CN103411931B

CN103411931B - 基于加权多谱线标定的远程libs元素定量分析方法

Info

Publication number: CN103411931B
Application number: CN201310326465.1A
Authority: CN
Inventors: 万雄; 舒嵘; 王建宇; 亓洪兴
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: CN103411931A

Abstract

本发明公开了一种基于加权多谱线标定的远程激光诱导击穿光谱元素定量分析方法。该方法首先完成测试现场远距离目标LIBS光谱采集，在该过程中定性获得远距离待测目标的主要元素组成及待测元素多条谱线的谱线强度;第二步完成实验室样品定标，获得待测元素多条谱线强度与百分比含量之间的关系拟合方程;最后根据多谱线加权法定量计算待测元素的百分比含量。该方法可较好地解决远程LIBS元素定量分析难题。

Description

基于加权多谱线标定的远程LIBS元素定量分析方法

技术领域

本专利涉及一种激光光谱元素定量分析方法，尤其涉及一种基于加权多谱线标定的远程激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS）定量分析方法。

背景技术

在一些测试人员无法接近的场合，如化学污染区域;岩壁、河谷、溶洞等地形复杂区域，进行物质化学元素组成及含量分析是一个难题，因为测试人员无法采集目标样本进行化学分析。在这种情况下，可利用远程激光诱导击穿光谱（LIBS）探测技术解决。

远程激光诱导击穿光谱（LIBS）探测技术是利用高能量脉冲激光，经过聚焦透镜聚焦到远程的目标表面，在聚焦点上获得瞬时高功率密度的激光脉冲，可使目标表面聚焦点烧蚀、蒸发和电离形成高温、高压、高电子密度的等离子体火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱，可用于探测物质的元素组成。

远程LIBS探测技术的一个重要问题是如何准确分析目标组成元素的含量。由于测试人员无法接近目标，且没有目标元素组成的先验知识，使得定量分析成为一个难题。

为解决远程LIBS元素定量分析问题，本专利提出一种基于加权多谱线标定的远程LIBS元素定量分析方法。首先完成测试现场远距离目标LIBS光谱采集，在该过程中定性获得远距离待测目标的主要元素组成及待测元素多条谱线的谱线强度;第二步完成实验室样品定标，获得待测元素多条谱线强度与百分比含量之间的关系拟合方程;最后根据多谱线加权法定量计算待测元素的百分比含量。

发明内容

本专利的目的在于提供一种基于加权多谱线标定的远程LIBS元素定量分析方法，解决远程LIBS元素定量分析问题。

本专利是这样来实现的，其方法步骤为:

步骤一、完成测试现场远距离目标LIBS光谱采集

在测试现场架设远程LIBS测试设备，在远程LIBS测试设备与远距离目标之间的区域测试人员是无法进入的（例如化学污染区域，崖壁等险恶地理环境等）。利用远程LIBS测试设备获得远距离目标的LIBS光谱数据同时用测试设备上携带的激光测距仪测量远距离目标的距离L，为了提高可靠性并消除扰动，对激光脉冲诱导出的若干次LIBS光谱数据进行平均，获得远距离目标的平均LIBS光谱数据。根据平均LIBS光谱曲线，得到远距离目标的主要元素组成以及待测元素X若干条谱线对应的谱线强度。

步骤二、实验室样品标定

根据步骤一得到的远距离目标的主要元素组成，选择含有待测元素X及目标主要组成元素的若干种化合物，并将这若干种化合物以不同的比列配制若干个样品，用天平测出样品中各化合物的质量，根据分子式分别计算每个样品中元素X的百分比含量。

在实验室中，与测试现场一样的方式安装好远程LIBS测试设备，此时测试人员可在距离远程LIBS测试设备L远的位置上放置样品，对每个样品采集的多次LIBS光谱数据进行平均，分别获得元素X的与步骤一相同的若干条谱线的谱线强度。

