利用激光诱导击穿光谱技术鉴定材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过分析样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)进行材料鉴定的方法。首先，对该LIBS光谱进行预处理，使得那些具有较强和较弱发射线的元素的贡献达到均衡。同时，减少了光谱变量的数目，以提高仪器的特异性，并将仪器噪声的影响降到最低。然后，将常用的光谱鉴定和图库检索算法应用于这种预处理的LIBS光谱，并进行材料的鉴定。本发明专利技术通过对LIBS光谱进行预处理，使那些具有较强和较弱发射线的元素的光谱响应能够达到均衡。

Identification of materials by laser-induced breakdown spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
利用激光诱导击穿光谱技术鉴定材料的方法
本专利技术涉及一种材料鉴定的方法，具体涉及一种利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)进行材料鉴定的方法。
技术介绍
激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种以高能激光脉冲为激发源的原子发射光谱。这种激光脉冲在样品表面产生高温微等离子体。经过这种激发之后，由样品元素组成的特征光被发射并在光谱仪中进行分析。LIBS具有适用于任何类型的样品、几乎不需要样品制备、遥感能力强、分析速度快等特点，因而该技术已成为一种非常流行的分析方法。激光诱导击穿光谱(LIBS)由多个原子(离子)发射线组成，其中每个发射线对应于样品中的一个元素。LIBS对于那些具有较低电离能的元素更为敏感，而对于这些元素，更多的原子会响应于特定的能量输入而被激发。它对于那些具有较高电离能的元素不太敏感，比如卤素和硫族元素。相比于那些具有明显峰值的元素(如碱性物质、碱土元素和过渡金属)而言，这些元素产生的发射线要少得多，而且更弱。因此，它们对于整个LIBS光谱的“贡献”要少得多。这一特性使得常用的频谱识别和图库检索算法在应用于LIBS光谱时的效果较差，因为那些“弱”元素的频谱特征常常被忽略。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)鉴定材料的方法，它可以解决上述问题，并通过分析该样品的LIBS光谱，提供一种材料鉴定的方法。首先，对LIBS光谱进行预处理，使那些具有较强和较弱发射光谱线的元素达到均衡的光谱响应。同时，减少了光谱变量的数目，从而提高了仪器的特异性，并将仪器噪声的影响降到了最低。然后，将常用的频谱识别和图库检索算法应用于预处理的LIBS光谱，并用于材料的鉴定。为解决上述技术问题，本专利技术利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)鉴定材料的方法的技术解决方案为：包括以下各步骤：采集多个库样品的LIBS光谱；计算每个库样品的均衡LIBS谱，其中每个感兴趣元素的光谱响应都被均衡；采集某一未知样品的LIBS光谱；计算未知样品的均衡LIBS谱，其中每个感兴趣元素的光谱响应都被均衡；以及将未知样品的均衡LIBS谱与库样品的均衡LIBS谱进行比较，以鉴定该未知样品的材料。在另一实施例中，还包括如下步骤：即为每个感兴趣的元素选择一个或多个光谱区域，并在所选的光谱区域处对所选数量的库样品进行主成分分析，以提取该元素的主成分。在另一实施例中，所述库样品和未知样品的均衡LIBS光谱通过计算相应的LIBS光谱的每个感兴趣元素的主成分分析得分来进行计算，利用所提取的主成分和归一化处理主成分分析得分，并参考所选数量的库样品之间的最大主成分分析得分。在另一实施例中，还包括如下步骤：即参照库样品和未知样品的LIBS光谱的连续辐射强度，对原子或离子发射的强度进行归一化处理，以获得库样品和未知样品的归一化的LIBS光谱。在另一实施例中，还包括如下步骤：即计算库样品和未知样品的LIBS光谱的导数。在另一实施例中，所述方法采用一种包含高重复率脉冲激光的LIBS装置，来测量库样品和未知样品的LIBS光谱，其中高重复率脉冲激光在千赫兹或更高范围内以高重复率产生一系列激光脉冲。在另一实施例中，所述LIBS装置包含一种非门控光谱仪。在另一实施例中，所述非门控光谱仪的积分时间能够被调整，从而覆盖激光脉冲系列的多个周期。本专利技术可以达到的技术效果是：本专利技术通过对LIBS光谱进行预处理，使那些具有较强和较弱发射线的元素的光谱响应能够达到均衡。本专利技术不仅减少了光谱变量的数目，便于分析，提高了特异性，并将仪器噪声的影响降到了最低，而且均衡了各元素的光谱响应，从而克服了那些具有较弱发射线的元素的灵敏度问题。附图说明本专利技术里含有附图，在所有单独的视图中，类似附图标记是指相同或功能相似的元素，并且与下面的详细描述一起并入说明书中并构成该说明书的一部分，用于进一步说明各种实施例，并根据本专利技术来解释各种原理和优点。本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本专利技术的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本专利技术的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的专利技术构思。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施方式，并且与上文的总体说明和下列附图的详细说明一起用于解释本专利技术的原理。熟练的技术人员将能理解，这些附图中的元素是为了简单和清晰而示出的，并不一定是按比例绘制的。例如，附图中的一些元素的尺寸相对于其他元素而言可能被夸大，从而有助于更好的理解本专利技术中的实施例。在详细描述根据本专利技术公开的实施例之前，应当注意，这些实施例主要体现于激光诱导击穿光谱(LIBS)用于材料鉴定的相关方法步骤和设备组件的组合中。因此，在适当的情况下，附图中采用常规符号来表示设备组件和方法步骤，仅示出与理解本专利技术的实施例相关的那些特定细节，以避免被本领域技术人员通过本文的描述就显而易见的那些细节混淆，因而具有本专利技术所述的优点。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：图1显示了制药工业中一些常用单原子盐作为原材料的典型LIBS光谱；图2是本专利技术利用LIBS光谱鉴定材料的方法的流程图。具体实施方式在本专利技术中，诸如第一和第二、顶部和底部等相关术语，可仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际此类关系或顺序。本专利技术中的术语“包含(动词)”、“包含(动名词)”或任何其他变化形式旨在涵盖一种非排他性的包含，从而使得包含这些元素列表的某一过程、方法、物件或装置，不仅包括这些元素，而且可能包括那些未明确列出或未与该过程、方法、物件、或装置固有的其他元素。由“包括…一种”所涉及的一种元素，在没有更多约束的情况下，不排除在包括该元素的过程、方法、物件或装置中存在额外的相同元素。本专利技术中所述的激光诱导击穿光谱(LIBS)装置最好是基于高重复率脉冲激光。这种激光在千赫兹(kHz)或更高范围内以高重复率产生一系列激光脉冲。当激光束击中样品时，每秒产生数千微等离子体发射。同步微型CCD阵列光谱仪模块从这些微等离子体发射中采集LIBS信号。通过调整分光计的积分时间，以覆盖激光脉冲系列的多个周期，该分光计将多个激光脉冲所产生的LIBS信号进行积分处理。因此，可以大大提高所获得的LIBS光谱的强度，从而提高信噪比(SNR)，并降低检测限值(LOD)。此外，由于所获得的LIBS光谱是由多个激光脉冲产生的多个微等离子体发射的多个光谱，因此，激光的脉冲间变化的影响被降到最低。这种高重复率激光还使得在样品表面上快速扫描激光束成为可能，从而能够采集样品的平均光谱，以克服样品的不均匀性问题，或者通过将所获得的LIBS光谱与扫描激光束的位置相关联来对样品进行光谱成像处理。这种LIBS装置还可以包含一种处理器单元，从而实施如下所公开的频谱处理、鉴定、以及图库检索算法。基于这种高重复率激光的LIBS装置的更详细的描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用激光诱导击穿光谱技术鉴定材料的方法，其特征在于，包括以下各步骤：/n采集多个库样品的LIBS光谱；/n计算每个库样品的均衡LIBS谱，其中每个感兴趣元素的光谱响应都被均衡；/n采集某一未知样品的LIBS光谱；/n计算未知样品的均衡LIBS谱，其中每个感兴趣元素的光谱响应都被均衡；以及/n将未知样品的均衡LIBS谱与库样品的均衡LIBS谱进行比较，以鉴定该未知样品的材料。/n

