Optická emisní spektrometrie laserem buzeného plazmatu - LIBS Laser Induced Breakdown Spectrometry LIPS - Laser Induced Plasma Spectrometry (LAS - laser ablation spectrometry) (LSS - laser spark spectrometry) 1 Základní princip: -interakce vzorku s laserovým paprskem o vysoké hustotě záření (-0.1-10 GWcnr2 - laserová ablace), pulzní lasery -prudký ohřev povrchu vzorku, odpaření uvolnění materiálu ve formě aerosolu a par 2 Interakce laserový paprsek - pevný vzorek ICP-AES ICP-MS I aerosol atomy, ionty, částice, aerosol odpaření atomizace excitace ionizace laser beam mikroplasma absorpce záření v plasmatu praskáni tlaková vlna pevný vzorek zahřívání, tavení, odpařování, exploze Nej častej i používané typy pulzních laserů: Pevnolátkové: nanosekundové pulzy Nd:YAG - 1064 nm základní vlnová délka - 532 nm druhá harmonická frekvence - 266 nm čtvrtá harmonická frekvence Ti-safírový - femtosekundové pulzy Excimerové: 193 nm ArF 248 nm KrF 308nmXeCl 4 Vliv délky pulsu > při kratších pulsech snižování tavení a naparování materiálu, minimalizace frakcionace selektivním vypařováním z taveniny > menší energie mikroplazmatu - snižování atomizace materiálu ablatovaného ze vzorku K. Niemax, Laser ablation - reflection on a very complex technique for solid sampling, Fresenius J. Anal. Chem. (2001) 370:332-340) Uspořádání s polopropustnym zrcadlem (zrcadlem s otvorem) Laser y 6 Laser Uspořádání s optickými vlákny přenosná mobilní zařízení - in-situ monitoring PC adaptér Spektrometr (časově rozlišený signál) optické vlákno vzorek Laser son< Field-Portable LIBS Analyzer Limity detekce (kovy v půdě) Be 10 ppm Ba 320 ppm Pb 156 ppm Cr 85 ppm palmtop computer battery pack ■ 1 f m *■ . '. L ■ .t/;" i J ■i> "%; ■ n -i I i: I Detektor min Detekce s využitím optického vlákna PC 10 Detekce s využitím optického vlákna Detekce s využitím optického vlákna ~1 + fttiJ ační komor; O IU 1 , ■* Laserový paprsek 1 LIBS Nd:YAG Brilliant 10 Hz 5 ns Optical fibre MONOCHROMATOR Jobin Yvon - Triax 320 rv% ABLATION CHAMBER (laboratory made) LIBS 10 Hz 5 ns PMT Hamamatsu R928 Gated Socket Assembly Hamamatsu C1392 Control unit (laboratory made) Synchronization - Q switch rv% LIBS 10 Hz 5 ns Jobin Yvon - Triax 320 PMT Hamamatsu R928 Gated Socket Assembly Hamamatsu C1392 Control unit (laboratory made) Synchronization - Q switch KW^ OSCILLOSCOPE s n n n n n nnnnn "=" O O O O ° n n n n ° ooo§ Synchronization Instrumentace: Monochromator TRIAX 320 (Czerny - Turner 320 mm), 3 mřížky (1200, 2400 a 3600 vrypů/mm), vstupní a výstupní štěrbina 0-2mm Fotonásobič Hamamatsu R928 Klíčovací pätice C1392-56(off-typ) Přídavná elektronika řízení fotonásobiče impulsem Q - switch délka okna 5 až 25 |is zpoždění 50 ns - IOjlis zdroje napětí pro pätici a fotonásobič Osciloskop TDS 1012 propojení přes sběrnici RS-232C s PC software Scope 6.1 17 Časový režim laseru řídící puls -Xenónová výbojka elektrický puls Xenónová výbojka průběh fluorescence Neodymu Q - switch (spuštění pulsu) 100 ms (10 Hz) 50 jis j* cca 120 jis y cca 200 jis y 200 až 660 jis - umožňuje nastavení energie pulsu y 18 Časový režim měření Q - switch (spuštění pulsu) 2 jis cca 35 ns Výstupní puls laseru Vlastní měření signálu (zapnutí fotonásobiče klíčovací paticí) „ vzorkovací okno" cca 5 ns 50 ns- 10 jis 4— 5 jis - 25 jis SIGNAL I vs. t (X) 19 Profil čárv Niítt 352,454 nm Energie laseru 60 mJ napětí na fotonásobiěi - 1015 V vstupní/výstupní štěrbina 0,01 mm vzorek 597 (11,84% Ni) tfdl 352.6 3527y) 352.2,^ Prubeh signálu 50 ns až 5 jus po pulsu laseru v maximu čáry Cr I - 520,84 nm (Imax.)> na pozadí při 520,50 nm (Ib) a rozdíl signálů v maximu a na pozadí (Imax.- Ib). Merení vzorku 558 (27,98 % Cr), průměrný signál po 128 pulsech laseru. Cr(l) 520,842 nm 200 > 150 E 1 (0 100 N C O ^+J _c 50 0 -w o _ I max. 2 3 čas (|is) Kalibrační křivka pro Si Si(I) 288,158 nm odečet pozadí 288,358nm (Imax.- Ib). proměřování 128 pulsů laseru 3 měření v různých místech vzorku Si 288,158 nm S* 140 ~ 120 <2 100 i. 80 Ř 60 ...♦ .... 2 ns .............................-......-......-......-......■......*3nJ c 40 £ 20 0 fe M-................................." __________A 4 |a 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 deklarovaný obsah Si (%) Intenzifikovaný CCD detektor (ICCD) Jobin Yvon Light HV supply & Gating Electronics Perfectly Matched FiberOptic Coupling Two Stage Peltier CCD Sensor Andor Image Intensiver Water cooling of the Photo-cathode Amplitude (Arbitrary Units) Andor IntelliGate™ Typically <200 ns Typically 2-20 ns MCP (microchannel plate) Photocathode ■h.................— ■■■■iHIHIIIIIMIHIIIIiniHIIIIII. MCP and photocathode trigger Time 100 # >* \— a io o> o.i 200 Q E of Intensifier Photo cathode s I ™ * j r^" ~ ■ j-t^" - ■! r -^— I—*— I + — I ■" j I f ~~T~ r= ~P— F i | | | | | | | i r i 400 600 Wavelength (nm) soo Aplikace > rychlé snímání celých spekter > měření v prostředí ochranné atmosféry (Ar, He) nebo přímo na vzduchu > sondy s optickými vlákny - měření na nepřístupných místech (např. kontrola svárů pod vodou) lokální analýza (analýza nehomogenit) analýza ochranných povlaků a povrchově upravených materiálů (hloubkové profily) diagnostika při svařování, řezání a obrábění laserem 25 Aplikace > analýzy na dálku (1-10 m) - taveniny, nepřístupná zařízení (časti atomového reaktoru za olověným sklem) > analýza kovových materiálů, keramických materiálů, skel, nerostných surovin > single - shot režim (minimální narušení vzorku - výrobku či zařízení) > analýza archeologických nálezů, uměleckých předmětů > monitoring životního prostředí, výrobních procesů > analýza a třídění odpadů analýza olejů a suspenzí analýza aerosolů pevné vzorky plyny kapalim nízké meze detekce (setiny procent až ppm) linearita kalibračních