导向沉积富集与fs-ns双脉冲激发LIBS增强方法研究

发布时间：2020-04-18 17:40

【摘要】：激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS）技术作为一种快速微损定性定量分析手段，因其具有响应时间短、无需样品预处理、多元素同时分析等诸多优势，被广泛运用于各个领域，并获得不同程度的成功。然而，发展LIBS技术成为一种可应用于实际的检测手段，仍存在提升探测灵敏度的挑战。因此，本论文针对水中痕量金属离子和固体微创微量烧蚀，分别发展了相应的LIBS探测增强方法，达到了显著提升LIBS探测灵敏度的目的。本论文围绕LIBS探测增强为中心，以水下金属离子LIBS探测和微创微区LIBS分析为研究对象，分别开展了“导向沉积增强”和“fs-ns双脉冲”激发的LIBS增强方法研究。其中，“导向沉积增强方法”是通过化学置换反应将水中铜离子定向沉积转化为固体铜单质，有效增加激光烧蚀质量，成功实现水下铜离子从无到有的LIBS探测，并且可实现亚ppb的水下铜离子探测。同时发现，导向沉积增强效果依赖于富集电压，最低可探测浓度随着电压的升高而降低，实验结果证明随着富集电压的升高（0V/30V/60V），水中铜元素的最低探测浓度会随之相应降低（5ppm/5ppb/500ppt），说明了富集电压的改变可有效调控水中LIBS探测金属元素的灵敏度。 “fs-ns双脉冲增强微区LIBS探测技术”是通过引入ns脉冲以reheat模式对fs脉冲烧蚀形成的等离子体再次激发，通过激励进而加剧粒子数反转形式达到对探测的增强，以实现灵敏度的提高。实验结果显示双脉冲的作用下，等离子体发光时间可以由fs单脉冲下的20ns显著延长至fs-ns双脉冲下的3000ns；实验参数优化后，发现LIBS信号的最佳信噪比（SNR）出现于较大脉冲间隔（300ns），fs-ns双脉冲增强技术可在烧蚀斑尺寸为1.7m、激光烧蚀质量为2.9pg下，相较fs单脉冲LIBS探测，完成近300倍的信号增强，最低探测质量降低近30倍。除此之外，论文还就双脉冲的增强机理进行了初步探索研究。本论文针对水下痕量金属元素的“导向沉积增强LIBS探测方法”和微创微区LIBS探测的“fs-ns双脉冲增强方法”，二者均能够显著增强LIBS探测效果，有效提升LIBS探测灵敏度，研究结果将有望应用于海水水质监测及海洋沉积物分析，为LIBS技术实用化起到积极推动作用。
【图文】：

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临的挑战更多。虽然样品的激光烧蚀过程不受损伤限制，但易受液体光烧蚀效率偏低，等离子体寿命较短，如此导致水下 LIBS 探测尤为的运用可有效提高“激光烧蚀”效率，是水下 LIBS 探测的主要手段效的富集方法以增加烧蚀区域的目标离子浓度，则是实现液体样品 L的根本。本论文将针对水下 LIBS 的困难和微区微损 LIBS 的需求，以强为目的，以样品富集增强和 fs-ns 双脉冲为技术手段开展研究，以有效实现 LIBS 探测增强的方法。术构思论文针对水下 LIBS 探测提出的“导向沉积增强”方法，旨在通过水素的富集沉积实现 LIBS 探测增强；针对微区微损分析发展的“基于双脉冲技术，，可对固体微量烧蚀实现有效的二次激发，显著提高光谱离子体寿命，从而达到增强 LIBS 探测的目的。其学术构思如图 1.1所

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Winefordner 誉为“未来之星”[10]。虽然 LIBS 技术应用逐步成熟，但作为技术发展，探测灵敏度提升一直是 LIBS 技术研究的一大挑战[10]，所以，在兼顾 LIBS 技术本身优势的同时，着力提升技术性能，才是继续发展 LIBS 技术的必经之路。本章综合介绍了针对 LIBS 技术的探测灵敏度提升方法，并同时列举了 LIBS 技术应用的现状。2.1 LIBS 国内外应用现状LIBS 技术凭借其原位、实时、多相位多组分同时分析的优势，已经被应用于火星表面岩石的首次探测分析（2012 年 9 月），发现并探测到疑似碳元素（如图 2-1）。该技术成功搭载火星探测车的 ChemCam[13]，其采用 1067 nm 激光远程（2-13米）烧蚀待测对象，可完成特征谱线为 240 nm 800 nm范围内的元素探测，部分元素可实现 10 ppm的探测限探测。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN249;P714

【参考文献】