Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия с Avantes

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) – один из типов атомно-эмиссионного спектрального анализа. Методом ЛИЭС изучаются спектры плазмы лазерного пробоя (лазерной искры) в анализе твердотельных образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей. В литературе можно встретить аббревиатуры LIBS и LIPS (от Laser-Induced Breakdown Spectroscopy или Laser-Induced Plasma Spectroscopy).

Возникновение лазерного пробоя

При высоких плотностях мощности лазерного излучения в среде (при нормальных условиях порядка 10¹⁰ Вт/см²) возникает явление оптического пробоя. При этом в полости пробоя возникает плазма, индуцированная излучением лазера. ЛИЭС относится к категории неразрушающих методов спектрального анализа и являются одним из приоритетных направлений научно-исследовательской работы предприятия Avantes.

Статья обозревает основные приложения, в которых использовано оборудование Avantes. Помимо стандартных устройств, компания занимается разработкой индивидуальных проектов. Подробнее о производителе…

Природа плазмы лазерной искры

В лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии используется короткоимпульсное лазерное излучение, чаще всего от Nd:YAG лазера с длиной волны 1064 нм. Короткий лазерный импульс вызывает пробой химической связи на поверхностном слое образца. Продуктом пробоя является пар, частицы аэрозоля и высокотемпературная микроплазма.

Плазмой называют ионизированный газ, возникающий вследствие лазерной абляции – испарения частиц вещества с поверхности под действием лазерного излучения. Температура плазмы достигает 15000 К, однако в течение короткого времени плазма охлаждается и излучает электромагнитную волну. Спектр этой волны сравнивается со спектром химического элемента* из периодической таблицы, и по степени схожести анализируются качественные и количественные характеристики вещества.

*Установлено, что каждый химический элемент при определенном воздействии излучает уникальный спектр в диапазоне 200-900 нм.

Излучение плазмы собирается в оптоволокне и переносится в спектрометр. Спектрометр преобразует и переносит данные о спектре на компьютер, где производится обработка и анализ данных. Основную сложность в лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии представляет многомерный анализ спектров. Необходимо учитывать, что теоретически рассчитанные спектры также не лишены допусков. Во избежание больших погрешностей для каждого образца рассчитывается собственная калибровочная кривая для определения компонентов соединения.

Калибровочную кривую можно рассчитать не для любого вещества, а лишь для известного соединения. Для анализа неизвестных соединений разработаны методы быстрой выборки и различные математические модели, имитирующие вероятностные оптимумы.

Возбуждение излучения плазмы оптического пробоя в лазерно-эмиссионной спектроскопии происходит от одиночного импульса, либо от пары импульсов. Последнее применяется чаще при анализе жидкостных образцов. При двухимпульсном возбуждении сначала формируется плазма, охлаждающаяся в течение минуты, а второй импульс необходим для усиления интенсивности излучения.

Преимущества лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии

ЛИЭС – универсальный метод спектрального анализа, так как может применяться для исследования любых материалов: жидкостей, твердотельных образцов, газов. Для ЛИЭС не требуется предварительной подготовки образцов. Спектры извлекаются практически мгновенно, благодаря чему этот метод подходит для обнаружения таких сложных элементов, как гелий, литий, бериллий, азот и кислород.

Разрешение ЛИЭС составляет порядка 10 мкм. Размер анализируемой поверхности образца может составлять от 10 мкм до 100 мкм. Для анализа твердых материалов к существенному преимуществу можно отнести малое количество вещества, необходимого для анализа за один лазерный импульс, так как при средней энергетике лазерного излучения с поверхности испаряются микрограммы вещества.

ЛИЭС в естественных науках

Исследовательская группа института лазерных инструментов и технологий БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова поставила ряд экспериментов по анализу твердотельных образцов методом ЛИЭС. В качестве источника импульсного света был выбран Nd:YAG лазер с модуляцией добротности и диодной накачкой, излучающий лазерный пучок с энергией 20-100 мДж, частотой 30 Гц, длительностью импульса до 10 нс.

