一种激光诱导击穿光谱无标样定量分析元素组成的方法

摘要

本发明公开了一种激光诱导击穿光谱无标样定量分析元素组成的方法。本发明方法利用控制脉冲激光器的能量使得每次测量时等离子体的温度相同，由此保证每次测量时各元素的基态和激发态强度的比值保持不变，通过对比不同元素基态峰强度来确定混合物中的各元素原子个数比，实现定量分析。本发明通过控制等离子体的温度，相当于确定了元素基态峰和激发态峰的比例。由此可保持每次测量结果的可比性，得到精确的可以重复的元素成分分析结果。

说明书

技术领域

本发明涉及材料分析测试技术领域，尤其涉及一种利用激光诱导击穿光谱进行元素定量分析的方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱是一种近年来发展迅速的基于等离子体发射光谱的元素分析测试方法,可以对固态、液态和气态样品进行成分分析，应用领域很广。但是，作为一种实用的元素分析工具，激光诱导击穿光谱仪还有很多科学上的问题需要解决，特别是它的定量分析至今还没有从根本上得到解决，极大地制约了它的进一步发展。这是因为激光与物体的相互作用过程非常复杂，影响等离子的因素非常多，激光脉冲的能量、重复次数、波长、样品的成分、待测元素的含量、测试时的气氛、激光的聚焦情况等因素都会对信号产生很大的影响。虽然通过标样法及复杂的数学运算可以提高精度，但是重复性很差，与其他成熟的元素定量分析方法相比误差仍然很大。

当样品被大功率的脉冲激光照射时，受激光照射区域的样品表面附近温度急剧升高，原子电离后在被照射区域附近形成等离子体。脉冲激光功率不同，等离子体的温度也不同，则各元素的电离状态也不同。等离子体温度较低时，激光诱导击穿光谱中元素基态对应的发射峰较强。相反，等离子体温度较高时，激光诱导击穿光谱中元素激发态对应的发射峰较强。因此，如果测量时不控制等离子的温度，就无法确定等离子体中元素的电离状态，或者说无法确定元素基态及各激发态的比值。在这种情况下，我们无法通过简单地测量各元素某一个峰的强度获得精确的定量分析结果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种实现激光诱导击穿光谱无标样定量分析元素组成的方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

该方法利用控制脉冲激光器的能量使得每次测量时等离子体的温度相同，由此保证每次测量时各元素的基态和激发态强度的比值保持不变，通过对比不同元素基态峰强度来确定混合物中的各元素原子个数比，实现定量分析。

所述的离子体为待分析元素通过激光诱导击穿所得。

本发明的有益效果是：通过控制等离子体的温度，相当于确定了元素基态峰和激发态峰的比例。由此可保持每次测量结果的可比性，得到精确的可以重复的元素成分分析结果。

附图说明

图1：每脉冲100mJ、每秒5次脉冲激光能量激发下，Al元素的AlI（基态）和 AlII（某一激发态）的峰强度比值。

图2：为被测五组样品中Al II/Al I的强度比。

图3：Ti/Al比不同的样品中Ti的浓度与Ti和Al元素的基态发射峰强度比的关系。

图4：Zn/Al比不同的样品中Zn的浓度与Zn和Al元素的基态发射峰强度比的关系。

图5：Zn/Fe比不同的样品中Zn的浓度与Zn和Fe元素的基态发射峰强度比的关系。

具体实施方式

本发明通过控制脉冲激光器输出的激光脉冲的能量，同时监测待测样品中某一共同元素基态峰和某一激发态峰的比值，使得每次测量时此比值为一确定的值。由于元素基态峰和激发态峰强度的比值与等离子体的温度有关，因此确定了该元素基态峰和激发态峰的比值相当于确定了等离子体的温度。只要每次测量时保持该元素的基态和激发态峰强度的比值不变，那么其他元素的基态峰与激发态峰的比值也保持不变。本发明不但大大提高了激光诱导击穿光谱仪定量分析的重复性，而且不需要标样即可获得很高的精度。

下面根据具体实施例详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实施例1：

本发明所使用的分析方法适用于所有元素的定量分析，本实例中所用样品为TiO₂和 Al₂O₃的混合物，其中，Ti相对Al的摩尔百分比浓度分别为0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%。具体实施步骤如下：

（1）开启光谱仪；

（2）开启激光器；

（3）监测Al I（基态）和Al II（某一激发态）信号的强度，并在屏幕上实时显示两者的比值；

（4）改变激光器的输出能量，使得Al I和Al II信号的强度为一确定值。在本实例中，Al I和Al II信号的强度比值定为2:1（如图1所示）；

（5）记录此时的激光诱导击穿光谱；

（6）换样品，重复步骤3-5，每次测量时保证Al I和Al II信号的强度比不变，以保证每组样品测量时等离子体的温度为固定值（如图2所示，五组样品的Al II/Al I强度比均为定值）；

（7）计算各样品中Ti I峰和Al I 峰的强度，两者的强度比值即为对应元素组成的比值，结果如图3所示。

图3显示根据本发明上述步骤获得的Ti I峰和Al I 峰的强度比值存在简单的线性关系，经拟合得Ti/Al成分比与测到的峰值比之间的关系为：

其中/代表Ti和Al元素的原子个数比，I_Ti/I_Al代表Ti I峰和Al I峰的强度比。在本发明所使用的方法中，没有加入标准参照物，仅从混合物自身的激光诱导光谱即可获得定量分析结果。对于任意比例的TiO₂和 Al₂O₃混合物，只要检测出其Ti I峰和Al I 峰的强度比，即可从关系图中，或者利用拟合公式直接得到混合物中Ti元素和Al元素的原子个数比，本发明所提出的分析方法可以获得可靠的定量分析结果。

实施例2：

本实例中所用样品为ZnO和 Al₂O₃的混合物，其中，Zn相对Al的摩尔百分比浓度分别为1%, 2%, 3%, 4%, 5%。具体实施步骤如下：

（1）开启光谱仪；

（2）开启激光器；

（3）监测Al I（基态）和Al II（某一激发态）信号的强度，并在屏幕上实时显示两者的比值；

（4）改变激光器的输出能量，使得Al I和Al II信号的强度为一确定值。在本实例中，Al I和Al II信号的强度比值定为2:1；

（5）记录此时的激光诱导击穿光谱；

（6）换样品，重复步骤3-5，每次测量时保证Al I和Al II信号的强度比不变，以保证每组样品测量时等离子体的温度为固定值；

（7）计算各样品中Zn I峰和Al I 峰的强度，两者的强度比值即为对应元素组成的比值，结果如图4所示。

实施例3：

本实例中所用样品为ZnO和 Fe₂O₃的混合物，其中，Zn相对Fe的摩尔百分比浓度分别为1%, 2%, 3%, 4%, 5%。具体实施步骤如下：

（1）开启光谱仪；

（2）开启激光器；

（3）监测Fe I（基态）和Fe II（某一激发态）信号的强度，并在屏幕上实时显示两者的比值；

（4）改变激光器的输出能量，使得Fe I和Fe II信号的强度为一确定值。在本实例中，Fe I和Fe II信号的强度比值定为2:1；

（5）记录此时的激光诱导击穿光谱；

（6）换样品，重复步骤3-5，每次测量时保证Fe I和Fe II信号的强度比不变，以保证每组样品测量时等离子体的温度为固定值；

（7）计算各样品中Zn I峰和Fe I 峰的强度，两者的强度比值即为对应元素组成的比值，结果如图5所示。