基于分子自由基受控合成的非金属元素共振激发激光诱导击穿光谱检测方法研究

The concentration of non-metallic elements is important to materials’ performance, and conventional detection techniques are complex and time-consumed. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a fast and promising detection technology for non-metal elements. However, the detection sensitivity and accuracy on non-metallic elements using LIBS is still unsatisfactory because of their high ionization energy. This project proposes a new method of non-metallic elemental detection using LIBS assisted with laser-induced fluorescence (LIF) and controlled combination of molecular radicals . Namely, by combining non-metallic elements with other elements in laser-induced plasmas artificially, the active and stable molecules radicals with strong spectral lines for detection will be generated. Moreover, LIBS-LIF will be utilized to enhance the molecular radical spectra with high efficiency and selectivity to further improve analysis accuracy and sensitivity. In this project, target molecular radicals’ combination process and mechanism, LIBS-LIF experiments and mechanism, non-metallic quantitative analysis and its applications, will be investigated systematically. The content involved includes not only scientific content but also engineering values and it will improve the accuracy, precision and reliability of LIBS, which might solve the long-standing scientific and technical problem of non-metallic elements detection using LIBS and provide a powerful support for wide applications of LIBS.

非金属元素的含量对材料的性能起着重要的作用，常规的检测方法操作复杂，效率低。激光诱导击穿光谱技术是一种极具发展潜力的非金属元素快速检测技术，然而由于非金属元素原子电离能较高，利用它进行检的测灵敏度和准确度较低。基于此，本项目提出构造非金属元素自由基的共振激发激光诱导击穿光谱检测新方法，即利用非金属元素与其他元素在等离子体中受控合成谱线强度高、稳定性好的分子自由基，并利用共振激发技术选择性增强分子自由基的分子发射光谱强度，提高非金属元素检测的灵敏度和准确度。本项目将系统地研究目标分子自由基主动构造方法及机理、共振激发光谱增强实验及机理、非金属元素定量分析方法及其应用。相关研究内容既有丰富的科学内涵又有重要的应用意义。项目成果有望从根本上解决非金属元素快速检测的科学难题，大幅度提高激光诱导击穿光谱技术对非金属元素定量分析的准确度、精密度和可靠性，为激光诱导击穿光谱技术的广泛应用提供有力的支撑。

非金属元素的含量对材料的性能起着重要的作用，因此材料中非金属元素快速、高灵敏度检测已成为工业领域的必然要求。然而，传统的物质检测方法存在预处理过程复杂、操作复杂和效率低的等问题而难以广泛应用。激光诱导击穿光谱检测技术（Laser-induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）因具有样品处理简单、检测速度快、可在线检测等优点，是一种极具发展潜力的非金属元素快速检测技术。但是，由于非金属元素原子电离能较高，利用原子谱线进行检测的测灵敏度和准确度较低。基于此，本项目提出构造含非金属元素分子自由基的共振激发激光诱导击穿光谱检测新方法，系统研究了分子自由基的主动构造方法及机理、共振激发增强分子自由基光谱强度的方法和机理、分子自由基的定量分析方法和共振激发分子自由基的应用检测研究。具体研究内容如下：. 针对待测物质不具备分子自由基激发条件的难题，研究了气雾化辅助、研磨混合、基体辅助和激光烧蚀辅助等受控合成分子自由基的方法，并研究了受控合成分子自由基时供给元素的选择方法。研究结果表明，受控合成可以有效促进含非金属元素分子自由基的形成，得到较强的分子自由基发射光谱。. 研究了各实验参数对共振激发分子自由基发射光谱强度的影响，并研究了共振激发分子自由基的能级选择问题。上述研究结果表明，共振激发实验中的采集延时、门宽不同于常规LIBS，两激光的脉冲间隔延和共振激发目标分子自由基的能级对共振激发效果影响较大。. 研究了分别采用分子自由基单谱峰强度和谱带积分面积对待测元素的定量分析结果，并研究了通过多元回归算法对分子自由基光谱检测的定量分析性能的进一步改善情况。研究结果表明，采用带积分强度和多元回归算法，可以有效提高分子自由基光谱检测的分析性能。. 研究了基于主动构造分子自由基的LIBS和LIBS-LIF光谱检测定量分析方法在不同基体中对非金属元素的分析能力，并进行了实验验证。研究结果表明，利用含待测元素的分子自由基发射光谱代替其原子发射光谱可以有效提高LIBS技术对非金属元素的检测灵敏度，实现目标元素的高灵敏度分析。. 综上所述，通过主动构造分子自由基的方法，并结合共振激发增强分子自由基发射光谱的理论和方法，可以有效提高LIBS分析非金属元素的检测灵敏度和准确度。