雷射誘導擊穿光譜元素分析技術與應用

 

刊登日期:2021/4/5
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王允欣、孫亞君、高豐生、朱仁佑/工研院材化所
 
雷射誘導擊穿光譜(LIBS)分析技術具備非破壞性、高靈敏度以及快速的全元素定性、定量等技術優勢,並且幾乎無須樣品前處理,適用於固體、液體、薄膜等不同型態的樣品,近年來在化工製程、現地檢測、汙染物分析、環境地質,甚至是太空探勘等多項領域展露其應用潛力,也成為線上即時監控的重要技術。並且雷射誘導擊穿光譜可與其他檢測技術搭配,例如感應耦合電漿放射光譜儀(ICP-OES)、原子力顯微鏡(AFM)、螢光光譜分析(XRF)等,透過多元技術整合提供快速、精準的分析結果。
 
【內文精選】
前 言
元素分析技術應用領域廣泛。在材料開發合成的過程當中,可以提供其成分含量資訊,協助改善產品品質與效率提升;於環境檢驗需求,達到環境監控的目的,例如應用於空汙防制與汙水處理;甚至在製程中的汙染物與潔淨度掌控,元素分析更是其中不可或缺的步驟。常見的元素分析方法包括原子吸收光譜法、分光光譜法、螢光分析、電化學分析以及質譜法等。
 
LIBS技術簡介
在元素分析相關技術中,以樣品的光譜資訊進行判別解讀的雷射誘導擊穿光譜(Laser-induced Breakdown Spectroscopy; LIBS)技術,是近年越來越受到矚目的檢測方法。雷射誘導擊穿光譜元素分析技術的原理簡圖如圖一,為利用雷射脈衝的方式,使材料表面吸收雷射能量,讓表面溫度升高形成等離子體,包括激發的離子和原子物質等,而激發態的離子會放光回到基態,再藉由收集到的原子放光光譜波長與強度等特徵資訊,完成樣品的元素定性定量分析。甚至是C、H、O、N、F等輕元素,都可以藉由LIBS來進行鑑定,如圖二,並且在應用上可以達到微米(μm)等級的解析度以及ppm等級的偵測極限,進一步將LIBS與其他常見的分析技術比較,如圖三。
 
圖一、雷射誘導擊穿光譜元素分析技術原理
圖一、雷射誘導擊穿光譜元素分析技術原理
 
也正是因為使用雷射作為激發源,使得雷射誘導擊穿光譜元素分析技術成為一種非接觸式並且快速的量測方法,在短短數秒內即可獲得實驗結果。並且雷射僅聚焦在表面微小區域,對樣品為無損或者僅是微損程度,可以在不破壞物體的本身或使用的狀態下,完成樣品檢測與分析。LIBS適用的樣品型態不限制是液體或者是固體,可直接進樣操作,無須任何前處理程序,大幅節省取樣人力與樣品前處理時間,也避免樣品製備時的汙染或人為誤差,具有實驗操作簡易、便捷之優勢,適用於快速材料篩選、製程產線品管與現地檢測的分析需求。
 
工研院材料與化工研究所微結構與特性分析研究室,於2019年建置雷射誘導擊穿光譜元素分析儀(圖四),為一新型非破壞性、快速及現地檢驗技術。主要硬體部件包含脈衝雷射、光譜分析儀以及液態樣品量測模組,可以提供190~900 nm的光譜分析範圍,透過光譜特性參數與數據擷取參數設計,將擷取到的光譜數據經由元素NIST光譜資料庫進行比對與元素標定,再利用檢量線(Calibration Curve)建立,進而得知材料組成比例,針對樣品中的化學元素完成分析。
 
圖四、雷射誘導擊穿光譜元素分析儀
圖四、雷射誘導擊穿光譜元素分析儀
 
LIBS應用於現地檢測
LIBS是一種新的材料識別和定性定量分析技術,除了實驗室研究應用之外,也可以滿足現地檢測的需求。例如當樣品無法切割取樣、體積過大不易搬運的時候,相較於傳統材料分析必須送進實驗室,再經由繁瑣費時且昂貴的分析程序才能得到檢測結果,可攜式或手持式LIBS(圖十)可以直接在現場進行分析…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》412期,更多資料請見下方附檔。

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