技術(shù)背景

激光作用于樣品在極短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生含有樣品物質(zhì)的等離子體，等離子體產(chǎn)生的過程中，發(fā)射出帶有樣品元素信息的發(fā)射光譜，通過檢測(cè)這些發(fā)射光譜，得到樣品元素含量信息。這種技術(shù)被稱為激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS,Laser Induced Breakdown Spectroscopy ），俗稱激光光譜元素分析技術(shù)。該技術(shù)由于無需或極少需要樣品前處理，針對(duì)固體樣品也可數(shù)秒鐘得到測(cè)量結(jié)果，幾乎可檢測(cè)元素周期表上全部元素，并且可多元素同時(shí)檢測(cè)，而在陸地生態(tài)、地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、鋼鐵冶金、材料科學(xué)、生命科學(xué)、海洋地質(zhì)、寶石鑒定、重金屬污染檢測(cè)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

系統(tǒng)介紹

WD-J200激光光譜元素分析儀是在我司引進(jìn)的基于勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室30多年激光基礎(chǔ)理論研究成果推出的LIBS元素分析儀產(chǎn)品基礎(chǔ)上，配備專用樣品室、壓片制樣單元、專用操作系統(tǒng)和顯示單元等進(jìn)行集成的一套更符合我國(guó)用戶操作使用習(xí)慣的專業(yè)產(chǎn)品?？?/span>應(yīng)用于定性和定量分析土壤、植物、巖石礦物、合金、煤粉等多種物質(zhì)中組分元素含量。

系統(tǒng)功能

快速檢測(cè)土壤、植物、中草藥、刑偵材料（玻璃、油墨等）、礦石、合金等樣品中的：

Ø 常量元素N, P, K, Ca, Mg, S

Ø 微量元素Fe, Cu, Mn, Zn, B., Mo, Ni, Cl

Ø 痕量元素：可檢測(cè)化學(xué)周期表上幾乎所有元素

Ø 其他：有機(jī)元素C、H、O和

輕元素

Ø Li、Be、Na等（其他技術(shù)很難分析）檢出限達(dá)ppm級(jí)

工作原理

WD-J200激光光譜元素分析儀的固體激光器產(chǎn)生激光通過光路系統(tǒng)作用于樣品表面。當(dāng)激光能量大于樣品擊穿門檻能量時(shí)，在樣品表面形成等離子體。這些等離子體中受激光能量激發(fā)到達(dá)高能態(tài)的樣品物質(zhì)在迅速回遷至低能態(tài)的過程中，發(fā)射出帶有樣品元素種類、含量信息的發(fā)射光譜，這些發(fā)射光譜信號(hào)被智能信號(hào)收集系統(tǒng)收集并傳輸至光譜儀中進(jìn)行分光，再由CCD檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，得到元素信息。

硬件特點(diǎn)

WD-J200激光光譜元素分析儀的激光器能量輸出連續(xù)可調(diào)，可做到分層剝蝕，從而得到葉片、根莖、巖層、礦石等樣品同一點(diǎn)不同深度的元素含量和元素分布圖（elements mapping)，而且對(duì)于不同的樣品可選擇合適的能量范圍，避免了過高的能量將植物等樣品燒穿。同時(shí)，還可以確保每個(gè)采樣點(diǎn)的激光脈沖能量穩(wěn)定一致，得到高精度定量結(jié)果。

WD-J200測(cè)量結(jié)果可重復(fù)，數(shù)據(jù)可靠。WD-J200激光光譜元素分析儀采用高度自動(dòng)調(diào)整、激光能量穩(wěn)定閥、3D全自動(dòng)操作臺(tái)，具備的自動(dòng)化水平。剝蝕導(dǎo)航激光和樣品高度自動(dòng)調(diào)整傳感器相結(jié)合，解決了若樣品表面凹凸不平而剝蝕不均、導(dǎo)致元素含量值誤差大的問題，確保了到達(dá)樣品表面的激光能量均勻，使所有采樣點(diǎn)的激光燒蝕均勻一致，而不用考慮樣品凹凸不平帶來的影響。

