不同材料诱导纳米颗粒聚集增强激光诱导击穿光谱技术的机理研究和性能评价
发布时间：2022-01-05 15:36
激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）,作为一种新兴的原子光谱分析方法,因其具有快速分析、无需复杂的样品前处理、可实现现场原位检测和远距离在线监测等优势,被广泛应用于地质勘探、冶金分析、文化遗产、珠宝鉴定、工业分析和环境监测等诸多领域,并且逐渐发展并成为光谱分析领域内的一种前沿性分析手段。近年来,因镍、铬和铅等有毒金属带来的水污染问题引发了人们的热切关注,LIBS技术因其独特的优势在液体样品检测方面显得非常有潜力。然而,与其它成熟的元素分析技术相比,等离子体淬灭导致灵敏度低的问题制约了LIBS技术在实际应用中的发展。在此背景下,本论文研究了不同材料诱导的纳米颗粒聚集增强激光诱导击穿光谱技术,并对该技术应用于液体样品的分析性能进行了评价。取得的主要研究成果和创新点如下:（1）设计并搭建LIBS实验光学平台。针对激光脉冲能量、延迟时间、光路传输系统、信号接收系统以及样品位置等进行最优调控以避免光路系统的微小变化影响实验结果的重复性。根据LIBS的光谱信息筛选合适尺寸的金纳米颗粒（Au nanoparticles,Au NP...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
972年至2017年按洲划分的水中总重金属浓度（点代表一年中河流或湖泊中的浓度平均值）
西北大学硕士学位论文6作用于样品表面，样品表面的激光功率密度高达1GW·cm-2；待测定样品表面被激光烧蚀的瞬间会有微克级的物质被激发，同时样品表面会产生一个明亮的发光等离子体（瞬态温度高达10000K），该等离子体主要由离子、原子、分子组成且呈电中性；当等离子体的温度逐渐降低时，处于激发态且不稳定的原子或离子会发生从高能级到低能级的电子跃迁，释放能量并辐射出特定波长的光谱信号；通过对具有特定波长的发射光谱进行分析，可以实现待测元素的定性（波长位置）和定量分析（信号强度或峰面积）。从等离子体的时间演变过程上来讲，激光诱导产生等离子体发射光谱的过程可分为以下三个阶段：图1-2等离子体在样品表面的形成及传播过程（1）等离子体的形成。如图1-2所示，待测样品在高能脉冲激光束的烧蚀作用下，样品表面的物质因吸收能量而被加热、熔化和蒸发，产生大量初始自由电子，初始自由电子继续轰击样品中的其它原子产生新的自由电子，随着激光能量密度的增大，新的自由电子继续吸收能量轰击周围的原子，原子电离又产生新的电子，周而复始，这就造成了原子数的迅速倍增，直到停止激光脉冲为止，最终形成由原子、分子、离子等组成的高温等离子体[69]。（2）连续光谱的形成。如图1-2所示，激光脉冲停止后，等离子体的温度逐渐降低，自由电子与离子发生碰撞后动能降低，并辐射出光子形成轫致辐射，自由电子与
第一章绪论7离子碰撞后，电子被离子捕获形成中性粒子，并辐射出光子形成复合辐射；轫致辐射和复合辐射形成连续光谱，其中主要为等离子体中各元素电离线形成的连续背景谱线，一般该过程需要几百纳秒[70]。（3）原子光谱的形成。如图1-2所示，由于原子和离子的电子分布处于不同的能级，处于激发态的原子和分子中的电子在分立的束缚能级之间跃迁形成代表原子特性的线状光谱，即原子发射光谱；原子谱线的波长位置和强度（或面积）分别代表了待测元素的种类和含量，可作为定性和定量分析的根本依据[71]。1.4LIBS系统的重要组成部分LIBS是一种基于等离子体的原子发射光谱法（AES），其使用的仪器与其他AES方法相似。常规的LIBS系统主要包括：激光器、光学传输系统（反射镜、聚焦物镜等）、样品台、信号接收系统（准直透镜和光纤）、高分辨率光谱仪及检测器[70]。不同的应用领域对硬件的参数配置要求是不尽相同的。因此，需要结合实际需求选取相应的硬件。典型的LIBS设备如图1-3所示，主要的部件作用描述如下：图1-3LIBS实验装置示意图（1.激光器；2.控制系统；3.检测器；4.光谱仪；5.光纤；6.准直透镜；7.反射镜；8.聚焦物镜；9.样品台）（1）脉冲激光器产生强大的脉冲激光用于诱导产生微等离子体；（2）反射镜和透镜等聚焦系统将激光脉冲对准并聚焦在目标样品上；（3）样品支架或容器（如果需要）用于放置样品；（4）信号接收系统（透镜或光纤）用于收集等离子体光并将其传输到检测系统；（5）检测系统包括光谱仪和检测器用于记录并处理光信号；（6）计算机和其它电子设备用于控制激光器、光谱仪和检测器；任何LIBS系统的基本组件都是相似的，但组件规格和采样方式需要根据特定应
