轻元素激光探针分子光谱检测研究及应用

摘要

轻元素的应用十分广泛,在农业，医药，冶金，核工业等方面扮演着重要角色，而轻元素的种类及含量是影响产品品质的重要因素。因此，对轻元素快速和准确分析具有重要意义。传统成分分析技术通常需要样品预处理和真空环境，耗时长，操作复杂。激光探针技术作为一种光谱分析技术，具有全元素分析、无需样品制备，无需真空和快速原位探测等独特优点，在轻元素的快速检测具有广泛的应用前景。然而，目前激光探针原子光谱在分析轻元素时存在的自吸收效应，以及同位素分析时由于原子谱峰间隔极窄导致易重叠等难题。因此，本文采用分子光谱代替传统的原子光谱对轻元素硼、碳及其同位素进行分析研究，主要取得的成果和创新点如下： （1）通过研究自吸收评价函数SA，发现减小谱线的粒子数密度和振子强度能简单有效地抑制自吸收效应。因此选择粒子数密度和振子强度相对较小的分子光谱对轻元素硼进行定量分析。实验表明B2Σ+→X2Σ+(0,2)λ=255.14nm和B2Σ+→X2Σ+(1,3)λ=258.80nm两条硼分子谱线R2分别为0.9723和0.9857。为进一步提高硼分子光谱的定标准确度，提出利用应用多变量定量的GA-PLSR模型进行分子光谱定量。结果表明R2，RMSEC，RMSEP和ARE等评价指标分别改善为0.9888，0.2187wt.％，0.8667wt.％和10.9685％。 （2）在采用GA-PLSR算法方法提高分子光谱定量准确度的基础上，针对其无法有效提高检测极限的问题，提出自由基共振激发技术（LIBS-LIRF）进一步提高分子光谱的强度，以改善其定量灵敏度和准确度。结合理论对两种共振激发模式LIRFG和LIRFE进行对比研究。实验结果表明，两种方法均能有效提高轻元素激光探针的灵敏度和准确度，其中LIRFE更具准确度，其RMSECV为0.2514wt.%；LIRFG具有更好的灵敏度，其LoD为0.0993wt.％。 （3）将分子光谱技术应用于轻元素同位素分辨，提出利用LIBS-LIRF增强分子光谱并消除光谱干扰，分别对同位素11B，10B和12C，13C进行定性定量分析。结果表明，硼和碳同位素（11BO，10BO，12CN，13CN）的检测限（LoDs）分别提升至0.9858at.%，0.8470at.%，1.606at.%和1.193at.%。 本论文研究的激光探针分子光谱技术能有效地解决轻元素自吸收问题，并结合算法和自由基共振激发技术，提高分子光谱定量的精确度与灵敏度。在此基础上，分子光谱结合自由基共振激发技术成功应用与轻元素同位素的分析。这些结果表明激光探针分子光谱技术在检测轻元素及其同位素方面具有十分广阔的应用范围和前景。也为轻元素激光探针检测提供了全新的研究思路和方法。

目录

第一个书签之前