基于自由定标的激光诱导击穿光谱定量分析方法研究

发布时间：2017-08-23 21:05

  本文关键词：基于自由定标的激光诱导击穿光谱定量分析方法研究

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【摘要】：激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)作为一项新型技术被推广在许多领域来解决实际问题,如工业产品质量控制、环境形势监测、水资源等领域。LIBS具有分析简便、快速、无需复杂样品预处理以及多元素同时测定等优点,被广泛应用于土壤的定量研究中。自由定标(Calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy,CF-LIBS)方法是一种极具研究价值和应用前景的定量分析方法。由于该方法绝对地依赖于数学理论模型,无法消除自吸收效应和等离子体干扰的影响,因此该方法的定量准确性仍需深入研究。本文从减小自吸收效应、准确确定等离子体温度以及提高CF-LIBS准确度等方面展开一系列方法研究,并将建立的方法用于土壤中Ca和A1两种元素的含量及其比率的测定。首先,本文提出了一种基于内参考线结合外标的改进CF-LIBS方法,简称为IRESCF方法。该方法首先通过选择无自吸收影响的内参考线以减小自吸收效应对其它谱线的影响,然后选择一个与未知土壤样品基体相似的标样,并采用遗传算法进行迭代优化,以寻求最佳的等离子体温度,最后将此温度应用于未知样品实现其组分的准确定量分析。与传统的CF-LIBS方法相比,该方法大大提高了自由定标方法的定量分析性能。其次,将Saha方程与改进的CF-LIBS方法用于测定不同类型土壤的Ca/Al含量比。采用Ca和Al谱线的Stark展宽机制来计算电子密度,利用玻尔兹曼图法结合遗传算法计算电子温度。将Saha方程和CF-LIBS方法相结合计算不同土壤样品中的Ca/Al含量比,其计算结果和参考值之间建立了较好的一致性,这表明了CF-LIBS可以作为一种定量分析土壤元素含量比的可行方法。最后,一种优化校准的定量分析方法再次测定了土壤样品中Ca/Al含量比,该方法称为OC-LIBS。首先在传统CF-LIBS的理论基础上,通过一系列数学理论推导,得到OC-LIBS方程,再结合实验参数计算元素含量比。该方法相比于定标曲线和化学计量学方法,减小了基体效应对定量分析的影响；相比于传统的CF-LIBS方法,消除了待测元素含量与谱线强度之间的指数关系,减小了自吸收对CF-LIBS定量结果的严重影响；在该方法中,仅需挑选四条分析线,显著提高了定量分析的准确性。
【关键词】：激光诱导击穿光谱 定量分析 自由定标 遗传算法 土壤样品
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.319
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-31
• 1.1 激光诱导击穿光谱的研究背景与应用领域10-13
• 1.2 激光诱导击穿光谱技术的基本原理13-19
• 1.2.1 激光与物质的相互作用13-14
• 1.2.2 激光诱导等离子体的辐射和展宽机制14-16
• 1.2.3 激光诱导等离子体的局部热力学平衡16-17
• 1.2.4 激光诱导等离子体温度和电子密度的测量方法17-18
• 1.2.5 谱线自吸收校正方法18-19
• 1.3 CF-LIBS的定量分析方法研究进展19-20
• 1.4 本文的研究内容和结构框架20-21
• 参考文献21-31
• 第二章 基于传统自由定标的土壤成分定量方法研究31-43
• 2.1 引言31
• 2.2 CF-LIBS方法描述31-32
• 2.3 实验装置及实验样品32-34
• 2.3.1 实验装置32-33
• 2.3.2 实验样品33-34
• 2.4 实验条件优化34-36
• 2.4.1 最佳脉冲能量的优化34-35
• 2.4.2 最佳延迟时间的优化35-36
• 2.5 定量分析结果与讨论36-41
• 2.5.1 分析线的选择36-38
• 2.5.2 等离子体温度的计算38-41
• 2.5.3 定量结果41
• 2.6 本章小结41
• 参考文献41-43
• 第三章 基于遗传算法结合自由定标的土壤成分定量方法研究43-54
• 3.1 引言43
• 3.2 IRESCF方法的理论描述43-46
• 3.2.1 自吸收校正模型44
• 3.2.2 基于遗传算法确定等离子体温度44-46
• 3.3 结果与讨论46-52
• 3.3.1 内参考线的选择46
• 3.3.2 基于内参考线的自吸收效应校正46-47
• 3.3.3 基于已知样品的等离子体温度计算47-48
• 3.3.4 未知样品含量的计算48-52
• 3.4 本章小结52
• 参考文献52-54
• 第四章 基于Saha方程的土壤元素含量比定量方法研究54-61
• 4.1 引言54
• 4.2 原理与计算方法54-56
• 4.2.1 电子密度和等离子体温度的确定54-55
• 4.2.2 Ca/Al元素比率计算55-56
• 4.3 结果与讨论56-59
• 4.3.1 等离子体特征56-57
• 4.3.2 计算未知样品的Ca/Al含量比57-59
• 4.4 本章小结59-60
• 参考文献60-61
• 第五章 基于优化校准的土壤元素含量比定量方法研究61-68
• 5.1 引言61
• 5.2 原理和方法61-63
• 5.3 OC-LIBS方程63-64
• 5.4 参数优化和分析线选择64
• 5.5 结果与讨论64-66
• 5.5.1 数据处理64-65
• 5.5.2 计算结果与讨论65-66
• 5.6 本章小结66
• 参考文献66-68
• 结论与展望68-70
• 1. 全文总结68-69
• 2. 下一步工作展望69-70
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果70-71
• 致谢71-72

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