土壤中若干重金属元素的激光诱导击穿光谱检测

摘要

随着经济的不断发展，环境污染也越来越严重，非常有必要对包括土壤中的重金属等污染进行实时监测。激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced BreakdownSpectroscopy，简称LIBS)具有高检测精度、高检测灵敏度、对样品的损害极小，可以对多种元素同时进行实时定量分析、无须样品准备、操作简便等优点。所以利用LIBS技术对土壤中重金属进行实时、现场的监测研究已备受关注。 本文首先简述激光诱导等离子体的基本性质和形成机理，给出了利用激光诱导击穿光谱技术进行元素成分定量分析的基本原理。搭建一套激光诱导击穿光谱分析实验系统，优化了检测土壤中重金属污染的工作条件。通过比较不同的数据采集方式对光谱强度变化的影响，发现采用激光重复轰击同一固定靶点的数据采集方式和结合合适的数据处理方法，能显著减小多次重复测量结果的相对标准偏差，从而有效地提高了测量结果的精密度；详细研究了激光能量和延迟时间等工作参数对激光诱导击穿光谱中元素特征谱线强度、宽带背景辐射、光谱噪声的影响，发现激光能量不变时，信噪比(SNR)随着采样延迟时间的增大先变大后变小，当延迟时间不变时，SNR随着激光能量的增加也是先变大后变小，分别存在一最佳延迟时间和最佳激光能量；而具有最佳SNR时的延迟时间却随着激光能量的增加而增大，并根据噪声来源对这一现象给予了定性解释。在优化了工作条件的基础上，测出了多种标准土壤样品的LIBS光谱图。根据内部定标法和外部定标法原理、标准土壤样品中元素浓度和光谱信号强度，选择合理的光谱分析线，分别做出了元素Ba、Ca、Cr、Pb、Sr的信号强度与元素浓度的关系曲线，作为定标曲线，为采用LIBS技术定量分析这些元素打下了基础，并得到了很高的检测灵敏度。 此外，根据Boltzmann公式，测算了土壤等离子体温度。为进一步研究激光诱导土壤等离子体的性质，以及更好地进行土壤中重金属元素的定量检测提供了实验数据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2激光等离子体

1.2.1激光等离子体的形成

1.2.2激光等离子体的基本性质

1.3常用的激光等离子体诊断技术

1.3.1质谱分析

1.3.2离子微探针

1.3.3光学光谱

1.4激光等离子体光谱的应用

1.5本章小结

2激光诱导击穿光谱的基本理论

2.1激光诱导击穿光谱的基本特点

2.2激光诱导等离子体的局部热平衡和等离子体温度测量

2.2.1激光诱导等离子体的局部热平衡

2.2.2利用Boltzmann斜线求电子温度

2.3 LIBS基本理论

2.4LIBS的定标方法

2.4.1内定标方法

2.4.2外定标方法

2.4.3自由定标方法

2.5本章小结

3实验装置和样品制备

3.1实验装置

3.1.1激光光源

3.1.2光谱仪

3.2实验样品制备

3.3实验方法

4 工作参数优化和实验数据采集与处理

4.1研究背景和现状

4.2实验参数对光谱特性的影响

4.2.1激光诱导等离子体的实验参数

4.2.2背景与噪声

4.2.3延迟时间对光谱特性的影响

4.2.4激光能量对光谱特性的影响

4.2.5激光能量对最佳信噪比延迟时间的影响

4.3数据采样平均方式对测量重复性的影响

4.3.1数据采集方式

4.3.2数据处理方法

4.4本章小结

5定标曲线

5.1信号强度与元素浓度的关系

5.2内定标曲线

5.3外定标曲线

5.4定标方法的选择

5.5定标谱线的选择

5.6本章小结

6激光等离子体温度

6.1研究背景与现状

6.2等离子体温度

6.2.1利用Fe元素的Boltzmann锄斜线测算激光等离子体温度

6.2.2利用Ca元素的Boltzmann斜线测算激光等离子体温度

6.3本章小结

7总结

参考文献

本人在硕士研究生阶段研究成果

参与科学研究项目

致谢