分 别为 0.964和 0.996。  0  600  800  l 000  l 200  l 400  1 600  1 800 2 000  intensity/a u  Fig.3  Calibration curve of m ass fraction  of carbon and peak intensity  图 3  碳 质量 百 分 数 和 碳谱 线 峰值 强 度 的 拟 合 曲线  ∞  ∞  ∞  ∞  O  O   O   O   O   8   6   4   2   :曼 ^1一 c lu—  维普资讯 http://www.cqvip.com

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第 7期  姚顺春等 :强度 比定 标法分析 激光诱导击穿碳谱 线  peak intensity/a u  004  0O8  0 12  0 16  0 2O  intensity ratio  Fig.4  Calibration curves of sam ple  图 4 样 品定 标 曲 线  LIBS测 量 信 号 典 型 的  。。在 2 9/6~ 1O  之 间 [1 。  图 5为 样 品的相 对 标 准 偏 差 ,由 图 可 见 ,C元 素 特 征 谱  线 峰值 强 度 的  sD为 2.56 9/5~ 9.87 9/6,C 和 Si元 素 特  征 谱线 峰值 强 度 比 的  SD为 2.59  ~ 3.79 9/6,均 处 于  2  ~ 1O  范 围 。 由于激光 脉 动和 样 品表 面不 均 匀性 的  影 响 ,烧 蚀形 成 的等 离 子 体发 射 信 号 会 产 生 波 动 ,直 接  导致 特 征谱线 峰 值 强度 发 生 变 化 。计 算 分 析 线 和 内标  线 的峰值 强度 比,可 以 抑 制各 种 参 数 波 动 造 成 的偏 差 ,  消 弱等 离子 体发 射信号 涨 落 的影 响 ,使 每 次测 量 的  。。  相对 稳定 。所 以 ,相 同 实 验条 件 下 ,强 度 比定 标 可 以一  定程 度上 提高 LIBS定标 曲线 拟合 度 和测 量重 复性 。  1  2  3  4  5  6  7  sample number  Relative square deviation of repeated m easurem ent  图 5 重 复 测量 相 对标 准 偏 差  根据 图 4的定标 曲线 ,忽 略单 个数 据点 对 定标 结果  的影 响 ,可 以分 别得 到 1#~7 样 品含 碳 量 的峰 值 强 度 定标 值 和 强 度 比定 标 值 。两 种 含碳 量 定标 值 与 配 比样  品 含碳 量参考 值 之间 的相 对误 差 和绝 对误 差值 如 表 2所 示 。可见 ,峰 值 强度 定标 值 的绝 对误 差 为 一 1.43 9/5~  0.80  ,相对误 差最 大 的达 到 41.19  ,最 小 的为 2.71  ,强 度 比定标 值 的绝 对误 差在 一O.28 9/5~ O.47 9/5之 间 ,  相对 误 差最 大值 为 1O.98 9/6,最 小 的 为  1.83  。对于 同一 个 样 品 ,强 度 比定 标  值 的绝对 误差 和相 对误 差都 小 于峰 值 强  度定标 值 ,这 说 明 强 度 比定 标 可 以有 效  地减 小 测 量 误 差 ,提 高 强 度 比 定 标 法  LIBS定 量分 析 的准确度 。  如 表 2所 示 ,低浓 度 段 样 品 含 碳 量  测 量值 的相 对 误 差 较 大 ,这 与 样 品配 制  过 程 中加入 的石 墨 量 较 小 、可 能 引 入 的  C元 素 空间分 布不 均匀 有 关 。可 以通 过  增加 脉 冲平 均 次数 ,消 除 样 品分 布 不 均  匀 的影 响 ,进 一步 减小 测 量误 差 。  表 2  两 种 定 标 法 定 量 分 析 C 含 量 的 误 差值  Table 2  Error of m ass fraction of carbon by two calibra tion m ethods  3  结  论  本文 通过 混合样 品 的激光 烧蚀 实 验探 测 了等 离子 体 发 射 信 号 ,分 别利 用 峰 值强 度 定标 法 和 强度 比定 标 法  定 量分 析混合 样 品 中的 C含 量 。实 验研 究发 现 ,强 度 比定 标法 可 以一 定程 度 上 消弱 等 离 子体 发 射 信 号涨 落对  定 量分 析 的影 响 ,提高 定标 曲线 的拟 合度 、分 析结果 的准 确 度 以及测 量信 号 的重 复 性 。不 过 ,由于 配 置 样 品过  程 中可 能 引入 的 c元 素 空 间分 布不 均匀 ,使 每次 测 量 击 穿 的 c元 素 不稳 定 ,导 致 定 量分 析 结 果 的相 对 误 差较  大 ,有待 进一 步 改进 。  2   O   8   6   4   2   O   /u0q品u 0 c0一哥JJ∞ 矗E  ,u0qJ对u 0 c0一哥  呐呐对E  m  8  6  4  2  O  5  维普资讯 http://www.cqvip.com

