元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量在汞測(cè)量中分析

夏 銳，周 佳，王 偉

（1.新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司，新疆 石河子 832000；2.新疆兵團(tuán)現(xiàn)代綠色氯堿化工工程研究中心（有限公司），新疆 石河子 832000）

元素引起的激光高能量短脈沖激光光譜測(cè)量技術(shù)是樣品表面，刺激形成的等離子體，通過等離子體發(fā)射光譜的分析，確定樣品的組成材料，該技術(shù)不需要對(duì)固體樣品進(jìn)行預(yù)處理，可以迅速分析樣品形態(tài)，，是近年來研究的熱點(diǎn)[1]。被廣泛應(yīng)用于污染檢測(cè)和工業(yè)檢測(cè)。傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)元素光譜測(cè)量受體積的限制，難以滿足軍事防御對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)的需求。在等離子體中受激原子和離子的弛豫過程中，一些能量會(huì)以光的形式輻射出去。該輻射具有明顯的元素特征，并由光譜儀記錄分析，對(duì)固體、液體和氣體樣品中的化學(xué)元素進(jìn)行定性分析。除了元素發(fā)射的特征峰外，光譜還顯示了帶電離子不軔致輻射產(chǎn)生的輻射，形成連續(xù)的背景線，不影響元素的識(shí)別，為此，應(yīng)用元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量方法，測(cè)量汞元素的靈敏性。

1 樣品提取

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

汞是一種液體樣品，目前的元素分析工具主要為固體，直接分析液體樣品的元素測(cè)量方法較少，但可以完全利用元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量來分析液體樣品[2]。當(dāng)脈沖激光束聚焦在水銀液體上時(shí)，會(huì)引起液體濺起水花。因此，該技術(shù)可用于汞樣品的元素分析。為了防止汞測(cè)量的過程中出現(xiàn)液體濺射的現(xiàn)象，需要在透鏡和探測(cè)窗上，將液體形成的氣泡消除，這樣才不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以下是元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量示意圖，如圖所示。

圖1是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，當(dāng)汞液體氣泡形成時(shí)，會(huì)改變激光束和液體表面的夾角，導(dǎo)致譜線的輕度不夠穩(wěn)定，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中采用的激光脈沖能量為10MJ，脈沖頻率為5HZ，延遲時(shí)間為2μs，積分時(shí)間為1ms。實(shí)驗(yàn)環(huán)境在常溫常壓下進(jìn)行，為了防止樣品表面出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，在每一個(gè)樣品表面選取5個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)樣品型號(hào)和成分組成情況，如下所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品型號(hào)和成分組成情況

表1是實(shí)驗(yàn)樣品型號(hào)和成分組成情況，實(shí)驗(yàn)中要對(duì)每個(gè)位置測(cè)試20次以上，需要注意的是，樣品表面在實(shí)驗(yàn)過程中可能受到污染，所以在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)樣品表面進(jìn)行清洗和燒蝕。實(shí)驗(yàn)中不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。

2 結(jié)果分析

利用元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量在汞測(cè)量中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量對(duì)汞元素進(jìn)行測(cè)量時(shí)，汞元素濃度較低，誤差較小，說明該方法對(duì)汞測(cè)量適用性較強(qiáng)。

3 討論

汞是由多種元素組成，除了要測(cè)量成分，還需要對(duì)化學(xué)組成的變化進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，在測(cè)量的過程中汞的化學(xué)成分會(huì)發(fā)生變化，容易引起平均原子序數(shù)對(duì)元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量系數(shù)的變化，不同的樣品測(cè)試的結(jié)果不同，吸收系數(shù)也會(huì)有所變化，會(huì)直接影響原子發(fā)射譜線和元素含量之間的線性關(guān)系，這一線性統(tǒng)稱為“基體效應(yīng)”[3]。通過對(duì)這三種樣品的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)汞會(huì)受周圍環(huán)境因素的影響，在進(jìn)行激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等離子體參數(shù)引起的誤差大體相當(dāng)，因此，在激光脈沖作用到汞樣品時(shí)，需要觀察汞的生命周期，以及周圍環(huán)境氣體和激光波長(zhǎng)對(duì)它的影響。

另外，激光光源與材料之間的耦合效應(yīng)不同，不同樣品產(chǎn)生的等離子體狀態(tài)也不同。在激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量技術(shù)中，影響最終分析性能的因素很多。通過以上論證可以看出，理論分析方法和試樣溫度是不容忽視的重要因素。在計(jì)算汞元素濃度時(shí)，采用了標(biāo)定曲線法和自由標(biāo)定法兩種方法。這兩種方法的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證[4]。定標(biāo)曲線測(cè)量法容易受激光參數(shù)的影響，對(duì)等離子體的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的依賴。而自由定標(biāo)法是基于理想的等離子體模型，所以，在實(shí)驗(yàn)中還有待驗(yàn)證。在對(duì)汞進(jìn)行采集的過程中，需要合理的設(shè)置感光器，觀察汞形成初期產(chǎn)生的光譜。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在滿足汞元素處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)的條件下，光譜譜線強(qiáng)度與汞元素所包含的含量呈線性關(guān)系，既可以通過光譜中譜線強(qiáng)度對(duì)汞元素進(jìn)行定量分析。

元素激光誘導(dǎo)光譜法是一種快速、簡(jiǎn)便、靈敏的元素監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)腆w和氣體等不同形態(tài)樣品進(jìn)行在線檢測(cè)，目前已經(jīng)有很多企業(yè)將其用于生物醫(yī)藥和材料等多個(gè)領(lǐng)域，然而，仍有一些地方需要改進(jìn)[5]。不同樣品對(duì)激光能量的要求不同，對(duì)定量分析的精準(zhǔn)度要求較高，這也是許多研究這需要努力克服的問題。

4 結(jié)語

近幾年來，為了了解元素激光誘導(dǎo)光譜法的優(yōu)點(diǎn)，其研究主要集中在提高靈敏度和準(zhǔn)確度上，研究元素激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量在汞測(cè)量中的應(yīng)用，分析該技術(shù)在汞測(cè)量中的應(yīng)用效果。通過實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)具有一定的實(shí)用性。