Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Lézer indukált plazma spektrometria (LIBS)

Lézer indukált plazma spektrometria (LIBS)

Működési elv

A lézer indukált plazma spektrometria (LIPS, vagy az idegen nyelvű irodalomban gyakoribb elnevezéssel: laser induced breakdown spectrometry, LIBS) egy korszerű atomspektrometriai technika, ami a lézer abláció során keltett mikroplazma optikai emissziós megfigyelésén alapul. Mivel ez a mikroplazma igen rövid élettartamú, időben változó hőmérsékletű és összetételű sugárforrás, ezért a megfigyeléséhez a lézerrel időben a m s törtrészének megfelelő pontossággal szinkronizált működésű nagyfelbontású spektrométerre van szükség, amely egyszerre képes rögzíteni a teljes UV és/vagy látható spektrumtartományt. A követelményeknek leginkább a CCD detektoros spektrométerek felelnek meg, ezért a mai LIBS műszerek szinte kivétel nélkül ezek köré épülnek. Lézer fényforrásként legtöbbször egy néhány ns impulzushosszú Nd:YAG szilárdtest lézer szolgál, a fundamentális IR, vagy frekvencia többszörözéssel elért látható, esetleg UV sugárzással. A LIPS spektrométereket gyakran építik egy kamerával ellátott mikroszkóp köré, amellyel kényelmesen megoldható a lézerfény mintára fókuszálása, a minta pozicionálása és megfigyelése. Újabban, a CCD spektrométerek és a lézerek miniatürizálásának köszönhetően kisméretű (táska méretű), akkumulátoros tápellátású LIPS berendezések is készíthetők, amelyek többnyire száloptikával vezetik az emittált fényt a spektrométerbe.

A lézer indukált plazma spektrométerek vázlatos felépítése és működése

A lézerrel keltett plazma emissziós spektruma hőmérsékletével együtt az időben gyorsan változik. A plazma létrejöttét követő rövid (kb. 2 μs-ig terjedő) időszakban, az akár több tízezer Kelvin hőmérsékletű forró plazmában a szabad elektronok és az elemi ionok vannak többségben. Ennek megfelelően ebben az időszakban a plazma emissziós spektruma UV tartományba eső ionvonalakban gazdag, amely spektrum alapvonala a szabad elektronok okozta fékezési és rekombinációs sugárzás  miatt emelkedett. Ha a spektrumot a lézer fényimpulzus beérkezésétől számított néhány m s késlekedéssel vesszük fel, amikorra a plazma már jelentősen (néhány ezer Kelvin hőmérsékletre) lehűlt, akkor inkább atomvonalakban gazdag, a fékezési sugárzástól nagymértékben mentes spektrumot rögzíthetünk. Analitikai célokra ezért leginkább a 3-10 μs késleltetési idővel felvett LIBS spektrumok használatosak. A LIPS mikroplazma és emissziós spektrumainak jellemzőire, időbeli evolúciójára természetesen jelentős hatással van számos kísérleti körülmény (pl. a lézer működési paraméterei, gázatmoszféra összetétele és nyomása stb.).

Analitikai teljesítőképesség

A technológiailag rokonságot mutató, lézer ablációs mintabevitelű atomspektroszkópiás eljárásokkal (pl. LA-ICP-MS) szemben a LIBS spektroszkópia több egyedi, előnyös tulajdonságot is fel tud mutatni. Ezek közé tartozik például, hogy a LIBS műszerek hordozható kivitelben is építhetők, amellyel a terepen tetszőleges méretű, gáz, folyadék vagy szilárd halmazállapotú minták mérhetők közvetlenül, a levegőn (az LA-ICP-MS berendezés a szekrény méretű, nagyvákuummal dolgozó, jelentős elektromos- és gázfogyasztású ICP-MS spektrométer és a gázöblítéses mintakamra miatt nem lehet versenytárs ezen a területen). A LIBS mérések akár több száz méter távolságból is elvégezhetők a megvilágító lézerfény és/vagy az emittált fény száloptika vagy direkt optika segítségével való vezetése révén. Nem léteznek az anyagtranszporttal kapcsolatos zavaró hatások sem. A LIBS technika érzékenysége a műszer kiépítésétől, a minta halmazállapotától és a mérendő elemtől függően általánosságban mintegy 1-100 ppm kimutatási határral jellemezhető. Ezek az adatok más oldatmintákkal működő atomspektroszkópiai eljárásokhoz (pl. GFAAS, ICP-MS) képest nagynak tűnhetnek, azonban ne feledjük, hogy itt mindenféle mintaelőkészítés és az azzal járó jelentős hígulás nélkül végezhetjük pl. szilárd minták mérését. A tipikusan m g nagyságrendű mintaigény figyelembevételével ez a kimutatás i határ pg nagyságrendű anyagmennyiség kimutatási képességével egyenértékű. A LIBS valódi multielemes méréstechnika; alkalmas kísérleti elrendezéssel egyszerre gyakorlatilag tetszőleges számú elem meghatározható.

A LIBS módszer egyik hátrányos jellemzője a mérések közepesnek mondható, 5-20% relatív szórása. A LIPS spektrumvonalak nagymértékű intenzitás-ingadozása több okra vezethető vissza, amelyek közül érdemes kiemelni a kísérleti körülményekből adódó két legfontosabbat: az impulzuslézerek fényimpulzusainak teljesítmény szórását (5-10%) és a reprodukálható fókuszálási körülmények biztosításának nehézségét. Az okozott jelingadozások szerencsére nagymértékben csökkenthetők nagyszámú ismételt mérés és valamilyen jel normalizációs módszer alkalmazásával (pl. 100-1000 Hz nagyságrendű lézer ismétlési sebesség esetén akár több száz vagy ezer mérés sem tart perceknél tovább). Az említett két hatáson túl mindenképpen érdemes megemlíteni azt is, hogy a mért analitikai jel ingadozásának kézenfekvő valós oka is lehet; például az analizált minta felületének a mérés által érintett 10-100 μm felületi mérettartományban tapasztalható inhomogenitása.

Jellegzetes alkalmazási területek

A LIPS alkalmazások között az eloszlásvizsgálat, nyomon követés, minőségellenőrzés, azonosítás stb. feladatok dominálnak. Az érdekesebb, a LIBS műszerek kompakt kialakítását kihasználó alkalmazások közé tartozik az űrkutatásban való alkalmazás; éppen a jelen tananyag írásának idején landol a Mars felszínén a NASA Curiosity robotszondája, amely LIBS műszerrel (ChemCam) vizsgálja a környező kőzetek összetételét. A LIBS mérések mikrodestrukciós és kontaktus nélküli jellegét újabban értékes vagy egyedi minták vizsgálatakor is kihasználják, mint például a műtárgyak, bűnügyi minták.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Mely körülmények teszik lehetővé a LIBS műszerek alkalmazását távoli mérésekre?

  2. Jellemzően milyen komponensekből tevődik össze egy LIBS spektrométer?

  3. Milyen mérőszámokkal jellemezhető a LIBS spektrometria analitikai teljesítőképessége?

  4. Milyen okok magyarázhatják a LIBS analitikai jelek jelentősebb szórását?

  5. Milyen tipikus térbeli felbontás értékek mellett végezhető LIBS elemeloszlás-vizsgálat?