Что представляет лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия?
Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) — это оптический метод элементного анализа, позволяющий определять качественный и количественный химический состав вещества в реальном времени, как правило, без предварительной подготовки образца. С момента появления метод активно изучается и применяется благодаря своим уникальным преимуществам, таким как:
- быстрый анализ в реальном времени;
- одновременное детектирование множества элементов;
- бесконтактный характер измерений;
- широкая область применимости;
- высокая чувствительность и точность;
- портативность.
Метод основан на воздействии на поверхность исследуемого материала короткоимпульсного лазерного излучения, что приводит к абляции и образованию высокотемпературной плазмы. В плазме атомы и ионы элементов переходят в возбуждённое состояние под действием высокой температуры и плотности энергии. При спонтанном переходе электронов на более низкие энергетические уровни (в т. ч. на основной уровень) испускаются кванты электромагнитного излучения. Длина волны излучения строго соответствует разности энергий между уровнями (λ=hc/ ΔE, где ΔE — разность энергий между уровнями, h — постоянная Планка, c — скорость света).
Набор разрешённых энергетических уровней уникален для каждого химического элемента, спектр его излучения служит фундаментальным физическим признаком для идентификации элемента в методе LIBS. Каждая спектральная линия соответствует определённому квантовому переходу в атоме или ионе. Интенсивность спектральной линии пропорциональна числу атомов, участвующих в переходе. Она зависит от параметров плазмы: температуры, плотности электронов и степени ионизации. Полученный эмиссионный спектр регистрируется спектрометром, и по интенсивности и положению спектральных линий, с использованием калибровочных зависимостей, определяется элементный состав и содержание компонентов в образце.
Благодаря высокой плотности энергии, достигаемой при фокусировке лазера с ультракоротким импульсом, метод LIBS применим к любому агрегатному состоянию вещества (твёрдому, жидкому или газообразному). Ограничения при детектировании зависят только от диапазона длин волн и чувствительности детектора.
Как работает технология LIBS
Типичная установка LIBS схематически представлена на рисунке 1.
Основными элементами установки являются:
(1) импульсный лазер, генерирующий мощные оптические импульсы для формирования микроплазмы;
(2) передающая оптическая система, включающая зеркала и линзы, направляющая и фокусирующая лазерное излучение на образец;
(3) платформа для позиционирования и фиксации образца;
(4) приемная оптическая система (линзы, зеркала или волоконно-оптические элементы), обеспечивающая сбор излучения плазмы и его передачу к системе регистрации;
(5) система регистрации, включающая устройство спектрального разложения излучения (например, спектрометр и детектор для его записи;
(6) компьютер и электронные компоненты, обеспечивающие синхронизацию работы детектора, запуск лазера и сохранение полученного спектра.
Схематическое изображение установки LIBS
Временные характеристики, показанные на рисунке 2, соответствуют плазме, возбуждённой лазерным импульсом с длиной волны 1064 нм и длительностью 1 - 10 нс лазера Nd:YAG. При значительно более длинных импульсах (например, от CO₂-лазера) или гораздо более коротких (например, от пико- или фемтосекундных лазеров) временные масштабы соответственно увеличиваются или сокращаются. На рисунке 3 показаны типичные квантовые переходы в атоме или ионе.
|
|
| Схематическое представление временной динамики плазмы метода LIBS. | Типичные квантовые переходы в атоме или ионе. |
Физический механизм
LIBS основан на механизме лазерной абляции, возникающем при взаимодействии лазера с материалом. Лазерная абляция представляет собой процесс быстрого испарения и разрушения вещества под действием высокоэнергетических коротких импульсов, сопровождающийся образованием парогазового (плазменного) облака, распространяющегося в направлении, нормальном к поверхности образца. Одновременно с процессом абляции в области фокуса лазерного излучения формируется микроплазма, в которой происходят возбуждение, ионизация и последующее излучение атомов и ионов (рисунок).
| Процесс начинается с поглощения твёрдым телом энергии импульсного лазерного излучения. | Поглощённая энергия быстро преобразуется в теплоту, что приводит к нагреву материала и последующему испарению — процессу, известному как абляция. Удаление вещества с поверхности сопровождается образованием пароплазменного облака над образцом. | Лазерный импульс продолжает воздействовать. Пар стремится конденсироваться в субмикронные капли, которые эффективно поглощают и рассеивают лазерное излучение, вызывая интенсивный локальный нагрев, ионизацию и, в конечном счёте, образование высокотемпературной плазмы. | Дальнейшее динамическое развитие плазменного облака сопровождается его быстрым расширением и постепенным охлаждением. Примерно через 1 микросекунду после лазерного импульса континуум ослабевает, и в спектре становятся чётко различимы узкие атомные и ионные эмиссионные линии. |
Какой лазер подходит для технологии LIBS?
