【摘要】：激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,簡(jiǎn)稱LIBS）技術(shù)作為一種快速微損定性定量分析手段，因其具有響應(yīng)時(shí)間短、無需樣品預(yù)處理、多元素同時(shí)分析等諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，并獲得不同程度的成功。然而，發(fā)展LIBS技術(shù)成為一種可應(yīng)用于實(shí)際的檢測(cè)手段，仍存在提升探測(cè)靈敏度的挑戰(zhàn)。因此，本論文針對(duì)水中痕量金屬離子和固體微創(chuàng)微量燒蝕，分別發(fā)展了相應(yīng)的LIBS探測(cè)增強(qiáng)方法，達(dá)到了顯著提升LIBS探測(cè)靈敏度的目的。 本論文圍繞LIBS探測(cè)增強(qiáng)為中心，以水下金屬離子LIBS探測(cè)和微創(chuàng)微區(qū)LIBS分析為研究對(duì)象，分別開展了“導(dǎo)向沉積增強(qiáng)”和“fs-ns雙脈沖”激發(fā)的LIBS增強(qiáng)方法研究。其中，“導(dǎo)向沉積增強(qiáng)方法”是通過化學(xué)置換反應(yīng)將水中銅離子定向沉積轉(zhuǎn)化為固體銅單質(zhì)，有效增加激光燒蝕質(zhì)量，成功實(shí)現(xiàn)水下銅離子從無到有的LIBS探測(cè)，并且可實(shí)現(xiàn)亞ppb的水下銅離子探測(cè)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)向沉積增強(qiáng)效果依賴于富集電壓，最低可探測(cè)濃度隨著電壓的升高而降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明隨著富集電壓的升高（0V/30V/60V），水中銅元素的最低探測(cè)濃度會(huì)隨之相應(yīng)降低（5ppm/5ppb/500ppt），說明了富集電壓的改變可有效調(diào)控水中LIBS探測(cè)金屬元素的靈敏度。 “fs-ns雙脈沖增強(qiáng)微區(qū)LIBS探測(cè)技術(shù)”是通過引入ns脈沖以reheat模式對(duì)fs脈沖燒蝕形成的等離子體再次激發(fā)，通過激勵(lì)進(jìn)而加劇粒子數(shù)反轉(zhuǎn)形式達(dá)到對(duì)探測(cè)的增強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)靈敏度的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雙脈沖的作用下，等離子體發(fā)光時(shí)間可以由fs單脈沖下的20ns顯著延長(zhǎng)至fs-ns雙脈沖下的3000ns；實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)LIBS信號(hào)的最佳信噪比（SNR）出現(xiàn)于較大脈沖間隔（300ns），fs-ns雙脈沖增強(qiáng)技術(shù)可在燒蝕斑尺寸為1.7m、激光燒蝕質(zhì)量為2.9pg下，相較fs單脈沖LIBS探測(cè)，完成近300倍的信號(hào)增強(qiáng)，最低探測(cè)質(zhì)量降低近30倍。除此之外，論文還就雙脈沖的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了初步探索研究。 本論文針對(duì)水下痕量金屬元素的“導(dǎo)向沉積增強(qiáng)LIBS探測(cè)方法”和微創(chuàng)微區(qū)LIBS探測(cè)的“fs-ns雙脈沖增強(qiáng)方法”，二者均能夠顯著增強(qiáng)LIBS探測(cè)效果，有效提升LIBS探測(cè)靈敏度，研究結(jié)果將有望應(yīng)用于海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)及海洋沉積物分析，為L(zhǎng)IBS技術(shù)實(shí)用化起到積極推動(dòng)作用。
【圖文】：

臨的挑戰(zhàn)更多。雖然樣品的激光燒蝕過程不受損傷限制，但易受液體光燒蝕效率偏低，等離子體壽命較短，如此導(dǎo)致水下 LIBS 探測(cè)尤為的運(yùn)用可有效提高“激光燒蝕”效率，是水下 LIBS 探測(cè)的主要手段效的富集方法以增加燒蝕區(qū)域的目標(biāo)離子濃度，則是實(shí)現(xiàn)液體樣品 L的根本。本論文將針對(duì)水下 LIBS 的困難和微區(qū)微損 LIBS 的需求，以強(qiáng)為目的，以樣品富集增強(qiáng)和 fs-ns 雙脈沖為技術(shù)手段開展研究，以有效實(shí)現(xiàn) LIBS 探測(cè)增強(qiáng)的方法。術(shù)構(gòu)思論文針對(duì)水下 LIBS 探測(cè)提出的“導(dǎo)向沉積增強(qiáng)”方法，旨在通過水素的富集沉積實(shí)現(xiàn) LIBS 探測(cè)增強(qiáng)；針對(duì)微區(qū)微損分析發(fā)展的“基于 雙脈沖技術(shù)，，可對(duì)固體微量燒蝕實(shí)現(xiàn)有效的二次激發(fā)，顯著提高光譜離子體壽命，從而達(dá)到增強(qiáng) LIBS 探測(cè)的目的。其學(xué)術(shù)構(gòu)思如圖 1.1所

Winefordner 譽(yù)為“未來之星”[10]。雖然 LIBS 技術(shù)應(yīng)用逐步成熟，但作為技術(shù)發(fā)展，探測(cè)靈敏度提升一直是 LIBS 技術(shù)研究的一大挑戰(zhàn)[10]，所以，在兼顧 LIBS 技術(shù)本身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，著力提升技術(shù)性能，才是繼續(xù)發(fā)展 LIBS 技術(shù)的必經(jīng)之路。本章綜合介紹了針對(duì) LIBS 技術(shù)的探測(cè)靈敏度提升方法，并同時(shí)列舉了 LIBS 技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀。2.1 LIBS 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀LIBS 技術(shù)憑借其原位、實(shí)時(shí)、多相位多組分同時(shí)分析的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被應(yīng)用于火星表面巖石的首次探測(cè)分析（2012 年 9 月），發(fā)現(xiàn)并探測(cè)到疑似碳元素（如圖 2-1）。該技術(shù)成功搭載火星探測(cè)車的 ChemCam[13]，其采用 1067 nm 激光遠(yuǎn)程（2-13米）燒蝕待測(cè)對(duì)象，可完成特征譜線為 240 nm  800 nm范圍內(nèi)的元素探測(cè)，部分元素可實(shí)現(xiàn) 10 ppm的探測(cè)限探測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TN249;P714

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2632352