激光光斑大小（到達(dá)樣品表面的燒蝕光斑直徑）可調(diào)，可進(jìn)行多種分析：全分析、夾雜物和微光斑分析、深度分析和元素分布制圖等。在做夾雜物和塊體的化學(xué)分析時(shí)，如檢測(cè)含包裹體的地質(zhì)樣品中包裹層和周圍塊體的化學(xué)元素時(shí)，此功能的作用表現(xiàn)更為明顯。

采用緩沖氣和低壓室增強(qiáng)分析信號(hào)，樣品室提供兩種測(cè)量環(huán)境：大氣壓或低壓條件下的氬氣和氦氣環(huán)境。我們公司不但可提供固體樣品室，同時(shí)還可根據(jù)用戶需求配置氣體樣品室、液體樣品室，并通過設(shè)置可自動(dòng)切換的光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣、液樣品室及固體樣品室在同一LIBS系統(tǒng)中的自由切換，測(cè)量過程中無需人為拆卸，實(shí)現(xiàn)了樣品室切換的自動(dòng)化。

采用全自動(dòng)高精度XYZ三維樣品臺(tái)，提高分析精度。在進(jìn)行元素分布（elemental mapping)時(shí)，更高的行程分辨率能得到更為精確的元素分布圖。

自動(dòng)樣品高度調(diào)整功能，解決樣品表面凹凸不平，保持相同的激光焦點(diǎn)，提供相同的激光能量，確保所有采樣點(diǎn)的激光剝蝕均勻一致。

系統(tǒng)可配置ICCD和CCD雙檢測(cè)器，單次測(cè)量譜寬達(dá)190-1040 nm。雙檢測(cè)器可專門、順序、快速用于檢測(cè)氣液樣品及固體樣品檢測(cè)，無需手動(dòng)更換樣品室，實(shí)現(xiàn)了樣品室快速轉(zhuǎn)化的自動(dòng)性。同時(shí)，可快速檢測(cè)未知樣品的全部元素組成并對(duì)其中有研究意義的某個(gè)或某部分元素進(jìn)行深度定量分析，開創(chuàng)了LIBS測(cè)量更多的可能性，使檢測(cè)范圍更廣、分析更精確。

WD-J200光譜儀檢測(cè)器不受外界環(huán)境溫度影響，無需進(jìn)行特殊的環(huán)境控制，使用壽命長(zhǎng)。新型集光鏡提高檢測(cè)靈敏度。在UV ~ NIR的全光譜段均勻、恒定、限度地收集等離子體發(fā)射譜線，并限度減少色差。

雙CMOS彩色相機(jī)，廣角用于定位采樣區(qū)域，高倍成像用于觀察某一特定區(qū)域，自動(dòng)聚焦。用戶可先捕捉寬視野樣品表面圖像，然后使用保存的圖像瀏覽不同樣品區(qū)域，再高倍放大某一區(qū)域進(jìn)行研究。

WD-J200激光光譜元素分析儀采用模塊化設(shè)計(jì)，易于更新。激光器和光譜儀（檢測(cè)器）可根據(jù)樣品的種類及用戶的研究目的進(jìn)行升級(jí)，甚至配置雙檢測(cè)器；WD-J200 激光光譜元素分析儀可升級(jí)至WD-J200激光質(zhì)譜聯(lián)用元素分析儀，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用：除了直接元素分析外，還可作為進(jìn)樣系統(tǒng)與ICP-MS聯(lián)用，避免了ICP-MS分析中繁雜的樣品前處理過程，這是我們WD-J200 激光光譜元素分析系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

軟件特點(diǎn)