křivek (v závislosti na povaze vzorku a výběru emisní čáry) zařízení pro přesné zaměření laserového paprsku sledování tvaru kráteru a průběhu ablace CCD kamerou Delay [ Lasor fCCD Spůctťů- rr\i: ter L Cofnputw ■ Kř PL fZ I Analysis Mode DBS í -s použitím vhodné optiky velikost kráterů i pod 1 um (pod 100 um běžně) - geologické materiály - nanotechnologie -biologické materiály -*-c Mapování povrchů > zařízení pro přesné zaměření laserového paprsku > sledování tvaru kráterů a průběhu ablace CCD kamerou > automatizovaný posun vzorku - rastry Mapování povrchu hliníkové slitiny 20 30 40 Distance, \\m 266 nm, 8 uJ .V. Cravetchi et al. / Spectrochimica Acta Part B 59 (2004) 1439-1450 Mapování povrchů 9900 7900 5900 imo 1900 -*00 "i. AI-alloy Matrix -AI-Cu-FoMn Prodpitate AI /. '■■ vü /vf>*i~iJh sz ji Mg A. Vr > 4/ U l 320 330 340 350 360 370 390 390 400 410 Wavclangth, n m identifikovány 2 druhy precipitátu: Al-Cu-Fe-Mn Al-Cu-Mg problém redepozice materiálu kolem kráterů Mni (403.1 nm) Í50-?ao- % * O» «Se ■' G P °f , 150- ■" c 100-5D- •*> • ■3 IP' D 100 200 300 Fe {357 500 B00 70g nm) eoo 25D-20D-150-100-w- Ě re ■ . * m c <>m9m 'í5, . M -*. • 1 ■ ŕ ■ ^s 0 100 200 300 400 bOO 6CŮ 700 SOÍI Cul (324. ä nm} 0 100 200 300 400 500 500 i:.?, Boa Mg I (383.8 nm) • B* * t 5- =■ O • H* •á* - " ä 200- v e J* ■ o 150-100- o j5 >* "i t SO-' <ŕ> 6? í « 9 1536 2536 3&3Ě 4636 S&36 esse BG4 1361 2064 2764 3464 4164 4992 5892 67S2 7B92 SR9? 34&Z 3140 5140 7140 M 40 v f.?, 15140 0 100 200 300 400 500 000 700 800 X [nm] .V. Cravetchi et al. / Spectrochimica Acta Part B 59 (2004) 1439-1450 Mapování povrchů Modified optical microscope Pulse gsneraror Muíti qhgrnel spectrometer OpiiMl fiber Fig. 1. Schiemfltic of thť micro-LIB*i experimental setup. Micro-laser-induced breakdown spectroscopy technique: a powerful method for performing quantitative surface mapping on conductive and nonconductive samples Denis Menut, Pascal Fichet, Jean-Luc Lacour, Annie Rivoallan, and Patnck Mauchien 20 October 2003 Vol. 42, No. 30 APPLIED OPTICS Mapování povrchů iiü». Fig. 3. Resolution of micro LIBS measured on a steel sample during a mapping test. The surface profile wss obtained with the use of a light-phase microscopic interferometer. ! lOBt. -- jo* -- ■t\ 34 ■■ 2 5 I 6 ÍJ Ptobe = LO OObJBcL Fig. 4 Analytical resolution of a laser probe. At least four laser shots are required for the best concentration. Tilu bpfcnlwu- MkicJurlur. ™ "'■'■ -""■: HOm Fig. 6. Mapping of a ceramic pellet surfaoe with 3-um spatial resolution before and after heating of the pellet as o* LU*Hť»Pj+wř,]iiij.. Pig. 6. Calibration of Ce in [CeOs, UOJ pellets. Denis Menut, Pascal Fichet, Jean-Luc Lacour, Annie Rivoallan, and Patnck Mauchien 20 October 2003 Vol. 42, No. 30 APPLIED OPTICS Mapování povrchů stanovení nehomogenit v keramických materiálech stanovení nehomogenit v