【技术特征摘要】
20191024 US 16/662,1801.一种利用激光诱导击穿光谱技术鉴定材料的方法，其特征在于，包括以下各步骤：
采集多个库样品的LIBS光谱；
计算每个库样品的均衡LIBS谱，其中每个感兴趣元素的光谱响应都被均衡；
采集某一未知样品的LIBS光谱；
计算未知样品的均衡LIBS谱，其中每个感兴趣元素的光谱响应都被均衡；以及
将未知样品的均衡LIBS谱与库样品的均衡LIBS谱进行比较，以鉴定该未知样品的材料。


2.根据权利要求1所述的利用激光诱导击穿光谱技术鉴定材料的方法，其特征在于，还包括如下步骤：即为每个感兴趣的元素选择一个或多个光谱区域，并在所选的光谱区域处对所选数量的库样品进行主成分分析，以提取该元素的主成分。


3.根据权利要求2所述的利用激光诱导击穿光谱技术鉴定材料的方法，其特征在于，所述库样品和未知样品的均衡LIBS光谱通过计算相应的LIBS光谱的每个感兴趣元素的主成分分析得分来进行计算，利用所提取的主成分和归一化处理主成分分析得分，并参考所选数量的库样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：厉群，周新，赵军，
申请(专利权)人：必达泰克光电设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31