Axiom LIBS軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所有硬件組件的控制。提供多種采樣模式，包括直線、曲線、隨機(jī)點(diǎn)、網(wǎng)格任意大小和自定義采樣等。通過設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人值守的條件下自動(dòng)采樣。單脈沖采用數(shù)秒可完成。多次采樣時(shí)，軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)LIBS的強(qiáng)度 ，監(jiān)控信號(hào)質(zhì)量，獲得精確的定量分析結(jié)果。

真正意義的TruLIBS™數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是經(jīng)過激光燒蝕得到的元素特征譜線數(shù)據(jù)庫(kù)，是真正意義的LIBS等離子體光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。與NIST光譜數(shù)據(jù)庫(kù)相比，TruLIBS™數(shù)據(jù)庫(kù)能快速、準(zhǔn)確地識(shí)別LIBS發(fā)射譜線。各種搜索功能，如波長(zhǎng)范圍、元素種類和等離子體激發(fā)態(tài)，將搜索時(shí)間縮短至幾秒。TruLIBS™允許用戶直接上傳LIBS光譜曲線，進(jìn)行譜峰的識(shí)別和標(biāo)記。

采用NIST光譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)同一激光光譜進(jìn)行判別，不能有效判別元素特征譜線

采用TruLIBS™數(shù)據(jù)庫(kù)可有效辨別元素特征譜線

系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件功能強(qiáng)大。能任意選取譜線及背景，自動(dòng)計(jì)算譜線的凈強(qiáng)度；計(jì)算兩個(gè)波峰之比；自動(dòng)計(jì)算所有波峰的標(biāo)準(zhǔn)偏差；同步分析所有文件夾及目錄下的測(cè)量數(shù)據(jù)。

定性分析 定量分析

尋找和鑒別元素

多變量曲線建

從上圖可看出：多變量標(biāo)準(zhǔn)曲線（右），相較于單變量標(biāo)準(zhǔn)曲線（左）大大降低了分析誤差

制定標(biāo)定曲線，完成高精度定量分析。軟件通過標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)做出標(biāo)準(zhǔn)曲線，再選擇被測(cè)樣品的一種或多種元素發(fā)射光譜進(jìn)行標(biāo)定，得到這些元素的濃度及其檢測(cè)限，方法準(zhǔn)確簡(jiǎn)單而快速。軟件可建立單變量和多變量兩種標(biāo)準(zhǔn)曲線。單變量標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)于基質(zhì)較為簡(jiǎn)單的樣品分析效果較好，但對(duì)于基質(zhì)較為復(fù)雜的樣品，例如土壤、植物樣品則效果不好，這是因?yàn)榛|(zhì)中其它元素對(duì)目標(biāo)元素的影響。采用多變量標(biāo)準(zhǔn)曲線能更好降低其它元素的影響，使分析結(jié)果更為精確。

WD-J200軟件系統(tǒng)具有*的數(shù)據(jù)分析工具，實(shí)現(xiàn)化學(xué)統(tǒng)計(jì)功能。如：PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等。并可通過樣品某一特定元素的二維或三維分布制圖，形象展示樣品元素的分布。

WD-J200能跟蹤信號(hào)統(tǒng)計(jì)。軟件可比較多個(gè)譜線；實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)譜線的峰值強(qiáng)度，幫助優(yōu)化采樣模式；還可檢測(cè)激光的一致性和每個(gè)光閃的變化。具有譜線自動(dòng)識(shí)別功能：方便實(shí)現(xiàn)樣品元素含量的定量分析，方便實(shí)現(xiàn)樣品表面元素分布制圖功能。

樣品分類

元素二維或三維空間分布制圖

技術(shù)參數(shù)

一、工作條件：

1、適于在氣溫20℃±5℃，相對(duì)濕度0-65％的環(huán)境條件下長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,正常實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，無需超凈或特殊實(shí)驗(yàn)環(huán)境；