以谱线强度为纵坐标，元素X的百分比含量为横坐标，进行线性拟合，获得元素X若干条谱线的拟合直线方程。

步骤三、多谱线加权法定量计算待测元素X的百分比含量K。

根据步骤一得到的元素X若干条谱线对应的谱线强度以及步骤二得到的这些谱线的拟合直线方程，可分别得到待测元素X的基于这些谱线所得的百分比含量。

这些基于元素X不同谱线所得的百分比含量的置信度与这些谱线的谱线强度的权重成正比，根据这些百分比含量的加权平均计算得到待测元素X的百分比含量K。

该方法在实验室条件下，在与现场测试目标相同的距离放置配制的定标样品，并且利用了待测元素的多条谱线进行标定，最后计算的时候依据每条谱线的光谱强度作为权重，利用加权多谱线标定得到待测元素的百分比含量，可解决远程LIBS元素定量分析的难题。

附图说明

图1为本专利的原理图，图中：1——固体脉冲激光器；2——远程LIBS光电系统；3——光纤光谱仪；4——激光测距仪；5——测试现场；6——远距离目标；7——样品A；8——样品B；9——样品C；10——实验室。

具体实施方式

本专利的原理如图1所示，远程LIBS测试设备包括固体脉冲激光器1、远程LIBS光电系统2、光纤光谱仪3及激光测距仪4。

步骤一、完成测试现场远距离目标LIBS光谱采集

在测试现场5架设远程LIBS测试设备，在远程LIBS测试设备与远距离目标6之间的区域测试人员是无法进入的（例如化学污染区域，崖壁等险恶地理环境等）。固体脉冲激光器1发出的激光脉冲经远程LIBS光电系统2聚焦激发远距离目标6诱导形成LIBS光谱信号经远程LIBS光电系统2接收并保存在光纤光谱仪3中。同时用测试装置上携带的激光测距仪4测量远距离目标6离远程LIBS测试设备的距离L，为了提高可靠性并消除扰动，对激光脉冲诱导出的100次LIBS光谱数据进行平均，获得远距离目标6的平均LIBS光谱数据。根据平均LIBS光谱曲线，得到远距离目标6的主要元素组成以及待测元素X谱线I，II，III对应的谱线强度T_I，T_II，T_III。

步骤二、实验室样品标定

根据步骤一得到的远距离目标6的主要元素组成，选择含有待测元素X及远距离目标6主要组成元素的三种化合物，并将这三种化合物以不同的比列配制三个样品A，B，C，用天平测出样品中各化合物的质量，根据分子式分别计算A，B，C中待测元素的百分比含量K_A，K_B，K_C。

在实验室10中，与测试现场5一样的方式安装好远程LIBS测试设备，此时测试人员可在距离远程LIBS测试设备L远的位置上放置样品A7。对样品A7采集的100次LIBS光谱数据进行平均，获得待测元素X谱线I，II，III的谱线强度T_IA，T_IIA，T_IIIA。

类似地，用同样的方法，对样品B8获得待测元素X谱线I，II，III的谱线强度T_IB，T_IIB，T_IIIB;对样品C9获得待测元素X谱线I，II，III的谱线强度T_IC，T_IIC，T_IIIC。

以谱线强度为纵坐标，待测元素X的百分比含量为横坐标，根据坐标点（K_A，T_IA），（K_B，T_IB），（K_C，T_IC）进行线性拟合，绘制待测元素X谱线I的拟合直线方程T(K)_I;用类似的方法，得到待测元素X谱线II的拟合直线方程T(K)_II及谱线III的拟合直线方程T(K)_III。

步骤三、多谱线加权法定量计算待测元素X的百分比含量K。

根据步骤一得到的T_I以及步骤二得到的谱线I的拟合直线方程T(K)_I，可得到待测元素X的基于谱线I所得的百分比含量K_I。类似地，根据T_II与T(K)_II，可得到待测元素X的基于谱线II所得的百分比含量K_II;根据T_III与T(K)_III，可得到待测元素X的基于谱线III所得的百分比含量K_III。

K_I，K_II，K_III的置信度与三条谱线强度T_I，T_II，T_III的权重成正比，根据下式定量计算待测元素X的百分比含量K:

K = \frac{T_{I}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} K_{I} + \frac{T_{II}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} K_{II} + \frac{T_{III}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} K_{III} = \frac{T_{I} K_{I} + T_{II} K_{II} + T_{III} K_{III}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} .

