Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie

In diesem Artikel geht es um die Laserspektroskopie -Technik. Für die politische Ideologie siehe Liberalismus.
Schema eines LIBS -Systems - Mit freundlicher Genehmigung des Forschungslabors der US -Armee

Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie (Libs) ist eine Art von Art von Atomemissionsspektroskopie Das verwendet eine hohe Energetikum Laser- Puls als Anregungsquelle.[1][2] Der Laser ist darauf konzentriert, ein Plasma zu bilden, das Proben atomisiert und erregt. Die Bildung des Plasmas beginnt erst, wenn der fokussierte Laser einen bestimmten Schwellenwert für den optischen Zusammenbruch erreicht, der im Allgemeinen von der Umgebung und dem Zielmaterial abhängt.[3]

Entwicklungen der 2000er Jahre

Von 2000 bis 2010 die Forschungslabor der US -Armee (ARL) Erforschte potenzielle Erweiterungen der LIBS -Technologie, die sich auf die Erkennung gefährlicher Materialien konzentrierten.[4][5] Die an ARL untersuchten Anwendungen umfassten den Standoff -Nachweis von explosiven Rückständen und anderen gefährlichen Materialien, plastische Landminkiskriminierung und materielle Charakterisierung verschiedener Metalllegierungen und Polymere. Die von ARL vorgestellten Ergebnisse legen nahe, dass LIBs möglicherweise zwischen energetischen und nicht energetischen Materialien unterscheiden können.[6]

Forschung

Im Jahr 2000 wurden das Spektrometer des Spektrometers im Jahr 2000 mit hochauflösenden Breitbandspektrometern entwickelt und kommerzialisiert. Er ermöglichte das LIBS-System empfindlich gegenüber chemischen Elementen bei niedriger Konzentration.[7]

Die von 2000 bis 2010 untersuchten ARL Libs -Anwendungen beinhalteten:[5]

  • Getestet zur Erkennung von Halonalternativen Agenten
  • Testete ein feldportierbares LIBS-System zur Erkennung von Blei in Boden und Farbe
  • Untersuchte die spektrale Emission von Aluminium- und Aluminiumoxiden aus Schüttgasaluminium in verschiedenen Badegasen
  • Führte eine kinetische Modellierung von LIBS -Federn durch
  • Nachgewiesene Erkennung und Unterscheidung von geologischen Materialien, plastischen Landminen, Sprengstoff sowie Ersatz für chemische und biologische Kriegsführung

Die in dieser Zeit untersuchten ARL -Libs -Prototypen beinhalteten:[5]

  • Labor -Bibliotheken -Setup
  • Kommerzielles LIBS -System
  • Man-portierbares LIBS-Gerät
  • Standoff -LIBS -System, das für mehr als 100 m Nachweis entwickelt wurde und die explosiven Rückstände diskriminiert.

Entwicklungen für 2010er Jahre

LIBS ist eine von mehreren analytischen Techniken, die im Gegensatz zu reinen Labortechniken eingesetzt werden können, z. Funke Oes. Ab 2015Die jüngste Forschung zu LIBs konzentriert sich auf kompakte und (man-) tragbare Systeme. Einige industrielle Anwendungen von LIBs umfassen die Erkennung von Materialmischungen,[8] Analyse von Einschlüssen in Stahl, Analyse von Schlacken in der sekundären Metallurgie,[9] Analyse von Verbrennungsprozessen,[10] und Hochgeschwindigkeitsermittlung von Schrottstücken für materialspezifische Recyclingaufgaben. Diese Technik wird mit Datenanalysetechniken ausgestattet und wird auf pharmazeutische Proben ausgedehnt.[11][12]

LIBs mit kurzen Laserimpulsen

Folgen Multiphoton oder Tunnelionisation Das Elektron wird durch inverse beschleunigt Bremsstrahlung und kann mit den nahe gelegenen Molekülen kollidieren und durch Kollisionen neue Elektronen erzeugen. Wenn die Impulsdauer lang ist, können die neu ionisierten Elektronen beschleunigt werden, und schließlich folgt eine Lawine- oder Kaskadenionisation. Sobald die Dichte der Elektronen einen kritischen Wert erreicht hat, erfolgt ein Zusammenbruch und Plasma mit hoher Dichte, die keinen Speicher des Laserimpulses aufweist. Das Kriterium für die Kürze eines Impulses in dichten Medien lautet also wie folgt: Ein Impuls, der mit einer dichten Materie interagiert, wird als kurz angesehen, wenn während der Wechselwirkung der Schwellenwert für die Lawinenionisation nicht erreicht wird. Auf den ersten Blick scheint diese Definition zu einschränkend zu sein. Glücklicherweise kann die Schwelle aufgrund des zart ausgewogenen Verhaltens der Impulse in dichten Medien nicht leicht erreicht werden. Das für das Gleichgewicht verantwortliche Phänomen ist die Intensitätsklemme[13] durch den Beginn von Filamentierung Prozess während der Ausbreitung starker Laserimpulse in dichten Medien.

