IsCOMS光譜儀在激光誘導(dǎo)擊穿光譜土壤檢測(cè)中的應(yīng)用

技術(shù)介紹：
 

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，簡(jiǎn)稱LIBS）作為一種近年來(lái)隨著激光及光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展而快速興起的新型光學(xué)元素分析技術(shù)，具有快速實(shí)時(shí)、可原位檢測(cè)及可遠(yuǎn)程測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“未來(lái)化學(xué)分析之星”。

2012年，美國(guó)宇航局（NASA）將LIBS 技術(shù)用于火星巖石成分探測(cè)，其測(cè)量原理是通過(guò)一束聚焦后的高能脈沖激光對(duì)火星巖石表面進(jìn)行燒蝕瞬間產(chǎn)生等離子體（一般在微秒甚至納秒級(jí)別），通過(guò)光譜儀等光學(xué)探測(cè)設(shè)備對(duì)等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行探測(cè)分析，從而實(shí)現(xiàn)火星巖石中元素組成和含量測(cè)量，其原理如圖1 所示。
 

圖1：LIBS原理圖及LIBS在火星探測(cè)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)裝置介紹：
 

LIBS測(cè)量系統(tǒng)主要由激光器、光譜儀、時(shí)序控制器、信號(hào)采集系統(tǒng)、激光光路系統(tǒng)以及位移平臺(tái)等部分組成，裝置圖如圖2所示。在本系統(tǒng)中，主要使用532 nm的激光作為樣品激發(fā)源，用于燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體。采用DG535時(shí)序控制器實(shí)現(xiàn)激光器和光譜儀之間的信號(hào)同步，以保證等離子體光譜信號(hào)能被有效的采集。為了保證樣品測(cè)量的有效性，講樣品放置于三維位移平臺(tái)表面，測(cè)量過(guò)程中同時(shí)移動(dòng)位移平臺(tái)，保證每次激光燒蝕樣品均為未燒蝕區(qū)域。在本系統(tǒng)光譜信號(hào)探測(cè)中，我們主要采用北京卓立漢光儀器有限公司自主研制的Omni-λ500i系列“影像譜王”光柵光譜儀進(jìn)行信號(hào)采集，以評(píng)估該光譜儀在LIBS土壤樣品測(cè)量中的可行性。
 

圖2：LIBS實(shí)驗(yàn)裝置圖

產(chǎn)品應(yīng)用：
 

在土壤樣品測(cè)量過(guò)程中，為保證土壤樣品的均勻性，對(duì)土壤樣品進(jìn)行烘干研磨過(guò)篩以及壓片后進(jìn)行測(cè)量。為獲得較好的光譜信號(hào)，我們采用激光能量為50 mJ，SCMOS信號(hào)采集延時(shí)和門寬分別為1 us和5 us，光柵刻線選擇1200 lines/mm。*終土壤樣品光譜信號(hào)結(jié)果如圖3所示。
 

圖3：土壤樣品測(cè)量光譜圖（光譜儀選擇中心波長(zhǎng)為402 nm、422 nm、588 nm以及766 nm）
 

可以看出，采用該系統(tǒng)測(cè)量土壤樣品可以獲得信噪比很好的光譜信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤中一些主要元素包含Ca、Al、Mn、Na及K等元素的有效測(cè)量，因此可以用于實(shí)現(xiàn)土壤樣品中元素的定性及定量分析。

此外，我們還對(duì)含氮樣品進(jìn)行了分析，設(shè)置光譜儀中心波長(zhǎng)為388 nm，采集CN分子光譜信號(hào)，如圖所示可以看出，采用該光譜儀可獲得明顯的CN分子光譜信號(hào)以及Al、Ca等原子光譜信號(hào)。
 

圖4：含氮樣品測(cè)試結(jié)果（光譜儀中心波長(zhǎng)選擇388 nm）
 

此外，我們還采集了Ca、Al以及K元素在不同延時(shí)下的光譜信號(hào)，如圖5及圖6所示?？梢钥闯觯S著采集延時(shí)的逐漸增大，光譜信號(hào)逐漸減弱，能夠有效實(shí)現(xiàn)us級(jí)別光譜信號(hào)時(shí)間分辨。
 

圖5：不同采集延時(shí)下Ca、Al光譜信號(hào)

圖6：不同采集延時(shí)下K元素光譜信號(hào)

專家介紹

馬世祥，博士，北京市農(nóng)林科學(xué)院，助理研究員，主要從事激光光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境（土壤、水體等）檢測(cè)方面的研究工作，目前擔(dān)任中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)光譜技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)青年委員。主持/參與項(xiàng)目26項(xiàng)，其中主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、北京市青年人才托舉項(xiàng)目等6余項(xiàng)；共計(jì)發(fā)表SCI論文40余篇，其中以第一作者/通訊作者身份在Journal of Hazardous Materials、Food Chemistry、Talanta、Journal of Analytical Atomic Spectrometry等權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文13篇，獲得授權(quán)發(fā)明**10余項(xiàng)。

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