Физические основы лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии

Лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС, в англ. LIBS) является мощным аналитическим методом, который может быть использован для определения элементного состава материалов. В ЛИЭС сфокусированный лазерный пучок используется для генерации плазменного факела на поверхность твердых и жидких образцов или внутри объема пробы газов, жидкостей и аэрозолей. Каждый возбужденный атом в плазме излучает уникальный набор спектральных линий, особенно в оптической области спектра. Таким образом, это оптическое излучение может быть собрано и проанализировано, чтобы определить химический состав образца. Плазма ЛИЭС может генерироваться с помощью одного лазерного импульса или используя повторяющие лазерные импульсы. Есть возможность бесконтактного взаимодействия, так как для инициации процесса нужно лишь взаимодействие фотона с образцом. Поскольку лазерное излучение может распространяться в любой прозрачной атмосфере независимо от ее давления, ЛИЭС можно использовать в качестве лидара для дистанционного анализа опасных, радиоактивных и взрывчатых веществ. ЛИЭС имеет явное преимущество перед многими другими методами, поскольку требуется небольшая или нулевая подготовка перед анализом, и это может быть использовано для быстрого в реальном времени анализа в полевых условиях. Количественные аналитические результаты могут быть получены при помощи ЛИЭС с использованием обычной (одноэлементной) или многомерной калибровки. Это действительно универсальный метод, где любой тип образца может дать ЛИЭС спектр. С практической точки зрения ЛИЭС является очень простой спектроскопической техникой. Мощный лазерный пучок (длительностью 10 нс инфракрасного излучения 1.06 мкм) фокусируется через линзу, для создания плазмы. Испускаемое излучение собирается через оптоволоконный кабель и направляется в спектрометр  (рисунок 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема типовой лабораторной установки ЛИЭС

Весь процесс условно можно разделить на три пункта:

Во-первых, это образование плазмы на поверхности неизвестного материала. Для образования плазмы необходимы мощные лазеры с плотностью мощности порядка 10^10 Вт/см^2, однако это значение варьируется в зависимости от материала, который следует определить. Можно сказать, что для газов требуется меньше мощности, по сравнению с твердыми или жидкими объектами. Для наглядности ниже приведена таблица, в которой указаны мощности, требуемые для различных материалов, источником излучения служат лазеры на основе рубина и неодима.

Рисунок 2. Требуемые мощности лазерного излучения для различных типов материалов

Во-вторых, следует возбуждение спектра. Для этого как отмечалось ранее необходимо и достаточно одного лазерного импульса, длительность которого составляет примерно 10 нс. Происходит образование плазмы из-за высокой температуры фокуса луча. Время жизни плазмы после лазерного импульса составляет около 1 мкс и за это время атомы определяемого вещества излучают свет определенной длины волны, характерные для конкретного элемента. Диапазон длин волн находится в пределах от 200 до 980 нм. Стоит отметить, что если использовать импульсы фемтосекундные, а именно менее 1000 фс, то это в значительной степени упрощает процесс мгновенного испарения и ионизации вещества без влияния теплопередачи по объему образца, а также полученные спектры являются более «чистыми», то есть не зависят от окружающего газа.  
В-третьих, особенно интересный пункт, это регистрация сигнала, испускаемая атомами. Обычно проводником сигнала в спектрометр служит оптоволокно. Спектрометры, используемые в ЛИЭС, могут быть очень разнообразными, о каждом из них будет рассказано ниже. В спектрометре анализируется спектр излучения, полученный по оптоволокну. При помощи программного обеспечения  визуально можно наблюдать результаты измерений. Программное обеспечение служит источником базы данных всех возможных спектров атомов, ионов или молекул. Важно отметить, что все приводимые операции выполняются при достаточно малом количестве действий со стороны пользователя, в лучших установках это может быть нажатие одной лишь кнопки. 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке лабораторного и научного оборудования на территории РФ