Для технологии LIBS наиболее важными компонентами являются короткоимпульсные лазеры с высокой пиковой мощностью и оптоволоконные спектрометры, способные улавливать излучение от нескольких элементов. Компания Beijing RealLight Technology Co., Ltd. представляет мощный источник возбуждающего излучения для этой области применения.
Флагманские высокоэнергетические твердотельные лазеры серии PQE с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности обеспечивают высокую выходную мощность, экономичность и низкое энергопотребление. Такие параметры позволяют достигать необходимого порога абляции для широкого круга материалов и формировать плазму с высокой степенью ионизации, что является критически важным для получения воспроизводимого спектрального сигнала. Компактный размер упрощает интеграцию в систему, что делает их идеальными для использования в портативных установках для LIBS.
|
Твердотельный лазер модели PQE-1064-0.01-10 от компании RealLight.
|
Развитие эрбиевых лазеров открывает ряд потенциальных направлений для применения LIBS
Альтернативное направление развития источников излучения для LIBS связано с использованием эрбиевых лазеров, работающих в среднем инфракрасном диапазоне (λ ≈ 1535 нм). В отличие от традиционных твердотельных лазеров на основе Nd:YAG, ориентированных на максимальную эффективность возбуждения плазмы, эрбиевые лазеры формируют иной режим взаимодействия излучения с веществом. Это открывает новые возможности для спектрального анализа.
|
|
Потенциальные преимущества
1) Высокое детектирование определённых материалов. Органические материалы, пластмассы, водородсодержащие соединения и т. д. сильнее поглощают излучение на длине волны 1535 нм. Использование эрбиевых лазеров в качестве источника излучения может повысить эффективность возбуждения плазмы и усилить силу сигнала.
2) Безопасность для глаз. Не требуют строгой защиты, подходят для открытых сред (например, для горнодобывающей промышленности, экологического мониторинга и т. п. на полевых или промышленных объектах).
3) Портативность. Эрбиевые стеклянные лазеры имеют компактную конструкцию и малые размеры, что делает их подходящими для разработки портативных устройств LIBS.
4) Снижение повреждения образца. Дополнительным преимуществом является потенциальное снижение термического повреждения образца. За счёт особенностей поглощения и более низкого порога абляции для ряда материалов возможно уменьшение зоны термического влияния, что критично при работе с биологическими объектами и образцами культурного наследия.
Эрбиевые лазеры в LIBS следует рассматривать не как замену традиционным источникам, а как специализированное дополнение, эффективное для задач, связанных с анализом органических и чувствительных материалов, а также для создания безопасных и портативных аналитических систем. Наиболее перспективным направлением является построение комбинированных схем, в которых эрбиевый лазер используется для абляции, а коротковолновый источник — для эффективного возбуждения плазмы.
Лазеры компании RealLight представляют собой современное решение для развития технологии LIBS. Их ключевые преимущества - высокая энергия импульса, компактность и гибкость настройки - позволяют адаптировать метод под конкретные задачи: от диагностики в полевых условиях до прецизионного анализа в лаборатории. Дальнейшее совершенствование лазерных источников и методов обработки данных будет способствовать расширению сферы применения LIBS, делая его ещё более универсальным, точным и доступным инструментом элементного анализа.
Выбор спектрометра для систем LIBS
Не менее важным элементом системы LIBS, чем лазерный источник, является спектрометр. Именно он регистрирует эмиссионное излучение плазмы и обеспечивает разделение спектральных линий различных химических элементов. От спектрального разрешения, диапазона регистрации, отношения сигнал/шум и динамического диапазона зависит возможность надежного обнаружения элементов, разделения близко расположенных спектральных линий и проведения количественного анализа. за. При выборе спектрометра также учитываются время интегрирования, тип детектора и возможность адаптации прибора под конкретную аналитическую задачу.
|
|
|
| Aurora4000 - компактный спектрометр высокого разрешения | YSM-8101-06 - миниатюрные спектрометры | |
|
|
Благодаря сочетанию широкого спектрального диапазона, высокого спектрального разрешения и гибкости конфигурации данные спектрометры могут использоваться в составе лабораторных и портативных систем LIBS. Выбор конкретной модели определяется требованиями аналитической задачи, необходимым спектральным диапазоном и требуемой разрешающей способностью при регистрации эмиссионного излучения плазмы.
Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором представленных решений и оказывает техническую поддержку на территории России и ЕАЭС.
Для получения дополнительной информации и оформления заказа вы можете связаться с нашими специалистами, которые помогут подобрать оптимальное решение под ваши задачи.