2、適于功率在110VAC-240VAC (5-10AMP), 50/60 Hz的供電條件下長(zhǎng)期正常工作；

3、系統(tǒng)工作臺(tái)需≥37〃(長(zhǎng)度) X 27〃(寬度) X 25〃（高度）,承重≥300磅；

二、技術(shù)規(guī)格與要求

1、激光源：Nd:YAG納秒級(jí)固體激光器，激光波長(zhǎng)266nm，平頂光束剖面，自動(dòng)激光光閘，連續(xù)可變光學(xué)衰減器。另有1064nm光源可選，其他規(guī)格可定制。

1.1激光脈沖能量：25 mJ/Pulse@266nm，能量輸出0-100%可調(diào)；

1.2激光重復(fù)頻率： 20Hz，連續(xù)可調(diào)；

1.3脈沖寬度：＜6ns ；

1.4光斑大小：光斑尺寸20 -200μm連續(xù)可選，配有精確光斑控制單元

2、CCD增強(qiáng)型光譜儀：譜寬：190－1040nm，6通道， CCD線性陣列檢測(cè)器，門延遲控制時(shí)間0.5ns-1ms，高靈敏度，分辨率0.5ns。

2.1光譜精度：優(yōu)于±0.05nm

2.2光譜分辨率： 0.08nm@500nm

2.3帶雙檢測(cè)器接口，可升級(jí)。

3、樣品室：密閉式設(shè)計(jì)，內(nèi)部空間100mm×100mm，帶可互換的裝載墊，樣品倉(cāng)可充入氬氣或氦氣等惰性氣體。

4、主機(jī)自帶DI水冷系統(tǒng)，為單獨(dú)外循環(huán)過濾器，具有過載安全保護(hù)功能。

5、氣路控制系統(tǒng)：軟件自動(dòng)控制載氣流量及方向，多種氣流模式。

5.1氣體控制器：控制載氣進(jìn)出樣品倉(cāng)，電磁氣控閥樣品倉(cāng)的氣路，集氣管可防止顆粒物堆積而產(chǎn)生記憶效應(yīng)，易拆卸，便于定期清洗；

5.2數(shù)字流量控制器：控制泵入樣品倉(cāng)的氣體流量，可通過軟件對(duì)載氣或補(bǔ)充氣進(jìn)行自動(dòng)排序和控制，防止等離子體熄火；

6、全自動(dòng)樣品操作臺(tái)：步進(jìn)馬達(dá)、 X-Y-Z三維控制,超級(jí)穩(wěn)固Z軸臺(tái)，速度0-10mm/s。

6.1 X-Y軸行程 100mm x 100mm, 步進(jìn)分辨率0.2μm，Z 軸：行程35mm, 步進(jìn)分辨率1μm；

6.2樣品高度自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)：自動(dòng)調(diào)整樣品高度，保證打在樣品表面各剝蝕點(diǎn)的激光能量均勻穩(wěn)定。由@670nm 紅定位激光及三角高度自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器組成，高度自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器用于控制樣品表面凹凸不平對(duì)剝蝕效果的影響，紅定位激光用于指示剝蝕點(diǎn)，并提供Z 軸位置反饋信息給三角高度傳感器。

7、顯微觀察及成像系統(tǒng)：具有主輔兩套觀察系統(tǒng)，分別顯示顯微放大圖像和廣角導(dǎo)航圖像，全部兼容。

7.1高分辨率雙CMOS相機(jī)，可光學(xué)變焦；個(gè)大視野相機(jī)廣角鏡頭用于樣品的區(qū)域定位導(dǎo)航，全范圍觀察樣品；第二個(gè)相機(jī)高倍放大鏡頭用于顯微、聚焦燒蝕點(diǎn)，便于觀察樣品燒蝕區(qū)域及過程；

7.2內(nèi)置1280x1024 CMOS 彩色成像系統(tǒng)，與定位系統(tǒng)配套使用。

8、照明系統(tǒng)：高強(qiáng)度LED泛光，照明亮度可選并由軟件控制；

9、操作軟件：軟件可控制所有的機(jī)械和電子功能，包括采樣模式、激光脈沖能量、光斑大小、重復(fù)率、采樣點(diǎn)定位、自動(dòng)聚焦、樣品室三維移動(dòng)、樣品倉(cāng)氣流（開／關(guān)，流速）、門延遲時(shí)間等參數(shù)；