kovech prostorové rozložení prvků v geologických materiálech, půdách, popílcích High concentration Ldw «mcentratiDř- 100 um 100 m 100 íifn 100 ym Fig. 1. Identification and characterization of the location of an impurity in a steel sample with 3-p.m spatial resolution. Denis Menut, Pascal Fichet, Jean-Luc Lacour, Annie Rivoallan, and Patnck Mauchien 20 October 2003 Vol. 42, No. 30 APPLIED OPTICS Stanovení hloubkového profilu výhody jednoduchost, cena, minimální príprava vzorku, využití pro různé druhy vzorků, atmosférický tlak (další metody - GD-OES, LA-ICP-OES/MS, SIMS, EPXMA) > vliv vlastností laserového paprsku na tvar kráteru a hloubkové rozlišení (vlnová délka, profil paprsku délka pulzu) > široký rozsah - tloušťky vrstev (desítky nm až stovky |jm) Hloubkový profil B Průměrná ablační rychlost (AAR) [nm/pulz] tloušťka vrstvy AAR=------------------------ počet pulzů (x) Hloubkové rozlišení (DR) [um] 16 % DR = AAR*10-3 * počet pulzů (dr) Počet pulzů 34 Vzorky Vzorek Tloušťka Zn vrstvy [|Lim] Obsah Zn [g.cm2] Galfan 6 59 Galvanneal 9 59,1 Electroplated Zn 10 71,1 | Hot dipped Zn 20 131,3 Aluzink 24 36,9 100 200 Krátery 300 500 1500 2500 Electroplated Zn - Sollac, Zn (I) 280,08 nm, Fe (I) 344,06 nm, 100 mJ/pulz, He -20 mm, Ar -15 mm, vzduch -20 mm. 36 3D profily abiačních kráterů po dopadu 200 laserových pulzů o energii 100 mJ Helium Vzduch Vliv časové prodlevy 5 JUS Helium 10 jus Počet pulzů Počet pulzů Electroplated Zn - Sollac, Zn (I) 280,08 nm, Fe (I) 344,06 nm, 100 mJ/pulz, He -20 mm. 38 Hloubkové rozlišení DR = AAR * dr Počet pulzu Helium (100 mJ/pulz) Tloušťka vrstvy Zn [um] DRFe 5 [join] 10 DR Zn [um] 5 10 Vzorek Galfan 6 2 2 28 9 1 I Galvanneal 9 r>j r**> 23 15 I Electroplated Zn 10 4 3 19 5 I Hot Dipped Zn 20 12 7 25 13 Aluzink 24 15 10 28 14 39 Stanovení prostorového rozložení prvků ve vzorcích 3 D mapování > kombinace mapování povrchu a stanovení hloubkového profilu >vliv vlastností laserového paprsku na tvar kráteru, hloubkové a prostorové rozlišení (vlnová délka, profil paprsku délka pulzu) > aplikace na vrstevnaté materiály (keramické dlaždice) > zatím nepříliš rozšířená technika (postery na konferencích) Analýza uměleckých předmětů Hellenic Project for Wider Application (Řecko) množství materiálu 20-200 ng hloubka kráteru 1-20 um průměr kráteru < 100 um iii- i.: ji. li 41D ♦ » 414 Ui 4SD Green paint As 270 280 290 300 310 320 330 Wavelength (nm) Analýza uměleckých předmětů a -AE--fc/í*Jč -T#Ůp«rTa*j--r*u fror Xí K- ToupjLiJlp -rtlŕ ■■- -'. S"1 * - ' H >,'^-m.'UTJ I ŕ.'T.|.' -TD11 fpta . ■,- .' -ľ— T-.i ttJs.h p m-u TTpí iri ■ - ir " nA^ rirfj-ilrn-a-ru * I rprvf' DU' tri*1" i q u év-T^-ir^i f{p- yH^ f 2 cm U#»>44M-tjMPUHÍHI4£> .* ^ ilf ť *ŕ" T"' a wŕ*+r Ď Nfťŕn-i^H tpxm^r-p-S-^fcfifc-ii» ufpnjjji^ ■iŕ-V'P-^ * ďl.V^^ůílí . - n ■ *1' -*" r Ai-pm-níĽTWjjrun ^FR-rTUH^]-3-«rr> .jmouti t up rrf"H j Jr ■ *tti d b- rum"1 o-x-f* iiM -ir-ňf -j-«?f+> ^»^Hii^mj Hfjev-*.