微孔喷射辅助LIBS在线分析方法及在海洋金属元素检测中的应用研究

论文摘要

激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术,是一种利用高能量密度激光,击穿样品产生等离子体,测量等离子体冷却时目标元素所发出的光谱来进行化学成分检测、分析的技术。LIBS技术因其操作简便、检测速度快、可远距离非接触检测和可现场应用等特点被广泛应用到多个领域。海洋中金属元素现场在线LIBS检测技术,有望在海洋科学调查和水资源环境监测领域得到应用。然而,在海洋探测或水环境监测领域,受到水溶液内部复杂基质效应的影响,LIBS技术在针对水溶液样品金属元素的连续在线检测应用中受到很大的制约。针对LIBS技术在液体样品金属成分连续在线检测应用需求,本文设计实现了一套微孔喷射辅助系统,该系统利用微米量级小孔矩阵和压电陶瓷震荡片构成微孔喷射辅助系统,可以将流动液体样品转化成小液滴并快速连续喷出,形成密集液滴柱辅助LIBS系统进行检测。并以海洋中常见的Ca元素为例,对激光能量、微孔孔径等实验参数对谱线特性的影响进行了分析,优化了实验参数。计算了等离子体的电子密度和电子温度,对系统等离子体的物理特性进行了分析。验证了该方法的连续定量能力,该方法对Ca元素的检测限能够达到0.96 mg/L,且在0~1124mg/L浓度范围内谱峰强度和浓度之间具有较好的线性关系,并对其在线连续定量分析能力进行了评价。针对海洋应用的实际需求,对系统进行了改进并对目标金属元素的检测方法展开了研究。分析了各元素谱线的演化特性和检测限。除Fe、K和Cd元素外,其它目标元素检测限都在1ppm以下。根据海洋应用需求,对Na、Mg、K、Cd、Mn和Li六种金属元素特定浓度的样品进行了定量检测实验。针对定量检测中遇到的浓度范围非线性问题,提出了三种不同的拟合方式,并以Na元素为目标元素,进行定量方法研究。并利用浓度定量公式计算了近海海水的盐度。最后,对全文内容进行了总结。根据实际应用需求,对下一步的工作方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 引言
•   1.1 论文研究背景和意义
•   1.2 激光诱导击穿光谱技术
•   1.3 论文章节安排
• 第二章 LIBS技术理论基础及其在液体样品检测领域应用的研究进展
•   2.1 激光诱导等离子体特性参数
•     2.1.1 激光诱导等离子体电子温度
•     2.1.2 激光诱导等离子体电子密度
•   2.2 LIBS用于定量分析的理论基础
•     2.2.1 LIBS用于定量分析的基本假设
•     2.2.2 LIBS定量研究方法
•   2.3 LIBS技术在液体样品检测领域应用研究进展
• 第三章 MHS辅助装置设计实现及MHS-LIBS实验方案
•   3.1 微孔喷射辅助系统
•   3.2 MHS-LIBS系统
•     3.2.1 激光光源
•     3.2.2 分光系统
•   3.3 实验方案与程序
•     3.3.1 实验方案
•     3.3.2 实验操作程序
•     3.3.3 样品的制备
•   3.4 本章小结
• 第四章 MHS-LIBS参数优化及等离子体物理特性
•   4.1 MHS-LIBS光谱特性
•     4.1.1 积分脉冲数对信号的影响
•     4.1.2 激发脉冲能量对信号的影响
•     4.1.3 微孔喷射矩阵孔径大小对信号的影响
•     4.1.4 实验数据的校正
•   4.2 MHS-LIBS等离子体物理特性
•     4.2.1 电子温度计算
•     4.2.2 电子密度特性
•   4.3 本章小结
• 第五章 MHS-LIBS系统检测能力评估
•   5.1 MHS-LIBS低浓度检测限
•   5.2 基于MHS-LIBS的 Ca元素连续定量分析
•     5.2.1 Ca元素定量分析
•     5.2.2 微孔喷射辅助LIBS连续在线检测能力评估
•   5.3 本章小结
• 第六章 MHS-LIBS系统在海洋金属元素检测中的应用研究
•   6.1 实验系统改进与性能分析
•     6.1.1 实验系统改进
•     6.1.2 气流速度对系统的影响
•     6.1.3 液体流速的影响
•     6.1.4 激光频率的影响
•     6.1.5 系统稳定性
•     6.1.6 实验数据校正
•   6.2 海洋中金属元素MHS-LIBS定量分析方法研究
•     6.2.1 海洋金属元素检测限
•     6.2.2 海洋金属元素定量检测
•   6.3 海水盐度检测
•   6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 生鹏鹏

导师: 孙欣,钟石磊

关键词: 激光诱导击穿光谱,微孔喷射,海洋金属元素,连续在线

来源: 青岛大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,化学

单位: 青岛大学

基金: 国家重点研发计划项目“基于多光谱联合的多参数剖面探测系统(2016YFC0302101)”

分类号: P714;O657.3

DOI: 10.27262/d.cnki.gqdau.2019.001833

总页数: 68

文件大小: 2216K

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