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
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
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.