-. ?\ji he ■■■#■ i rf Hfiwi ^ y -jij. i .j ■ - - , i c t R- í "= •:■ i - Fjg L. idi The h.ill pije úé rae CDúDuscripL cjurained, ibi j close-up oé ehe illumicůled le-iler T", ic.ďi de-Ľiib oé [he blue- p ú i n I on [he- left ind right port of che horizorilj] line of "T jwpeccivtly, iho»ira£ ibe natu« of the poiac. jnd jj*j JÍíícled in lbe- L]BS adjKiL ■ bus indicate j lípgtb od 144 líiiv K. Melessanaki et al.Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 56(2001)23372346 Analýza uměleckých předmětů 1 cm Fig. 2. Fragment of Roman sculpture: the areas analyzed by LIBS are shown by arrows. Fig. 1. Ceramic sample D29—area? analyzed by LIBS are signed w/J) i Gl—ziazs. (31—olue pigment. (U—gc^den lnsrer. Table 2 De^cripdsn c: bronze samples analyzed Sample Description Dated Finger MN16 MN40 Fragment of Roman :culpmre Coin with head of Mareo Aurelio. weight S g. Coin with head of Nerone. weight 3.3 g. Coin of 5 centesimal, with head of Vittorio Emmanuele H. weight 4.5 a. 1 Century bc AC 140" AC 54 AC 1862 F. Colao et al. /Spectrochimica Acta Part B 57 (2002) 1219-1234 Kombinace LIBS a LIFS > zvýšení citlivosti a selektivity metody kK Monitor IMcitmn S\ xtĽm: Dc\a.\ yeneraior, PC, Diu Je Arrav (a) Lens-optical fibre system Maslir PjIsľ Focusing Ablation Plume Lens Delav Generator Delave i Pulse I Mirror NdYAG leser Ti:Sapphire laser -y Sensitive and selective spectrochemical analysis of metallic samples: the combination of laser-induced breakdown spectroscopy and laser-induced fluorescence spectroscopy: H.H. Telle,, D.C.S. Beddows, G.W. Morris, O. Samek Spectrochimica Acta Part B 56 (2001) 947-960 Kombinace LIBS a LIFS (b) íieam Expander Radiation from doubled Tizsappliinc meze detekce ~ 1 ppm v kovových materiálech Sample and Positioning Stage. ,(Jlan Radiation from Polarisür Fundamental of NdYAG Table 1 Experimental parameters for LIFS for elements investigated in this study. Relevant speetral data are included Element Probe Observation t Experimental Pulse energies wavelength wavelength (ns) set-up Probe (nm) * (nm) * (mj) Ablation OnJ) Al Q K 334.40 (2 u) 396.15 in 425.40 (Zu) 427.48 .™ 428.97 M 425.08 a ta) 432.58 20 430.79 29 L; F L-. F: M L-. F: M :i> L5 2ľ si 251.61 Uta) 288.16 U F I 2ľ Abbrevtarjons: L, laboratory set-up; F? remote fibre set-up; M, remote FTIR modulator set-up. Values for the radiative lifetimes t were obtained from Lide [15]. Kombinace LIBS a LIFS UF5 n ti 427.4 ma 3S1 «43í 9 nm 4tt 429 ÍXtLlätlOjlOÍI 3S4.4Ů Al —p— 3ŕ4 433 Cr T.TF1S 3*5 3Sŕ —i Ti u|qilc:i b« t. ■I •■•"■í I" "II \= hvrnhľwi ŕH 23.4.1«! Ijfťf >l ltJH.4DK kuracou :i:-nŕl:,-n J 3 23 3ftS ', .níl Hill" '■= im UFl U.