9.1采樣模式：能夠設(shè)定和在一系列剝蝕模式中選擇，具有單點(diǎn)分析、深度分析、多點(diǎn)矩陣分析、柵格掃描、mapping掃描、單線掃描、多線掃描、自定義圖形等剝蝕掃描功能；

9.2可在無人值守模式下，自動(dòng)按照預(yù)先選定的設(shè)置進(jìn)行分析；

9.3軟件可與Windows™7 系統(tǒng)或更高系統(tǒng)兼容；

9.4軟件能保存不同的硬件命令，并按時(shí)間排序以自動(dòng)完成測(cè)量，同時(shí)可在今后調(diào)用。

10、LIBS數(shù)據(jù)分析軟件包：不僅內(nèi)置NIST元素譜線數(shù)據(jù)庫(kù)，更自帶TruLIBS元素特征光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋元素周期表上幾乎所有元素，允許上傳測(cè)量譜線并儲(chǔ)存，用于下次同類樣品的標(biāo)記和比較。

10.1可進(jìn)行定性、定量（單變量和多變量）、元素分布mapping制圖、樣品分類鑒別、樣品指紋數(shù)據(jù)庫(kù)建立等多種分析功能，對(duì)于土壤類樣品可以通過建立樣品數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，判別是否同源及產(chǎn)地分類，無需第三方軟件。

11、操作平臺(tái)

11.1專用i7臺(tái)式電腦及24”顯示器

11.2操作系統(tǒng)：Window 7 正版或更高版本。

12、激光產(chǎn)品安全等級(jí)：Class I（安全機(jī)箱并帶有互鎖裝置）。

13、專業(yè)工程師現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、培訓(xùn)，提供終身儀器維修維護(hù)服務(wù)。

14、壓片機(jī)：壓力：10-35噸；壓板面積：直徑8cm；內(nèi) 部調(diào)節(jié)范圍：可調(diào)整5-15cm；上部鏍栓可調(diào)范圍9cm；尺寸：約58cm×28cm×82cm，重量：約55kg。

15、整套系統(tǒng)總重量≥120Kg。

應(yīng)用案例

1、土壤常量元素和微量元素的LIBS分析

將不同來源的9個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行壓片前處理，使用WD-J200的LIBS設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)分析。采用專業(yè)的分析軟件包對(duì)光譜圖中的峰值進(jìn)行了識(shí)別和標(biāo)注。本案例關(guān)注的重點(diǎn)是土壤中的常量元素（P、Ca、Mg、K）和微量元素（C、B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn）。

每個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品上的激光燒蝕采樣點(diǎn)均為5×5的網(wǎng)格（即25個(gè)采樣點(diǎn)）。采用分析軟件包中自帶的主成分分析功能（PCA）進(jìn)行分析，并對(duì)分析結(jié)果的精確度和樣品類型判別能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。圖1為9個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品的PCA三維分析結(jié)果圖。9個(gè)被分析的標(biāo)準(zhǔn)樣品中，25、27、28號(hào)樣品各自的25個(gè)采樣點(diǎn)的分析結(jié)果在PCA三維圖中的位置相對(duì)于其它樣品顯示更為緊湊，這表示這三個(gè)樣品的分析結(jié)果更為精確（即25個(gè)采樣點(diǎn)的分析結(jié)果差異性更?。?。9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的分析結(jié)果在PCA三維圖上顯示出良好的分離狀態(tài)，這表示分析結(jié)果能良好的判斷出這9個(gè)樣品為不同類型（來源）土壤樣品。

采用的數(shù)據(jù)分析軟件包建立了C元素的多變量標(biāo)準(zhǔn)曲線。圖關(guān)鍵詞：元素分析儀 光譜儀 傳感器 工作臺(tái) 水冷系統(tǒng)