本文编号：3570611
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
972年至2017年按洲划分的水中总重金属浓度（点代表一年中河流或湖泊中的浓度平均值）
西北大学硕士学位论文6作用于样品表面，样品表面的激光功率密度高达1GW·cm-2；待测定样品表面被激光烧蚀的瞬间会有微克级的物质被激发，同时样品表面会产生一个明亮的发光等离子体（瞬态温度高达10000K），该等离子体主要由离子、原子、分子组成且呈电中性；当等离子体的温度逐渐降低时，处于激发态且不稳定的原子或离子会发生从高能级到低能级的电子跃迁，释放能量并辐射出特定波长的光谱信号；通过对具有特定波长的发射光谱进行分析，可以实现待测元素的定性（波长位置）和定量分析（信号强度或峰面积）。从等离子体的时间演变过程上来讲，激光诱导产生等离子体发射光谱的过程可分为以下三个阶段：图1-2等离子体在样品表面的形成及传播过程（1）等离子体的形成。如图1-2所示，待测样品在高能脉冲激光束的烧蚀作用下，样品表面的物质因吸收能量而被加热、熔化和蒸发，产生大量初始自由电子，初始自由电子继续轰击样品中的其它原子产生新的自由电子，随着激光能量密度的增大，新的自由电子继续吸收能量轰击周围的原子，原子电离又产生新的电子，周而复始，这就造成了原子数的迅速倍增，直到停止激光脉冲为止，最终形成由原子、分子、离子等组成的高温等离子体[69]。（2）连续光谱的形成。如图1-2所示，激光脉冲停止后，等离子体的温度逐渐降低，自由电子与离子发生碰撞后动能降低，并辐射出光子形成轫致辐射，自由电子与
第一章绪论7离子碰撞后，电子被离子捕获形成中性粒子，并辐射出光子形成复合辐射；轫致辐射和复合辐射形成连续光谱，其中主要为等离子体中各元素电离线形成的连续背景谱线，一般该过程需要几百纳秒[70]。（3）原子光谱的形成。如图1-2所示，由于原子和离子的电子分布处于不同的能级，处于激发态的原子和分子中的电子在分立的束缚能级之间跃迁形成代表原子特性的线状光谱，即原子发射光谱；原子谱线的波长位置和强度（或面积）分别代表了待测元素的种类和含量，可作为定性和定量分析的根本依据[71]。1.4LIBS系统的重要组成部分LIBS是一种基于等离子体的原子发射光谱法（AES），其使用的仪器与其他AES方法相似。常规的LIBS系统主要包括：激光器、光学传输系统（反射镜、聚焦物镜等）、样品台、信号接收系统（准直透镜和光纤）、高分辨率光谱仪及检测器[70]。不同的应用领域对硬件的参数配置要求是不尽相同的。因此，需要结合实际需求选取相应的硬件。典型的LIBS设备如图1-3所示，主要的部件作用描述如下：图1-3LIBS实验装置示意图（1.激光器；2.控制系统；3.检测器；4.光谱仪；5.光纤；6.准直透镜；7.反射镜；8.聚焦物镜；9.样品台）（1）脉冲激光器产生强大的脉冲激光用于诱导产生微等离子体；（2）反射镜和透镜等聚焦系统将激光脉冲对准并聚焦在目标样品上；（3）样品支架或容器（如果需要）用于放置样品；（4）信号接收系统（透镜或光纤）用于收集等离子体光并将其传输到检测系统；（5）检测系统包括光谱仪和检测器用于记录并处理光信号；（6）计算机和其它电子设备用于控制激光器、光谱仪和检测器；任何LIBS系统的基本组件都是相似的，但组件规格和采样方式需要根据特定应
本文编号：3570611
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