1、D O I:1 0.1 6 1 3 6/j.j o e l.2 0 2 3.0 4.0 2 5 5基于磁场约束下激光诱导击穿光谱技术的重金属检测研究孙佳星1,2,3,李红莲1,2,3,吕贺帅1,2,3,李小亭1,2,3,吴启东4,杨小娜4*(1.河北大学 质量技术监督学院,河北 保定0 7 1 0 0 2;2.计量仪器与系统国家地方联合工程研究中心,河北 保定0 7 1 0 0 0;3.河北省能源计量与安全检测技术重点实验室,河北 保定0 7 1 0 0 0;4.河北白沙烟草有限责任公司保定卷烟厂工艺质量部,河北 保定0 7 1 0 0 0)摘要:为提高激光 诱 导 击 穿 光 谱(l a s
2、 e r i n d u c e db r e a k d o w ns p e c t r o s c o p y,L I B S)技 术 定 量 分 析 的 精度,开展了磁场约束下L I B S技术对 土 壤 中 重 金 属 元 素 检 测 的 研 究,并 采 用 多 谱 线 强 度 归 一 化 内标法进行数据处理。通过比较磁场强度分别为0T、0.3T、0.8T、1.2 5T时的光谱特性,得到光谱强度和信噪比(s i g n a l-t o-n o i s e r a t i o,S NR)随磁场强度增大而增大,在1.2 5T磁场强度时,样品元 素C d和C u的 光 谱 强 度 和SNR
3、要 比 无 磁 场 作 用 分 别 增 强 了3 4.7 7%、5 6.3 3%和4 0.8 3%、7 4.1 2%,构建了磁场强度为1.2 5T时的C d和C u元素定量分析模型。结果显示,相对于传统内标法,采用多谱线强度归一化内标法 的 元 素 检 测 限 分 别 从5 2.7 8m g/k g和4 9.1 8m g/k g降 低 到2 3.8 7m g/k g和1 8.0 6m g/k g;相关系数分别从0.9 6 1 3和0.9 4 2 7提高到0.9 9 69和0.9 9 93。本实验研究改善了L I B S的光谱特性,提高了定量分析的精度,采用多谱线强度归一化内标法降低了重金属的检
4、出限和测量误差。关键词:激光诱导击穿光谱技术;磁场约束;重金属元素;定量分析中图分类号:O 6 5 7.3 8 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-0 0 8 6(2 0 2 3)0 4-0 4 2 2-0 7D e t e c t i o no f h e a v ym e t a l s b a s e do n l a s e r-i n d u c e db r e a k d o w n s p e c-t r o s c o p yu n d e rm a g n e t i c f i e l d c o n s t r a i n t sS U NJ i a x i n
5、g1,2,3,L IH o n g l i a n1,2,3,L VH e s h u a i1,2,3,L IX i a o t i n g1,2,3,WUQ i d o n g4,Y A N GX i a-o n a4*(1.S c h o o l o fQ u a l i t ya n dT e c h n o l o g yS u p e r v i s i n g,H e b e iU n i v e r s i t y,B a o d i n g,H e b e i 0 7 1 0 0 0,C h i n a;2.N a t i o n a la n dL o c a l J o
6、i n tE n g i n e e r i n gC e n t e ro fM e a s u r i n gI n s t r u m e n t sa n dM e t r o l o g yS y s t e m s,B a o d i n g,H e b e i0 7 1 0 0 0,C h i n a;3.H e b e iK e yL a b o r a t o r yo fE n e r g yM e a s u r e m e n ta n dS a f e t yT e s t i n gT e c h n o l o g y,B a o d i n g,H e b e
7、i 0 7 1 0 0 0,C h i n a;4.H e b e iB a i s h aT o b a c c oC o.,L t d.,B a o d i n gC i g a r e t t eF a c t o r yP r o c e s sQ u a l i t yD e p a r t m e n t,B a o d i n g,H e b e i 0 7 1 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f q u a n t i t a t i
8、v e a n a l y s i s o f l a s e r i n d u c e d b r e a k d o w n s p e c t r o s c o-p y(L I B S)t e c h n o l o g y,t h e r e s e a r c ho n t h e d e t e c t i o no f h e a v ym e t a l e l e m e n t s i n s o i l b yL I B S t e c h n o l o g yu n d e r t h e c o n f i n e m e n t o fm a g n e t