Спектрометр AvaSpec-ULS2048, выбранный для работы по исследованию твердотельных образцов методом ЛИЭС, создан в симметричной конфигурации Черни-Тернера и оснащен линейной ПЗС-матрицей высокого разрешения на 2048 пикселей. Примечательно, что AvaSpec-ULS2048 доступен и в мультиканальной версии: преимущество этой модели в том, что каждый канал матрицы измеряет короткую область спектра (ширина 100 нм) с высоким разрешением. Кроме ЛИЭС, спектрометр часто приобретается для дистанционного контроля окружающей среды – в геологии и экологии. Качеству продукции Avantes доверяют исследовательские группы со всего мира.

Дистанционный анализ почвы, осадков, минеральных и горных пород

Минеральные породы – основа многих природных возвышенностей, а также почвы. Сегодня известно около 4000 различных минералов. Химическое строение минеральных пород представляет большой интерес в науке, а основным инструментом исследований является спектроскопия.

Поскольку ЛИЭС не требует предварительной подготовки образцов (минералы – одна из самых сложных пород, в минералогии считаются неделимыми), удобно применять этот метод для спектрального анализа минеральных соединений. Так были исследованы сталагмиты пещеры Нерхи (Малага, Испания). Эксперимент позволил обнаружить в составе образцов частицы марганца, магния, стронция, кальция, железа.

Спектроскопия океанских глубин

Короткий лазерный импульс обладает достаточно большой энергией для проникновения на большие океанские глубины. Вода сильно поглощает проходящее излучение, что является причиной низкой интенсивности спектров. Плазма, возникающая при мгновенном нагреве, быстро угасает при первом излучении. Поэтому при спектральном анализе жидкости чаще применяется двухимпульсная спектроскопия.

Исследователи глубин мирового океана сталкиваются со множеством преград. Спектроскопические параметры – интенсивность, энергия, на глубине меняются из-за высокого давления слоев жидкости. Благодаря методу ЛИЭС удалось разработать системы спектрального анализа, чувствительные на 3000 м ниже уровня моря. Испытания проводились на высоте 1000 м.

Мониторинг экологического состояния окружающей среды

Экспертиза окружающей среды и мониторинг климатической ситуации – это особенно востребованные области научных исследований. Системы спектроскопии лазерной искровой спектроскопии развернуты для непрерывного поточного мониторинга отходов промышленных предприятий. Отмечается удобство использования таких систем в труднодоступных местах.

ЛИЭС применяется также в изучении полярного и альпийского ледникового льда. Ледники формировались на протяжении тысячи лет, захватывая воздух и впитывая частицы окружающей среды, а потому являются интереснейшим объектом для изучения. Лазерная спектроскопия пробоя для изучения состава образцов ледяного керна способствует пониманию роли углекислого газа в атмосфере земли.

Космический мониторинг

Спектроскопия лазерного пробоя широко применяется в дистанционном исследовании атмосферы внеземных тел, а именно метеоритов. Ожидается, что системы лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии будут использованы в будущих полетах на Марс.

Полупроводники

Металлы и металлические сплавы используются для переноса электрических сигналов в полупроводниках. Для изготовления этих сложных устройств необходимы тонкопленочные покрытия и подложки, наносимые на пластину. Пленки толщиной около нескольких сотен нанометров наносятся на кремниевую пластину с термоциклированием. Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия используется для определения характеристик и контроля качества полупроводниковых пластин и покрытий.

Геммология

Как метод неразрушающего контроля, ЛИЭС может использоваться для определения характеристик драгоценных камней. Лазерная микроабляция материалов происходит таким образом, что размер пятна измерения составляет не более 50 мам в диаметре.

ЛИЭС идеально подходит для условий горнодобывающей и металлургической промышленности. Потенциал высокоскоростного отбора проб без подготовки образцов позволяет проводить анализ руд и металлических сплавов прямо в процессе добычи и переработки. Электронная платформа Avantes EVO обеспечивает высокоскоростную связь USB3 или гигабитную сеть Ethernet с системой управления и уже используется в таких приложениях.

Будущее ЛИЭС

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия, как и многие другие методы лазерной спектроскопии, быстро развивалась в течение последнего десятилетия и продолжит открывать новые возможности и свойства в последующие годы. Avantes, как мировой лидер в разработке и производстве высококачественных спектрометров, рад быть вашим партнером на долгие годы.

©Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