Введение

Тип атомно-эмиссионной спектроскопии

Лазерно-индуцированная спектроскопия (LIBS) – это тип атомно-эмиссионной спектроскопии, в котором в качестве источника возбуждения используется высокоэнергетический лазерный импульс. Лазер фокусируется для создания плазмы, которая атомизирует и возбуждает пробы. Образование плазмы начинается только при достижении сфокусированным лазером определенного порога оптического пробоя, который обычно зависит от окружающей среды и состава материала.

Развитие в 2000-х годах

С 2000 по 2010 год Армейская исследовательская лаборатория США (ARL) проводила исследования, направленные на расширение возможностей технологии LIBS, в частности в области обнаружения опасных веществ. Исследования, проведенные в ARL, охватывали дистанционное обнаружение следов взрывчатых веществ и других опасных материалов, идентификацию пластиковых противопехотных мин и определение характеристик различных металлических сплавов и полимеров. Результаты, представленные ARL, свидетельствуют о том, что LIBS потенциально может различать взрывчатые и не взрывчатые материалы.

Исследования

Широкополосные спектрометры высокого разрешения были разработаны в 2000 году и поступили в коммерческую продажу в 2003 году. Предназначенный для анализа материалов, спектрометр позволил системе LIBS обнаруживать химические элементы даже в низкой концентрации. Исследования применений ARL LIBS, проводившиеся с 2000 по 2010 год, охватывали: анализ включений в стали, анализ шлаков в процессах вторичной металлургии, анализ процессов горения и высокоскоростную идентификацию металлолома для специализированной переработки. Благодаря использованию методов анализа данных, эта технология расширяется на область анализа фармацевтических образцов.

LIBS с использованием коротких лазерных импульсов

После мультифотонной или туннельной ионизации электрон ускоряется обратным тормозным излучением и может сталкиваться с близлежащими молекулами, генерируя новые электроны в результате столкновений. Если длительность импульса велика, вновь ионизированные электроны могут ускоряться, что в конечном итоге приводит к лавинной или каскадной ионизации. Как только плотность электронов достигает критического значения, происходит пробой и создается плазма высокой плотности, не сохраняющая информацию о лазерном импульсе. Таким образом, критерий короткости импульса в плотных средах следующий: импульс, взаимодействующий с плотным веществом, считается коротким, если в процессе взаимодействия не достигается порог лавинной ионизации. На первый взгляд, это определение может показаться излишне ограничивающим. К счастью, благодаря деликатному балансу поведения импульсов в плотных средах, порог не достигается легко. Этот баланс обеспечивается ограничением интенсивности за счет начала процесса филаментации при распространении мощных лазерных импульсов в плотных средах. Перспективным направлением развития LIBS является использование короткого лазерного импульса в качестве спектроскопического источника. В этом методе плазменная колонка создается путем фокусировки ультракоротких лазерных импульсов в газе. Самосветящаяся плазма значительно превосходит по уровню низкочастотного континуума и ширине спектральных линий. Это связано с более низкой плотностью плазмы при использовании коротких лазерных импульсов из-за эффекта дефокусировки, который ограничивает интенсивность импульса в области взаимодействия и, следовательно, предотвращает дальнейшую мультифотонную/туннельную ионизацию газа.

LIBS для анализа пищевых продуктов

В последнее время LIBS изучается как быстрый и микроразрушающий инструмент для анализа пищевых продуктов. Он рассматривается как перспективный аналитический метод для качественного и количественного химического анализа, что делает его пригодным для использования в качестве PAT (Process Analytical Technology) или портативного устройства. С помощью LIBS были проанализированы молоко, хлебобулочные изделия, чай, растительные масла, вода, зерновые, мука, картофель, финики, а также различные виды мяса. Ряд исследований продемонстрировал его потенциал в качестве инструмента для выявления фальсификации определенных продуктов питания. LIBS также был оценен как перспективная технология элементной визуализации при анализе мяса. В 2019 году исследователи из Йоркского университета и Ливерпульского университета Джона Мура использовали LIBS для изучения 12 европейских устриц (Ostrea edulis, Linnaeus, 1758), найденных в ракушечной куче позднего мезолита на острове Коннорс (Республика Ирландия). Результаты показали возможность применения LIBS для определения сезонных практик в доисторические времена, а также для оценки биологического возраста и темпов роста с большей скоростью и меньшими затратами, чем было достижимо ранее.