9、i c f i e l dw a sc a r r i e do u t,a n d t h ed a t aw e r ep r o c e s s e db ym u l t i s p e c t r a ll i n e i n t e n s i t yn o r m a l i z e d i n t e r n a l s t a n d a r dm e t h o d.B yc o m p a r i n gt h es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h em a g n e t i c f i e l
10、 d i n t e n s i t yw a s 0T,0.3T,0.8Ta n d1.2 5,r e s p e c t i v e l y,i tw a so b t a i n e dt h a t t h es p e c t r a li n t e n s i t ya n ds i g n a l-t o-n o i s e r a t i o(S N R)i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fm a g n e t i c f i e l d i n t e n s i t y.W h e nt h em a g n
11、e t i c f i e l d i n t e n s i t yw a s1.2 5T,t h es p e c t r a l i n t e n s i t ya n dS N Ro fC da n dC uw e r e3 4.7 7%,5 6.3 3%,4 0.8 3%a n d7 4.1 2%h i g h e r t h a n t h a tw i t h o u tm a g n e t i c f i e l d,r e s p e c t i v e l y.T h e q u a n t i t a t i v e a-n a l y s i sm o d e l
12、o fC da n dC uw a s c o n s t r u c t e dw h e n t h em a g n e t i c f i e l d i n t e n s i t yw a s 1.2 5T.T h e r e s u l t s光 电 子 激 光第3 4卷 第4期 2 0 2 3年4月 J o u r n a l o fO p t o e l e c t r o n i c sL a s e r V o l.3 4N o.4 A p r i l 2 0 2 3*E-m a i l:1 5 1 2 8 2 8 7 7 7 2 1 6 3.c o m收稿日期:2 0
13、2 2-0 4-1 1 修订日期:2 0 2 2-0 6-1 4基金项目:国家自然科学基金(6 2 1 7 3 1 2 2)、河北省自然科学重点项目(F 2 0 2 1 2 0 1 0 3 1)和河北省引进留学人员资助项目(C 2 0 2 1 0 3 1 2)资助项目 ，：（）；引言激 光 诱 导 击 穿 光 谱（，）技 术 是 一 种 物 质 成 分 分 析 技术，可以作用于固态、液态、气态样品表面，具有无损、原位、实 时 检 测 等 优 点，因 此，技 术 被广泛 应 用 于 冶 金 工 业，、地 质 勘 探，环 境 监测等领 域。但 是 技 术 相 比 于 其 他 传 统化学检测方法，存
14、在检出限较高、灵敏度较低等问题，因此，提高 技术检测精度逐步 成 为研 究热点。磁场约束可以有效改善 的光谱特性，许东华等使用飞秒 技术在 的稳磁场约束下观察到 等离子体光谱信号有所增强，等离子 体 温 度 和 电 子 密 度 均 有 提 高。等 进行了 磁 场 约 束 下 实 验，分 析 对 比 了无磁场约束和磁场强度为 的情况下光谱强度的变化，结果表明，相比于无磁场约束，在磁 约束下提高了元素的光谱 强度，降低 了 检出限。杨彦伟等 使用磁场中心强度为 的磁铁约束 技术产生的等离子体，发现等离子体光谱强度增强，元素的检出限降低。综上所述，磁场约束装置相比其 他 约 束装 置结构简单，制作容
15、易，不易受其他外界因素影 响，因此被科研工作者广泛应用，但针对不同磁场 强度下光谱特性研究较少，本文将开展 不 同 磁场 强度对光谱特性影响的研究。实验测试系统及原理实验装置示意图如图所示。激光光束由输出波长为 的 ：（型）激光器（北京镭宝光电技术有限公司，）发 出，透 过 聚 焦透镜作用在样品表面，调整光纤探头位置，确保充分接收等离子体信号，经光谱仪（美国海洋光学公司，）分析后 传入 电 脑 端 呈 现 光 谱 数据。设置脉冲激光能量 、延迟时间 、透镜与样品之间的距离，样品放 在 三维 可调载物台上，用来调整激光打在样品表面的位置，并在样品两 侧 放 置 自 制 的 磁 场 约 束 装 置
16、，如 图 所示，磁场由两块极性相反的永磁铁产生，调整左右两块磁铁的距离，使其产生最大磁场。在称取好的土壤粉末样品中分别加入不同质量的 和 （）纯试剂，如 表 所示。对样品进行充分研磨，然后加入 少量饱和蔗糖溶液以增加样品粘性利于后续压片，再混合搅拌均匀研磨 ，最后称取相同质量的土壤样品放入压片机制样，使用烘干箱进行 烘干后备用。图实验系统示意图 图磁场装置图 表 自制样品元素浓度 第期孙佳星等：基于磁场约束下激光诱导击穿光谱技术的重金属检测研究实验结果与分析 磁场约束增强理论分析在磁场条件下，等离子体会受到洛伦兹力的影响，其运动速度和膨胀速度都会降低。根据能量守恒定律，磁场约束下内部粒子发生碰撞，能量产生转移。无论是弹性碰撞还是非弹性碰撞，高能级上的原子数将会增多，向外辐射出更多光子，使光谱增强。图磁场约束等离子体扩散示意图 磁场强度分布呈三维空间分布，如图所示。实验前，先用激光击打样品少次，样品表面会出现烧蚀坑，用霍尔传感器探头测量烧蚀坑所在位置的磁场强度即为实验所用磁场强度。图磁场强度分布图 磁场约束对 信号的影响图为 波段的等离子体发射光谱。根据特征谱线选取原则，结合 数据库，选