Eine potenziell wichtige Entwicklung für LIBs beinhaltet die Verwendung eines kurzen Laserimpulses als spektroskopische Quelle.[14] Bei dieser Methode wird eine Plasma -Spalte erzeugt, die ultraschnelle Laserimpulse in einem Gas fokussiert. Das selbstleuchtende Plasma ist hinsichtlich des geringen Kontinuumsniveaus und auch einer geringeren Verbreiterung von kleinerer Linien weit überlegen. Dies wird auf die niedrigere Dichte des Plasmas bei kurzen Laserimpulsen aufgrund der defokusionen Effekte zurückgeführt, die die Intensität des Impulses im Wechselwirkungsbereich begrenzt und somit weitere Multiphoton-/Tunnelionisation des Gases verhindert.[15][16]

Linienintensität

Für ein optisch dünnes Plasma, das aus einer einzelnen neutralen Atomspezies im lokalen thermischen Gleichgewicht (LTE) besteht, die Dichte der Photonen, die durch einen Übergang vom Niveau emittiert werden i zum Niveau j ist[17]

wo :

  • ist die Emissionsrate -Dichte von Photonen (in m–3 sr–1 s–1)
  • ist die Anzahl der neutralen Atome im Plasma (in m–3)
  • ist die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen der Ebene i und Ebene j (in s–1)
  • ist die Entartung der oberen Ebene i (2J+1)
  • ist die Partitionsfunktion (in s–1)
  • ist das Energieniveau des oberen Levels i (in ev)
  • ist der Boltzmann Konstante (in ev/k)
  • ist die Temperatur (in k)
  • ist das Linienprofil so, dass
  • ist die Wellenlänge (in NM)

Die Partitionsfunktion ist der statistische Besatzungsanteil jeder Ebene der Atomarten:

LIBS für die Lebensmittelanalyse

Kürzlich wurde LIBS als schnelles, mikro-zerstörerisches Lebensmittelanalyse-Tool untersucht. Es wird als potenzielles analytisches Instrument für qualitative und quantitative chemische Analysen angesehen, wodurch es als PAT (Prozessanalysetechnologie) oder tragbares Werkzeug geeignet ist. Milch, Backprodukte, Tee, Gemüseöle, Wasser, Getreide, Mehl, Kartoffeln, Handflächendatum und verschiedene Fleischsorten wurden unter Verwendung von LIBs analysiert.[18] Nur wenige Studien haben sein Potenzial als Verfälschungserkennungsinstrument für bestimmte Lebensmittel gezeigt.[19][20] LIBS wurde auch als vielversprechende Elementarbildgebungstechnik in Fleisch bewertet.[21]

