徐敏，竺歡煥，李紅霞，季振國

摘要：介紹了自主開發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實時分析軟件，基于Ocean Optics公司型號為HR4000的高分辨光譜儀，利用原子發(fā)射譜線的濃度方程和Saha-Boltzmann plots方程來確定等離子體的溫度以及元素的濃度。該軟件可簡單、快捷地進(jìn)行定量分析，具有一定的實用性及推廣價值。

關(guān)鍵詞：激光誘導(dǎo)擊穿光譜；實時分析；分析軟件

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0086-02

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術(shù)是通過探測等離子體中原子或離子光譜來分析樣品中的元素種類和含量，以便實現(xiàn)對物質(zhì)元素成分的定性及定量分析。作為一種定性與定量分析工具，LIBS具有對樣品破壞性小、無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理、能同時對多種元素進(jìn)行分析及能實時在線分析等優(yōu)點，因此非常適合于固體、液體及氣體元素成分的實時檢測。目前，LIBS已被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)控、地質(zhì)土壤檢測、冶金分析、藝術(shù)品鑒定、材料分析與生物醫(yī)學(xué)化驗等領(lǐng)域。

在LIBS技術(shù)的操作過程中，通常是先用光譜儀自帶的軟件觀察光譜波形，然后進(jìn)行保存，之后再用origin等作圖軟件進(jìn)行分析，這顯然不能滿足實時分析的要求。本文基于Ocean Optics公司的HR4000的高分辨光譜儀，采用C#語言編程，研發(fā)了基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實時分析軟件，該軟件在顯示波形的同時，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠滿足實時分析系統(tǒng)的要求。

一、軟件的設(shè)計

基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實時分析軟件用C#完成設(shè)計。該軟件能實時采集LIBS譜線和顯示，能同時抓取三個特定峰來進(jìn)行觀察，并且可以計算這三個峰的強度以及兩峰之間的強度比，根據(jù)強度比的變化來進(jìn)行定性與定量分析。

1.實時讀取光譜儀中采集的數(shù)據(jù)。導(dǎo)入Ocean Optics公司提供的光譜儀API函數(shù)，根據(jù)提供的手冊說明，調(diào)用數(shù)據(jù)讀取以及數(shù)據(jù)設(shè)置的類和函數(shù)，其中CCoWrapperClass類是最重要的。依次調(diào)用openAllSpectrometers、setIntegrationTime、getSpectrum和getWavelengths函數(shù)，就把光譜儀中的數(shù)據(jù)讀到了內(nèi)存中。setIntegrationTime函數(shù)中的參數(shù)可以通過“積分時間框”來進(jìn)行設(shè)定。因為激光的頻率選定為10Hz，所以積分時間設(shè)定為200ms。其中定時器的時間設(shè)定為250ms，多出的50ms是讓程序有時間做一些數(shù)學(xué)計算。

2.多次讀取光譜儀中的數(shù)據(jù)，求平均值，減少誤差。平均數(shù)據(jù)是這樣得來的：設(shè)定“平均次數(shù)”的值，程序會持續(xù)讀取光譜儀的數(shù)據(jù)，求出平均值。因為在實際觀察中，有時會出現(xiàn)光譜儀中的數(shù)據(jù)為空（與在關(guān)閉激光時采集的光譜相似，等于沒有把等離子體的特征光譜讀進(jìn)來）。

3.抓取特定峰，進(jìn)行觀察。自帶的軟件只實現(xiàn)了顯示，但是無法觀察特定的峰值。比如，想同時觀察在相同電壓下Fe I峰和Fe Ⅱ峰值，自帶軟件無法實現(xiàn)。本文的軟件做了這方面的改進(jìn)，能觀察200nm～1100nm內(nèi)的任意峰值，并且是實時的。

4.更好地確定等離子體溫度以及元素的濃度。在LIBS技術(shù)中，實驗的可重復(fù)性是比較差的。但是當(dāng)環(huán)境有所變化時，放大電壓可能需要調(diào)整。通過對玻爾茲曼公式的推導(dǎo)，可以觀察等離子體的溫度，通過觀察強度比值變化，來適當(dāng)調(diào)整電壓，實現(xiàn)實驗的可重復(fù)性。

二、初步應(yīng)用

激光源為ZKLASER公司生產(chǎn)的MQV-2000-10型的Nd-YAG激光器，該儀器可發(fā)射波長為1064nm、532nm、355nm以及266nm的脈沖激光。激光能量在放大電壓0～1000V的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能產(chǎn)生最高2000mJ的脈沖激光。脈沖激光的持續(xù)時間為20ns，脈沖激光頻率可選擇外控，也可選擇內(nèi)置的1Hz、5Hz以及10Hz。光譜儀為Ocean Optics公司的HR4000型高分辨光譜儀。該光譜儀可分辨波段為200nm～1100nm，最高可辨識強度為17000cps，波長間隔為0.27nm，掃描時間最低為3.8ms，并可多次掃描。

本實驗裝置波長選擇1064nm，激光頻率設(shè)置為10Hz。激光通過石英凸鏡，聚焦于樣品（放置于樣品臺上）表面，從而產(chǎn)生出等離子體。與樣品成45°聚光鏡收集這些等離子體特征光譜，然后通過光譜儀連接到PC上顯示和存儲收集到的頻譜。本實驗是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的。通過實驗可以觀察到等離子體的溫度比較穩(wěn)定以及Ti元素的含量值的誤差比較小。圖1為AlⅡ/AlⅠ和TiⅠ/AlⅠ的比值。如圖所示，可以觀察到等離子體的溫度比較穩(wěn)定以及Ti元素的含量值的誤差比較小。

三、小結(jié)與展望

通過初步應(yīng)用表明，該軟件運行穩(wěn)定、可靠，能夠完成已設(shè)計的功能。通過對Al2O3及SiO2等樣品的LIBS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明，基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實時分析軟件的設(shè)計是可行的，能較好的對樣品進(jìn)行定性、定量分析。其中對等離子體溫度的計算以及對于元素的定量分析，大大改善了LIBS技術(shù)的實時分析應(yīng)用。在整個程序設(shè)計過程中，充分利用了C#方便、直觀的數(shù)據(jù)處理功能來對LIBS譜線進(jìn)行處理與分析。在今后進(jìn)一步的研究中可將其功能更加完善，以實現(xiàn)更加良好的用戶界面及靈活的使用方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡志裕.等.基于LabVIEW的激光誘導(dǎo)擊穿光譜譜線識別軟件研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012，（3）：602-605.

[2]A.Bertolini，etc.Anal.Bioanal.Chem，2006，（385）：240-247.

[3]D.Santos Jr.，etc. Appl.Spectrosc，2008，（62）：1137-1143.

[4]季振國，等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜及其在元素分析中的應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2011，29（3）：455-460.

[5]Z.G.Ji，J.H.Xi and Q.N.Mao.J.Inorg.Mater，2010，（25）：893-896.

[6]S.Yao，J.Lu，J.Zheng，M.Dong.J.Anal.At.Spectrom.，2012，（27）：473-478.

作者簡介：李紅霞（1978-），女，山東人，副教授，博士研究生，主要研究薄膜材料與器件。