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1O92  强  激  光  与  粒  子  束  第 2O卷  参考 文献 :  [1] Diaz pace D M ,D’Angelo C A ,Bertuccelli D,et a1.Analysis of heavy metals in liquids using laser induced breakdown spectroscopy by liq一  .  uid—to—solid matrix conversion[J].S ff£rof^£m£f“Acta Part B,2006,61(8):卜5.  [2] Vieitez M 0,Hedberg J,Launila O,et a1.Elemental analysis of steel scrap metals and minerals by laser-induced breakdown spectroscopy  [J].Spectrochimica Acta Part B,2005,60(7-8):920—925.  [3] Noda M ,Deguchi Y,1wasaki S,et a1.Detection of carbon content in a high—temperature and high—pressure environment using laser—induced  breakdown spectroscopy[J].Spectrochimica Acta Part B,2002,57(4):701 — 709.  [4] 谢 承利 ,陆 继 东 ,李 捷 ,等 .基 于 激 光 感生 击 穿光 谱 的燃 煤 结 渣特 性 评 估 [J].中 国 电机 工 程 学 报 ,2007,27(23):24—27.(Xie C L,Lu J D,L』  J,et a1.Study on real—time evaluation of slagging propensities of coals based on laser—induced breakdown spectroscopy.Proceedings of the  CSEE,2007,27(23):24—27)  [5] 吴 金 泉 ,林 兆 祥 ,宋 述燕 ,等 .激 光 大 气 等 离 子体 的空 问 分 布 特性 [J].强 激 光 与 粒 子束 ,2007,19(5):759—762.(Wu J Q,Lin z X,Song S Y,  et a1.Spatial distributions of lasePinduced air plasm as.H igh Po  r Laser and Particle Beams,2007,19(5):759—762)  [6] Barbini R,Colao F,Fantoni R,et a1.Semi—quantitative time resolved LIBS measurements[J].Appl Phys B,1997,65(1):101—107.  [7] Bassiotis 1,Diamantopoulou A,Giannoudakos A,et a1.Effects of experimental parameters in quantitative analysis of steel alloy by laser—in—  duced breakdown spectroscopy[J].SpectrochimicaActa Part B,2001,56(6):671—683.  [8] 李 廷 钧 .发 射 光谱 分 析 [M].北 京 :原 子 能 出 版 社 ,1983.(Li T J.Emission spectrometry analysis.Beijing:Atomic Energy Press,1983)  [9] 辛 仁轩 .等 离 子 体发 射 光谱 分 析 [M].北 京 :化 学 工业 出版 社 ,2005.(Xin R X.Plasma emission spectrographic analysis.Beijing:Chemical In—  dustry Press,2005)  [1O]  Body D,Chadwick B L.Optimization of the spectral data processing in a LIBS simultaneous elemental analysis system[J].S P以r0  m cn  Aeta Part B ,2001,56(6):725-736.  [11] Yoon Y,Kim T,Yang M ,et a1.Quantitative analysis of pottery glaze by laser induced breakdown spectroscopy[J].Microchemical Jour—  nal,2001,68(2):251—256.  [12] Vrenegor J,Noll R,Sturm V.Investigation of matrix effects in laser—induced breakdown spectroscopy plasmas of high—alloy steel for matrix  and minor elements[J].SpectrochimicaActa Part B,2005,60(7-8):1083—1091.  [13] Cremers D A,Ebinger M H,Breshears D D,et a1.Measuring total soil carbon with laser—induced breakdown spectroscopy(LIBS)[J].J  Environ Qual,2001,30(6):2202—2206.  [14]  St—Onge L,Kwong E,Sabsabi M ,et a1.Quantitative analysis of pharmaceutical products by laser—induced breakdown spectroscopy[J].  SpectrochimicaActa Part B ,2002,57(7):1131—1140.  [15] Pasquini C,Covtez J,Silva L M C,et a1.Laser induced breakdown spectrosc。py[J].J Braz Chem Soc,2007,18(3):463—512. 

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by intensity ratio calibration  YAO Shun-chun 。 LU J i—dong  。 XIE Cheng—li。, LI Ping 。 PAN Sheng—hua , LI J ie。。 LIU Yan  (1.Power Electric College,South China University of Technology,Guangzhou 5 10640,China;  2.State Key Laboratory of Coal Combustion.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074・China)  Abstract:  Sam ples were excited by pulse laser and plasma was formed at atmospheric pressure. The technique of laser in—  duced breakdown spectroscopy(LIBS)was applied to analyzing the carbon content in the samples.The matrix element Si was se—  lected as internal standard,calibration curves were drawn respectively using the peak intensity of carbon line and the intensity rati—  o of carbon line and silica line.T he fitting degree of two different calibration curves,signal reproducibility and the accuracy of cal—  ibrated values were analyzed. T he results of the analysis show that the intensity ratio m ethod seem s m ore adequate than the peak  intensity m ethod for establishing the calibration cures.  Key words: Laser induced breakdown spectroscopy; Intensity ratio; Calibration curve;  Fitting degree;  Signal repro—  ducibility;  A ccuracy  维普资讯 http://www.cqvip.com

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