Im Jahr 2019 Forscher der Universität von York und von der Liverpool John Moores University beschäftigt LIBS für die Untersuchung von 12 europäischen Austern (Ostrea edulis, Linnaeus, 1758) ab spät Mesolithikum Shell Midden in Conors Island (Irische Republik). Die Ergebnisse zeigten die Anwendbarkeit von LIBS, um prähistorische Saisonalitätspraktiken sowie biologisches Alter und Wachstum mit verbesserter Rate und reduzierten Kosten zu bestimmen, als bisher erreichbar war.[22]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Radziemski, Leon J.; Cremers, David A. (2006). Handbuch der Laser-induzierten Breakdown-Spektroskopie. New York: John Wiley. ISBN 0-470-09299-8.
  2. ^ Schechter, Israel; Miziolek, Andrzej W.; Vincenzo Palleschi (2006). Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie (LIBS): Grundlagen und Anwendungen. Cambridge, Großbritannien: Cambridge University Press. ISBN 0-521-85274-9.
  3. ^ J. P. Singh und S.N. Thakur, Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie, 1. Aufl. (Elsevier, 2007).
  4. ^ Munson, Jennifer L. Gottfried Frank C. de Lucia Jr. Andrzej W. Miziolek Chase A. "Aktueller Status von Standoff -Bi -Sicherheitsanträgen im US -amerikanischen Armeeforschungslabor". www.spectroscopyonline.com. Abgerufen 2018-08-27.
  5. ^ a b c Gottfried, Jennifer L.; De Lucia, Frank C., Jr. (2010). "Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie: Funktionen und Anwendungen". doi:10.21236/ada528756. {{}}: Journal zitieren erfordert |journal= (Hilfe)
  6. ^ "Nachweis von energetischen Materialien und explosiven Resten mit laserinduzierter Abbausspektroskopie: I. Labormessungen" (PDF). Archiviert (PDF) Aus dem Original am 10. Mai 2020.
  7. ^ "Forscher der US -Armee untersuchen Lasererkennungstechniken | Qualitätsdigest". www.qualityDigest.com. Abgerufen 2018-08-27.
  8. ^ Noll, Reinhard; Bette, Holger; Brysch, Adriane; Kraushaar, Marc; Mönch, Ingo; Peter, Laszlo; Sturm, Volker (2001). "Laser-induzierte Breakdown-Spektrometrie-Anwendungen für die Produktionskontrolle und Qualitätssicherung in der Stahlindustrie". Spectrochimica Acta Teil B: Atomspektroskopie. 56 (6): 637–649. Bibcode:2001ACSPE..56..637n. doi:10.1016/s0584-8547 (01) 00214-2.
  9. ^ Sanghapi, Hervé K.; Ayyalasomayajula, Krishna K.; Yueh, Fang Y.; Singh, Jagdish P.; McIntyre, Dustin L.; Jain, Jinesh C.; Nakano, Jinichiro (2016). "Analyse von Schlacken unter Verwendung von Laser-induzierter Breakdown-Spektroskopie". Spectrochimica Acta Teil B: Atomspektroskopie. 115: 40–45. Bibcode:2016ACSPE.115 ... 40s. doi:10.1016/j.sab.2015.10.009.
  10. ^ Hsu, Paul S.; Gragston, Mark; Wu, Yue; Zhang, Zhili; Patnaik, Anil K.; Kiefer, Johannes; Roy, Sukesh; Gord, James R. (2016). "Empfindlichkeit, Stabilität und Präzision quantitativer NS-Libs-basierter Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Messungen für Methan-Luft-Flammen bei 1–11 bar". Angewandte Optik. 55 (28): 8042–8048. Bibcode:2016APOPT..55.8042H. doi:10.1364/ao.55.008042. PMID 27828047.
  11. ^ St-Onge, L.; Kwong, E.; Sabsabi, M.; Vadas, E.B. (2002). "Quantitative Analyse von pharmazeutischen Produkten durch laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie". Spectrochimica Acta Teil B: Atomspektroskopie. 57 (7): 1131–1140. Bibcode:2002ACSPE..57.1131s. doi:10.1016/s0584-8547 (02) 00062-9.
  12. ^ Myakalwar, Ashwin Kumar; Sreedhar, S.; Barman, Ishan; Dingari, Narahara Chari; Venugopal Rao, S.; Prem Kiran, P.; Tewari, Surya P.; Manoj Kumar, G. (2011). "Laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie-basierte Untersuchung und Klassifizierung von pharmazeutischen Tabletten unter Verwendung einer multivariaten chemometrischen Analyse". Talanta. 87: 53–59. doi:10.1016/j.talanta.2011.09.040. PMC 3418677. PMID 22099648.
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  15. ^ Talebpour, a.; Abdel-Fattah, M.; Chin, S.L. (2000). "Fokussierung der Grenzen intensiver ultraschneller Laserimpulse in einem Hochdruckgas: Straße zur neuen spektroskopischen Quelle". Optikkommunikation. 183 (5–6): 479–484. Bibcode:2000optco.183..479t. doi:10.1016/s0030-4018 (00) 00903-2.
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  19. ^ Sezer, Banu; et al. (2018). "Identifizierung von Milchbetrug unter Verwendung von Laser-induzierten Breakdown-Spektroskopie (LIBS)". Internationales Dairy Journal. 81: 1–7. doi:10.1016/j.idairyj.2017.12.005.
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  21. ^ Dixit, Yash; et al. (2018). "Einführung in die laserinduzierte Abbauspektroskopie -Bildgebung in Lebensmitteln: Salzdiffusion im Fleisch". Journal of Food Engineering. 216: 120–124. doi:10.1016/j.jfoodeng.2017.08.010.
  22. ^ Hausmann, Niklas; Robson, Harry K.; Hunt, Chris (2019-09-30). "Jährliche Wachstumsmuster und Variabilität der Interspecimen in MG/CA -Aufzeichnungen von archäologischen Ostrea edulis (europäische Auster) aus der verstorbenen mesolithischen Stätte von Conors Island". Offene Quartärin. 5 (1): 9. doi:10.5334/oq.59. ISSN 2055-298x.

Weitere Lektüre

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