LIBS在金属元素定量分析中的应用及影响因素的研究.pdf

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Ll Bs在金属元素定量分析中的应用及其影响因素研究 摘 要 Breakdown Induced 激光诱导击穿光谱学(Laser 功率脉冲激光与物质相互作用产生瞬态等离子体,通过分析等离子体发射光谱中原 子、离子特征谱线,实现对待测物定性与定量分析的一种光谱技术。作为一项化学成 分分析技术,LIBS的突出优势在于可对多种元素同时探测,且无需对样品预处理, 可满足实时快速、无接触现场原位探测的需求。近年来,LIBS在海洋资源调查和海 洋化学环境检测领域的潜在应用推进了水下LIBS的研究进程。如何做到精确定量是 将LIBS实用化所面临的最大挑战。本论文作为LIBS技术应用于海洋探测的预研工作, 以金属元素作为探测目标,以定量分析作为研究对象,从光谱探测方案、定量分析方 法以及影响因素三方面对应用LIBS进行金属元素探测中的相关问题进行了研究。 论文的前三章介绍了选题背景和意义,从LIBS定量分析的依据、影响因素、定 量分析方法等方面综述了国内外研究进展,并介绍了本论文所用实验仪器及实验方 法。论文的第四、第五和第六章是论文的主体——作者完成的主要工作,包括:光谱 探测方案比较、各类定量分析方法评估和影响因素讨论。 第四章是基于LIBS定量分析的光谱探测方案研究,以钢铁合金中的Mo元素为 探测对象。首先采用CCD对激光诱导等离子体的空间分辨光谱进行探测,通过对空 间分辨光谱特性的研究,确定了最佳探测距离,并应用于合金中Mo元素的定量分析。 时的时间分辨光谱应用于Mo元素的定量分析。结果表明,基于空间分辨光谱的分析 结果优于基于时间分辨光谱的分析结果,基于这两种方案对Mo元素的相对误差分别 的空间分辨光谱探测方案。 在第四章研究工作的基础上,第五章研究了基于LIBS的金属元素定量分析方法。 以Mn元素为探测对象,利用CCD探测空间分辨光谱,分别采用直接强度定标方法、 内定标方法、多元线性回归方法、多元非线性回归方法和偏最小二乘法对钢铁合金中 劈 要 Mn元素进行定量分析。结果表明,直接强度定标方法难以有效地对多组分多基体体 系钢铁合金中金属元素定量分析。以Fel404.581nm谱线作为内标元素谱线进行内定 标分析方法,对两个待测样分析的相对误差分别为3.54%和9.70%。以‰、玩为变 量进行二元二阶非线性回归,对两个待测样定量分析的相对误差分别为9.69%和 9.38%。以‰、玩和CD作为变量进行三元二阶非线性回归,对两个待测样定 量分析的误差最小,分别为3.29%和3.08%,在回归分析过程中,采用了平方项 的降维近似。利用PLS方法,直接以Mn元素的特征光谱进行模型训练,对两 个待测样品的预测浓度相对误差分别为6.62%和1.49%。各种方法所得的结果表 明,采用三元二阶非线性回归方法的误差最小,PLS的预测方法分析速度最快, 但分析精度有待提高。 第六章主要是应用LIBS进行定量分析的影响因素研究,包括对激光烧蚀效果有 重大影响的聚焦透镜焦点到样品表面的距离(LTSD)、对待测谱线光强有削弱效应的 激光诱导等离子体的自吸收特性、以及在水下探测条件下需要考虑的光在水中的传输 衰减对探测效果的影响。结果表明,LIBS光谱信号的信背比、元素特征谱线的强度 和多次测量的相对标准偏差均会随LTSD发生变化,如果对系列样品进行定量分析时, 应尽量保证每个样品LTSD不变,以减小定量分析的误差。对空气和水中激光诱导等 离子体特性的分析结果表明,通过选择合适的谱线,采用较大的激光脉冲能量和较长 的探测延时可以有效减小自吸收现象对LIBS光谱探测的影响。基于不同波长激光在 水中传输特性,建立了入水前激光脉冲能量最佳值磊。。,御与探测距离r的关系式,并 针对原位探测的实际情况,模拟分析了原位探测距离对入水前烧蚀激光脉冲能量的影 响。当用1064nin激光进行LIBS水下探测时,探测距离以不大于5 cm为宜,当探测 距离增至10 cm时,则需要考虑选择532nm激光作为烧蚀光源。 第七章是论文工作总结,并针对海洋应用的实际问题,对下一步工作的努力方向 进行了展望。 关键词:激光诱导

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