Claims

1.一种基于加权多谱线标定的远程激光诱导击穿光谱元素定量分析方法，其特征在于包括以下三个步骤：

步骤一、完成测试现场远距离目标LIBS光谱采集

在测试现场(5)架设远程LIBS测试设备，在远程LIBS测试设备与远距离目标(6)之间为化学污染区域或险恶地理环境崖壁测试人员无法进入的区域，固体脉冲激光器(1)发出的激光脉冲经远程LIBS光电系统(2)聚焦激发远距离目标(6)诱导形成LIBS光谱信号经远程LIBS光电系统(2)接收并保存在光纤光谱仪(3)中；同时用远程LIBS测试设备上携带的激光测距仪(4)测量远距离目标(6)离远程LIBS测试设备的距离L，为了提高可靠性并消除扰动，对激光脉冲诱导出的100次LIBS光谱数据进行平均，获得远距离目标(6)的平均LIBS光谱数据；根据平均LIBS光谱曲线，得到远距离目标(6)的主要元素组成以及待测元素X谱线I，II，III对应的谱线强度T_I，T_II，T_III；

步骤二、实验室样品标定

根据步骤一得到的远距离目标(6)的主要元素组成，选择含有待测元素X及远距离目标(6)主要组成元素的三种化合物，并将这三种化合物以不同的比列配制三个样品A，B，C，用天平测出样品中各化合物的质量，根据分子式分别计算A，B，C中待测元素的百分比含量K_A，K_B，K_C；

在实验室(10)中，与测试现场(5)一样的方式安装好远程LIBS测试设备，此时测试人员在距离远程LIBS测试设备L远的位置上放置样品A(7)；对样品A(7)采集的100次LIBS光谱数据进行平均，获得待测元素X谱线I，II，III的谱线强度T_IA，T_IIA，T_IIIA；

类似地，用同样的方法，对样品B(8)获得待测元素X谱线I，II，III的谱线强度T_IB，T_IIB，T_IIIB；对样品C(9)获得待测元素X谱线I，II，III的谱线强度T_IC，T_IIC，T_IIIC；

以谱线强度为纵坐标，待测元素X的百分比含量为横坐标，根据坐标点(K_A，T_IA)，(K_B，T_IB)，(K_C，T_IC)进行线性拟合，绘制待测元素X谱线I的拟合直线方程T(K)_I；用类似的方法，得到待测元素X谱线II的拟合直线方程T(K)_II及谱线III的拟合直线方程T(K)_III；

步骤三、多谱线加权法定量计算待测元素X的百分比含量K

根据步骤一得到的T_I以及步骤二得到的谱线I的拟合直线方程T(K)_I，可得到待测元素X的基于谱线I所得的百分比含量K_I；类似地，根据T_II与T(K)_II，可得到待测元素X的基于谱线II所得的百分比含量K_II；根据T_III与T(K)_III，可得到待测元素X的基于谱线III所得的百分比含量K_III；

K_I，K_II，K_III的置信度与三条谱线强度T_I，T_II，T_III的权重成正比，根据下式定量计算待测元素X的百分比含量K：

K = \frac{T_{I}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} K_{I} + \frac{T_{II}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} K_{II} + \frac{T_{III}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} K_{III} = \frac{T_{I} K_{I} + T_{II} K_{II} + T_{III} K_{III}}{T_{I} + T_{II} + T_{III}} .