基于LIBS的水泥中金属成分定量分析方法研究
时间：2021-01-09 08:00:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：进入21世纪以后，随着国内经济的快速发展与大家生活水平的提高，我国水泥工业迅速发展，现如今，水泥產业达到极大的规模，水泥的年产量也随之不断增加。对水泥的元素成分进行分析，是对水泥进行分类和检测的有效方法，相比于传统的水泥成分检测方法，激光诱导击穿光谱法（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy简称LIBS）拥有样品制备过程简单，检测速度快，一次可检测多种元素等总多的优点。极其适用于对水泥成分的快速检测。本文首先介绍了LIBS技术的国内外发展及现状，然后通过分激光诱导击穿光谱技术的原理，提出了水泥成分的LIBS测量系统。通过对比激光能量，积分时间，延迟时间等不同实验条件对水泥的LIBS光谱的影响，得到水泥LIBS定量分析的最佳参数，以水泥中的Fe元素为例，进行定量检测，通过对7中浓度不同的水泥样品进行LIBS实验，得到定标曲线。最后采用循环反演的方法分析实验误差。最终测量结果表明，使用激光诱导击穿光谱技术对水泥中的金属元素进行定量分析有较高的测量精度。
关键词：水泥；激光诱导击穿光谱技术；定量分析；循环反演
1.课题研究背景
自1978年以来，我国水泥的产量就表现出长期稳定且快速增长的趋势，特别是进入21世纪以后，随着我国经济的持续的快速的发展，水泥已经成为国民经济发展、建筑施工中不可或缺的基础原材料之一，各行各业对水泥的需求量增加，导致国内水泥产量逐渐提高，现如今社会的生产建设已离不开水泥，在各个领域都需要水泥的应用，不仅仅是我们常见的房地产开发，桥梁建设等土木工程施工中需要水泥的使用，在开发海洋，造船业，铁路建设，机械工程等行业也需要水泥的大量使用[2]，然而，水泥产量的不断增加给我们的生活带来了便利的同时，也造成了严重的环境污染，所以，我们可以通过分析水泥中的元素的化学成分与浓度来分类处理废弃的水泥混凝土[4]，从而减少这些废弃混凝土带来的损失，减少其对环境的危害。
2.LIBS技术的发展
激光诱导击穿光谱技术的首次发现并提出是在1962年，但由于当时激光技术等各种条件的限制，在各个领域中并没有得到快速的发展及使用[8]，过了将近20年，随着科技的进步，各方面条件的改善及激光器与其相关激光技术的快速发展，激光诱导击穿光谱技术由于其独特的优势逐渐被使用到各个行业的各种元素的定性与定量分析之中 [9]
3.水泥中金属元素LIBS定量分析的参数影响
在用激光诱导击穿光谱技术对水泥成分进行定向分析的过程中，需要考虑激光能量、积分时间、延迟时间、缓冲气体及激光在样品表面同一点激发次数等实验条件的改变都会都光谱信号的强度产生较大的影响。所以，在采用激光诱导击穿光谱技术对水泥中的金属元素进行定量分析之前，需要通过实验找到最佳的相关实验参数，这对提高等离子体光谱定量检测水泥中金属元素准确度具有较大的帮助。在本次实验中，由于时间有限，主要研究了积分时间、延迟时间和同一点激发次数对实验的影响。选用高铝水泥作为样品进行水泥中金属元素的LIBS定量检测，以铁元素为研究对象，对比了不同条件对光谱信号强度的影响。
4.水泥中金属元素LIBS 定量分析方法
在使用激光诱导击穿光谱技术对待测元素进行定量分析时，常用的定量分析方法有：定标法、神经网络预测法、自相关定量分析法等。其中定标法又分为外标法和内标法两种，相对于其他分析方法，定标法的原理简单，且在激光诱导光谱技术对待测元素进行定量分析时具有较高的检测精度。
本次实验使用的是定标法中的内标法，这也是激光诱导光谱实验中自激光诱导击穿光谱技术发现以来使用的最早，应用最为广泛的定量分析方法。其原理是，先通过分析元素浓度已知的标准物质进行光谱实验以得到对应浓度的元素的特征光谱，然后通过元素的浓度与谱线上的特征光谱强度之间的关系，建立该元素的定标模型，从而得到定标曲线。再对浓度未知的待测元素进行光谱实验，得出光谱数据，然后以得到的定标曲线为参考，通过元素浓度未知的样品的光谱数据来分析样品中该元素的浓度。定标法的原理虽然极其简单，但是，在对元素进行定量分析时具有不错的检测精度。定标法又分为外标法与内标法，本次实验就是应用的内标法，这是因为内标法能极大程度上减少外部实验条件的改变所带来的误差，因为随着外部实验条件的改变，内标产量也随之变化，举个简单的例子，当实验过程中激光能量发生变化时，待测元素的特征光谱会随之发生变化，但内标参量也会随着变化，通过待测元素的特征光谱与内标产量进行对比，就能将由于激光能量变化所带来的实验误差大大减小，所以，在使用定标法对待测元素进行定量分析时，内标法相对于外标法具有更高的检测精度，是自LIBS技术快速发展以后使用的最多的定量分析方法。
在本文中，针对传统分析方法的不足，使用激光诱导击穿光谱法对水泥中的金属元素进行定量分析。在调研了大量国内外LIBS技术应用于定量分析的文献下，分析了激光诱导击穿光谱技术的原理，完成了实验光路系统的搭建。然后以水泥中的Fe元素为对象，对比了在积分时间与延迟时间，同一点激发次数两种条件的改变对光谱强度的影响，确定了本次LIBS实验的最佳参数，然后通过LIBS技术对水泥中的Fe元素进行了定量分析，最后循环反演的方法对测量结果进行了精度的检测，得到在用LIBS技术对水泥中的Fe元素进行定量分析时，最大相对误差为7.83%，平均相对误差为4.39%。
本次实验中，由于实验条件有限且时间较短，在分析LIBS用于定量分析的影响因素时，仅仅对比了积分时间与延迟时间和同一点激发次数的对实验的影响。在对水泥中的金属元素进行定量分析时，仅仅分析了水泥样品的的Fe元素。所以在接下里的工作中，可以进一步分析其他实验条件对实验的影响，如激光能量、缓冲气体等。同时还可以通过LIBS进行其他金属元素的定量检测，如Cu、Pb等。
作者简介：
徐悦（1997-），女，回族，四川成都，本科生，专业类别：会计学。