-11ĽÍ7 1 M3WÍ mV 1 S^M}*? JÍÍGBJM J I í JÍÍ+T.T5 ?V(15>H rfíLäÍJp i-1"- f. Kombinace LIBS a LIFS LIBS-laser optical fiber measuring chamber various directions for plasma observation: Analysis of heavy metals in soils using laser-induced breakdown spectrometry combined with laser-induced fluorescence Frank Hilbk-Kortenbruck,, Reinhard Noll, Peter Wintjens, Heinz Falk, Christoph Becker Spectrochimica Acta Part B 56 (2001) 933-945 Kombinace LIBS a LIFS 1.0 =? 0.8 r 0.5 «5 C Q.4I- ? 0.2 |- 2 Q_ 0.0 -0.2 0.4 h 0.2 - ■ 0.1 - Ĺi_ 0.0 ■ (a) (b) b pJasma ignition -*---'-^------__—__U__u^. BJ3ug/g ľl LIF-ífgnal l Í------r -------1------1------h < oj ug/g ti \\ fai-ni i ■#*WH h J._____1_ 10 15 2D 25 30 35 time (|js) Frank Hilbk-Kortenbruck,, Reinhard Noll, Peter Wintjens, Heinz Falk, Christoph Becker Spectrochimica Acta Part B 56 (2001) 933-94 Kombinace LIBS a LIFS ^^^^^^^^W¥W^ ^^^^^^^^w^ ^^^ iTFTTT--------^^^ arsenic L°___ _Ů______ J cadmium 1* 0 □ i IO n chromium 1 O copper D C o * * lead □ 1 ô 1 mercury D a ( nickel G thallium r& D 1 —■—.....M^ _^MM zinc 1 QD ■ ■ 1 1 1 1 1 ll______h ___b—k. - ■■■■■■■J______1___|_ Ů.1 i-: 100 i ?.:>:, analyte concentration [ug/g] Fi^u 7, Illustration of the detection limits (LODaJ demonstrated with LIBS {a) and LIBS-LI F (a) for the analysis of soils at atmospheric pressure in comparison with German regulator)1 limits for unpolluted soils (ZQ, 0\ The bars depict the range of analyte concentrations covered by the calibration samples. 51P,° E=S41$eV 51S0 E = O.0O0 eV Ä cadmium 6aD^E = 4.4a9eV Frank Hilbk-Kortenbruck,, Reinhard Noll, Peter Wintjens, Heinz Falk, Christoph Becker Spectrochimica Acta Part B 56 (2001) 933-94 (b) thallium Uspořádání pro měření tavenín optický kabel Nd: YAG - Laser AI trubka U. Panne, R. E. Neuhauser, C. Haisch, Remote Analysis of a Mineral Melt by Laser - Induced Plasma Spectroscopy, Appl. Spectrosc. (2002) 56, (3" Nd: YAG laser M ,optický kabel 0 tavenina kelímek polychromátor ICCD PC Spectrolaser 10OOHR 38cm Optika: 4 Czerny-Turner Spektrografy 72cm Detektory: 4 CCD (simultánní režim) 30cm Rozsah: 180-930nm 25kg Rozlišení: ~0.15nm Nd:YAG 1064nm Doba Analýzy: 20 s PharmaLIBS™ 250 \ 52 Los Alamos National Laboratory kontrola nožů na bobech: Zimní Olympijské Hry v Salt Lake City 2002 53 NASA - vývoj marsovského vozítka vybaveného LIBS analyzátorem V součastné době aktuální a rozvíjející se technika: pokrok ve vývoji laserů (spolehlivost, cena, velikost) relativně jednoduchá instrumentace (kompaktní přenosná zařízení) in-situ a on-line monitoring (sondy s optickými vlákny) měření „na dálku" (remote monitoring) aplikace na širokou škálu materiálů - průmysl, životní prostředí, medicína ... vývoj komerčních přístrojů výzkum a vývoj nových metod stanovení Mezinárodní konference LIBS MSLIBS LIBS EMSLIBS LIBS EMSLIBS LIBS EMSLIBS 2000 (Pisa, Itálie) 2001 (Cairo, Egypt) 2002 (Orlando, USA) 2003 (Hersonissos, Kréta) 2004 (Malaga, Španělsko) 2005 (Aachen, Německo) 2006 (Montreal, Kanada) 2007 (Paris, Francie)