高能手持式激光诱导击穿光谱分析仪器的研制及相关应用

【核心介绍】研制了高能手持式激光诱导击穿光谱分析仪器，该仪器由脉冲激光器、光路系统、微型光谱仪、信号接收系统及工控机系统组成，仪器光源采用自主研发脉冲激光器，单脉冲能量100 mJ，无需冷却装置。激光脉冲发射采用手柄按钮触发方式，满足不同硬度样品的分析。该仪器已具备量产的能力，特别适合于各种行业的现场快速检测，可以广泛应用于地质勘探、油气开采等行业的现场使用，完成对矿石样品等品性的快速筛查。 　

高能手持式激光诱导击穿光谱分析仪器的研制及相关应用^*

林庆宇¹，查方发¹，王杰¹，郭广盟²，郭红丽²，王帅²，段忆翔^1.2*

¹四川大学生命科学学院 四川大学化学工程学院 四川大学制造科学与工程学院 成都 610064；

²吉林大学仪器科学与电气工程学院 长春 130061

摘  要  研制了高能手持式激光诱导击穿光谱分析仪器，该仪器由脉冲激光器、光路系统、微型光谱仪、信号接收系统及工控机系统组成，仪器光源采用自主研发脉冲激光器，单脉冲能量100 mJ，无需冷却装置。激光脉冲发射采用手柄按钮触发方式，满足不同硬度样品的分析。该仪器已具备量产的能力，特别适合于各种行业的现场快速检测，可以广泛应用于地质勘探、油气开采等行业的现场使用，完成对矿石样品等品性的快速筛查。

关键词  激光诱导击穿光谱；手持式仪器；快速检测

中图分类号 TH744.1                    

 

Development and Application of Handheld Instrument  based on Laser Induced Breakdown Spectroscopy

Lin Qingyu¹, Zha Fangfa¹, Wang Jie¹, Guo Guangmeng², Guo Hongli², Wang Shuai², Duan Yixiang^1,2*

¹College of life sciences, School of chemical engineering, School of manufacturing science and engineering, Sichuan University 610064 Chengdu;

²College of instrumentation & electrical engineering, Jilin University 130061 Changchun;

 

   Abstract  A handheld instrument based on laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is developed. It consists of pulsed laser, optical system, micro-spectrometer, signal receiving system and microcomputer. The pulse energy of laser in the instrument was designed up to 100 mJ without any cooling system. The laser pulse of the handheld LIBS is controlled by a push-button on the handle. It can analyze various samples with different hardness. The handheld instrument is particularly suitable for fast analysis, which can be widely used in field applications of geological exploration, oil and gas production, and rapid screening of ore samples in mining.

   Key words  Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS); Handheld instrument; Fast analysis

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）作为一种元素分析技术，具有简单快速、少量或无需样品前处理、多元素同时分析等优点，是光谱分析领域内的一种有效的快速分析方法^[1-2]。除了传统的实验室使用之外，LIBS还可作为便携手持式的元素分析技术，仪器可进一步拓展到户外、现场、甚至生产工艺过中，直接、快速、适用性广的优势可被应用在固、液、气等多种相态样品的分析当中^[3-6]。随着科学技术的不断突破，特别是激光器、高分辨率光谱仪以及数据处理算法等方面的研究突破，近年来LIBS技术的发展以及相应新仪器研发速度都十分迅速。本文所介绍的高能手持式LIBS仪器是国家重大仪器设备开发专项《创新型多功能激光光谱分析仪器的研究与应用》项目阶段成果之一。该仪器采用无需冷却装置的高能脉冲激光器作为激发光源，可满足不同硬度、不同形态样品的直接分析，光束能量可同市场上台式LIBS仪器相媲美，但整机结构紧凑，便于携带。该仪器可以很好地满足矿产筛查、油气开采及地质勘探领域的现场应用要求，可对钻井岩屑、矿石岩石样品进行直接分析，快速提供相关信息。

1. 仪器研制

1.1仪器构成

仪器整机由脉冲激光器、光路整形及光源传输系统、信号接收探头、光谱仪及工控机系统组成。图1是手持式仪器的系统组成示意图。针对现场使用的特点，依据结构紧凑、操作方便、面向用户的总体要求，手持式仪器在关键零部件的研发及系统设计上均有创新与突破。脉冲激光器单脉冲能量100 mJ，脉冲宽度约6ns。光路整形采用透镜组实现1064nm脉冲光束的扩束、准直及聚焦，焦点处的功率密度大于1GW/cm²，满足LIBS的测试要求。信号接收探头采用消色差透镜组可实现最大效率收集。采用工控机作为处理硬件，系统支持单独安装数据处理软件对所获得光谱数据的进一步处理。

