激光诱导模拟体液的实验研究

论文摘要

激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS）是一种新的多元素同时检测方法,其工作原理是利用高能脉冲激光束聚焦后入射到样品表面,产生激光等离子体,通过分析等离子体的光谱进行物质元素的定性分析和定量测量。目前临床上体液中各种成分的检测多数采用化学的方法,这些方法一般都需要对样品进行预处理,且不能多元素同时检测,对体液中微量元素的检测更是难以实现。因此本论文提出采用LIBS技术来检测体液成分。本论文以探索LIBS技术用于人体体液监测的可行性为目的,对模拟体液的激光诱导击穿光谱特性进行了系统的实验研究。本论文采用Nd:YAG脉冲激光器、echelle光谱仪、ICCD等仪器搭建了液体LIBS实验装置。并在此装置上分别针对各种实验参数展开了提高LIBS综合检测能力的实验研究,归纳出较为理想实验参数,激光器的工作频率为10Hz、采集次数为20次,透镜到样品表面的距离小于透镜焦距（具体值根据实验条件决定）。利用液体LIBS的实验系统,对模拟体液进行了定性分析和定量分析。通过对模拟体液全谱的测量,结果发现,可以同时探测到多种元素成分,且LIBS方法对金属元素比非金属更敏感,检测限更高。分别对纯有机物（葡萄糖）溶液和多种无机物溶液开展了LIBS探测的初步实验研究,在大量系列实验的基础上,总结出了各元素的特征谱线。为了进一步定量检测模拟体液各元素成分的含量,还开展了特征谱线的强度和各元素含量关系的研究,建立了部分元素的定标曲线,发现不同元素由于其本身特性不同,其定标曲线也不一样。实验表明:Na、Pb元素的定标曲线满足罗马金-赛伯公式,而As元素的定标曲线却满足多项式方法原理。总之,利用LIBS技术同时、快速、精确地检测出模拟体液中多种元素的含量的设想是完全可行的,并且现有的研究结果将为进一步开展LIBS体液研究提供技术支持和实验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光诱导击穿光谱技术的研究现状
• 1.2 LIBS 技术用于物质成分分析的应用
• 1.3 激光诱导击穿光谱技术的特点
• 1.4 本论文研究的意义和工作内容
• 第二章 激光诱导击穿光谱技术原理
• 2.1 激光等离子体基础理论
• 2.1.1 激光诱导等离子体的基本性质
• 2.1.2 等离子体的辐射机制
• 2.1.3 激光等离子体发射光谱特征
• 2.2 激光等离子体模型
• 2.2.1 局部热平衡（LTE）模型
• 2.2.2 晕模型
• 2.2.3 碰撞-复合（CR）模型
• 2.3 谱线的加宽
• 2.4 光谱定量分析原理
• 2.4.1 Lomakin—Scheibe（罗马金－赛伯）公式
• 2.4.2 多项式方法原理
• 2.4.3 内标法原理
• 2.4.4 光电直读光谱进行定量分析原理
• 第三章 实验装置及仪器样品
• 3.1 激光光源
• 3.2 光束传输系统
• 3.3 分光系统
• 3.3.1 中阶梯光栅光谱仪
• 3.3.2 组合式光栅光谱仪
• 3.4 信号接收系统
• 3.4.1 增强型电荷耦合探测器（ICCD）
• 3.4.2 光电倍增管
• 第四章 LIBS特性参数的实验研究
• 4.1 激光器不同工作方式对LIBS 测量稳定性的影响
• 4.1.1 不同工作方式的稳定性
• 4.1.2 激光器不同工作方式对LIBS 测量稳定性的影响
• 4.2 采集次数对LIBS 测量的影响
• 4.3 透镜到样品之间的距离对LIBS 测量的影响
• 第五章 模拟体液的LIBS 特性实验研究
• 5.1 有机物的LIBS 实验研究
• 5.1.1 葡萄糖溶液的LIBS 谱图
• 5.1.2 葡萄糖溶液的LIBS 信号强度与浓度的关系
• 5.1.3 葡萄糖溶液的LIBS 信号强度与延时时间的关系
• 5.1.4 小结
• 5.2 无机物的LIBS 实验研究
• 5.2.1 氯化钾溶液的LIBS 光谱
• 5.2.2 Na 和As 元素的定标曲线
• 5.2.3 小结
• 5.3 有机物和无机物的混合溶液的LIBS 实验研究
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间参加的工作
• 附录B 学术论文情况