图1手持式仪器的系统组成示意图

1.2仪器参数

本项目手持式LIBS仪器的规格和性能如表1所示。仪器整机实物图如图2所示，仪器外观采用黄色烤漆处理，在野外现场使用时识别度高，仪器手柄可单手持握，便于操作。

表1 手持式LIBS仪器的规格和性能

激光能量	单脉冲100 mJ
光谱范围	220-397 nm
测定方式	元素定量测定； 岩屑岩性识别； 光谱测量；
电源	内置可充电锂电池，一次充电可连续工作2.5h，配置专业适配器
整机重量	2.95 kg（不含电池）
显示屏	3.5寸，触摸屏，可触摸操作
整机尺寸	~330 mm*110 mm*320 mm
软件配置	地质样品元素定量软件； 钢铁样品元素定量及牌号识别软件； 油气开采岩性识别软件；

 

 

图 2 高能手持式LIBS 分析仪器实物图

 

2． 仪器应用效果

2.1 性能测试

仪器采用高能脉冲Nd:YAG激光器为激发源，激光器单脉冲能量100mJ，能量稳定，连续300发的测试结果显示，激光器平均能量为100.60 mJ，测试结果的相对标准偏差RSD<5%，整机无需冷却，激光频率设置1 Hz，可连续工作。激光器整机功耗低，瞬时功率最大50 W，因此可直接采用内置Li电池供电，无需额外高能电源，满足野外现场的使用需求。选择铝合金标准样品(E421C)为测试对象，选取Al(I) 309.23nm及Si(I) 288.05nm两条谱线考察仪器光谱信号的实时强度变化，实验结果表面，在30发内谱线强度的RSD分布在10%的范围内，实验结果满足实际使用需求。

 

2.2 仪器应用

利用该手持式LIBS分析仪器开展对不同样品测试分析。图3展示了仪器对铝合金样品的分析结果，光谱谱线丰富，可以实现对金属样品的元素分析。

图3 仪器对铝合金标准样品的分析谱线

 

表2 手持式仪器对铝合金样品的部分谱线

元素	谱线
Fe	252.292nm; 259.820nm; 261.116 nm;
Mn	257.409nm, 279.459 nm; 280.186 nm;
Al	256.66nm, 281.55 nm, 308.18 nm, 309.23 nm, 394.41 nm;
Si	288.05nm, 251.45 nm; 221.6nm;
Mg	285.077 nm；
Ni	231.97 nm;

 

另一方面，为验证该高能手持式LIBS仪器可满足不同硬度样品的分析，而非仅仅局限于金属基体样品分析。分别采用石膏、镍矿标准样品（GBW070108）及铜矿标准样品（GBW07170）为分析对象进行谱图获取，石膏样品可不经过任何前处理，直接利用手持式仪器进行分析，实验结果如图4（a）所示，结果显示Ca元素谱线信号明显，同时检测到石膏样品中含有的C元素的特征谱线。在对矿石标样进行分析时，采用压片的方式制备片状样品进行分析，实验结果如图4（b）及（c）所示，获得了非常丰富的谱线信息，Fe、Ni、Cu、Si等元素都可实现测定。上述实验结果充分表明，该高能手持式LIBS仪器可以满足对矿石样品的元素测定，在谱图获取的基础上，结合项目组所开发的自动识别及定量软件，可以实现对样品中元素的直接定量分析，提供用户矿石中关注元素的含量，这一点对于现场矿产资源勘查非常重要。

图4 仪器对石膏（a），镍矿（b）及铜矿（c）样品的分析谱线

 

为进一步验证所研发高能手持仪器对不同样品的分析能力，分别对PVC塑料、透明玻璃、有色橡胶、木板、牛黄解毒片外包衣及药物胶囊外壳共6种不同材质的样品进行分析(图5)，光谱结果显示，手持式仪器对上述样品的分析效果满意，可以获得非常丰富的谱图信息，为进一步的样品分析提供了可能。

图5 仪器对各种不同样品的分析谱线

 

参考文献

[1] J. El Haddad, L. Canioni and B. Bousquet. Good practices in LIBS analysis: review and advices, Spectrochimica acta part B,2014, 101: 171-182.

[2] Leon Radziemski, David Cremers. A brief history of laser-induced breakdown spectroscopy: From the concept of atoms to LIBS 2012,Spectrochimica acta part B,2013,87: 3-10.

[3] Qingyu Lin, Zhimei Wei, Mingjun Xu, Shuai Wang, Guanghui Niu, Kunping Liu, Yixiang Duan and Jie Yang. Laser-induced breakdown spectroscopy for solution sample analysis using porous electrospun ultrafine fibers as a solid-phase support, RSC Adv.,2014,4:14392.

[4] Guang Yang, Qingyu Lin, Yu Ding, Di Tian and Yixiang Duan. Laser induced breakdown spectroscopy based on single beam splitting and geometric configuration for effective, Scientific reports, 2015, 5:7625.

[5] Xu Wang, Yin Wei, Qingyu Lin, Ji Zhang and Yixiang Duan. Simple, fast matrix conversion and membrane separation method for ultrasensitive metal detection in aqueous samples by laser-induced breakdown spectroscopy, Anal. Chem., 2015,87: 5577-5583.

[6] Linli Shi, Qingyu Lin and Yixiang Duan. A novel specimen-preparing method using epoxy resin as binding material for LIBS analysis of powder samples, Talanta, 2015,144:1370-1376.