焚烧秸秆对大气环境具有很大的危害, 燃烧过程中重金属元素会随着烟尘飘散到空气中, 严重污染大气环境, 探测随秸秆燃烧烟尘扩散到空气中的重金属元素具有重要意义。 采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对秸秆燃烧烟尘进行原位在线探测, 对其中的重金属元素进行在线分析。 实验仪器由Nd:YAG单脉冲激光器(波长1 064 nm, 激光能量为290 mJ·pulse-1, 重复频率10 Hz), Avantes光谱仪(AvasSpec-ULS2048-4Channel-usb2.0, 光谱检测范围200~890 nm, 分辨率0.13 nm)、 反射镜、 聚焦透镜(焦距为150 mm)、 时序发生器组成, 光谱仪的延迟时间设定为6 μs。 激光器发射出的激光经反射镜与聚焦透镜聚集到烟尘中, 并产生高温等离子体, 经光谱仪采集信号获得LIBS光谱。 实验样品为华东地区成熟水稻茎叶。 首先对空气进行LIBS探测, 可以从光谱图中观察到N, O, Hα和Hβ等元素, 同一实验条件下再对烟尘进行LIBS探测并得到光谱图, 观察到秸秆燃烧产生的烟尘中含有C, Mg, Ca, Mn, Na和K等元素, 其中Mn为重金属元素, 验证了LIBS探测秸秆燃烧烟尘中重金属元素的可行性。 在烟尘光谱图中同时观察到CN分子(自由基)谱线的存在, 秸秆燃烧过程中产生的CO2分子在激光的辐射下与空气中的N2发生反应生成CN分子(自由基), 在同一条件下对激光焦点进行人工吹气, 得到的光谱图中同样探测到了CN分子谱线。 利用LIFEBASE软件拟合烟尘中的CN分子谱线, 获得拟合数据, 同时得到CN分子的振动温度为8 000 K, 转动温度为7 700 K。 制备含铅的秸秆样品, 将相同质量的两份样品分别浸泡在不同浓度的乙酸铅溶液中, 并进行烘干处理。 对两种样品进行LIBS探测并得到光谱图, 通过对比含铅秸秆样品与原始秸秆样品, 含铅秸秆样品的光谱图中多出波长为357.261, 363.898, 368.370, 373.945和405.747 nm的五条谱线, 与NIST数据库对比发现五条谱线都为铅元素的光谱线。 以CaⅡ(393.329 nm)谱线为参考线对含铅样品的光谱图进行归一化处理, 观察到含铅浓度高的样品光谱图中铅的特征峰值强度比含铅浓度低的样品光谱图中铅的特征峰值强度高, 验证了激光诱导击穿光谱技术对秸秆燃烧烟尘中重金属元素的半定量分析的可行性。
激光诱导击穿光谱 秸秆燃烧 重金属 元素分析 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Straw burning Heavy metal Elemental analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3292
1 江苏省大气海洋光电探测重点实验室（南京信息工程大学）, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 Advanced Technology Core, Baylor College of Medicine, Houston, TX 77030, USA
煤灰的成分指的是煤中矿物质的完全燃烧, 产生各种金属和非金属氧化物和盐, 这是使用煤时的重要参数。 煤被广泛用于生产和人民生活, 作为重要的能源物质。 大量来自燃煤燃烧的煤尘（煤灰）被释放到大气中并与大气中的各种物质相互作用而形成雾霾。 煤灰中的金属氧化物和空气中的小液滴之间发生一系列物理化学反应, 这导致了雾霾的形成。 在实验中, 采用激光诱导击穿光谱（LIBS）分析煤灰中的元素。 实验样品由某钢铁公司提供, 分为七个样品, 并标上序号。 样品分别加入蒸馏水和0.1‰, 0.2‰, 0.2％, 0.4％, 0.8％, 1％硫酸锌溶液, 分别用1～7号标记。 为了获得更好的LIBS信号, 样品被研磨为粉末状, 并使用蒸馏水使硫酸锌与煤灰充分混合。 通过使用压片机将煤灰压制成10 mm直径和10 mm厚的煤灰块。 为获得准确的元素结果, X射线荧光光谱也被用作参考, 并且原始样品不含锌元素。 由于光谱分析和波长漂移现象的不确定性, 因此实验中, 分别选择了铁, 钙, 钛和铝四种高纯单质。 在相同的实验条件下, 将四条测量的元素谱线与NIST原子光谱数据库中相应的谱图比较。 实验中的所有光谱根据波长差或偏移进行校正。 此时, 纯单质的元素谱线可以与样品的光谱对齐。 当元素谱中的特征线与样品中的谱线对齐时, 样品就可以被识别和确认。 由于铝元素与目标元素具有相似的化学和物理性质, 铝元素是煤灰和地壳中的主要元素之一, 具有中等的光谱强度。 因此将铝元素作为内标元素, 运用内标校准方法来确定样品中锌的浓度。 模拟含锌大气气溶胶是通过向煤灰中添加含锌元素来实现的。 还有一些其他的金属元素, 包括铁, 钙, 锰, 钛和铝也被用来加入煤灰中, 用以模拟大气气溶胶。 两种方法的相对差异分别为1.78％, 3.39％, 5.17％, 0.20％。 造成差异的原因可能是由于光谱仪缺乏分辨率或背景噪声的影响, 这是可能导致测量误差的原因之一。 由于实验室条件的限制, 无法确定基底是否会影响实验结果, 这将在未来的实验中得到进一步的证实。 实验拟合曲线测得煤灰中锌的线性相关系数为0.995 72, 这表明可以通过粗略估算锌的激光强度来估计煤灰中的锌含量的实现。 实验结果证明LIBS技术可用于煤灰中金属元素的快速检测, 为基于锌含量的大气环境检测提供了一种新方法。 在建立元素的校准曲线后, LIBS技术将来可以用来进行更快速, 更准确的定量分析。
激光诱导击穿光谱 煤灰 重金属 锌 气溶胶 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Coal ash Metal Zinc Aerosols Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1980
1 江苏省大气海洋光电探测重点实验室(南京信息工程大学), 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 Advanced Technology Core, Baylor College of Medicine, 德克萨斯 休斯顿 77030, USA
大气颗粒物中的重金属对人体健康具有巨大危害,对其中的重金属元素进行快速检测具有重要意义。利用激光诱导击穿光谱技术对大气颗粒物样品中的重金属元素进行快速分析,结果显示在大气颗粒物样品中含有Na、Al、Si、Cu、Mg、Fe等元素。以Ca元素为参考元素,采用内标法对大气颗粒物中的Pb元素进行定量分析,通过拟合得到定标曲线,计算出Pb元素的检出限为34.3×10
-6。分析了Pb元素的等离子体温度、电子数密度等相关特性。实验结果验证了LIBS技术用于大气颗粒物中重金属元素定性与定量分析的可行性,为监测大气颗粒物重金属污染提供了实验依据。
光谱学 激光诱导击穿光谱 大气光学 颗粒物 重金属 定量分析 激光与光电子学进展
2018, 55(12): 123002
1 江苏省大气海洋光电探测重点实验室(南京信息工程大学), 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。 对四种香(艾草香、 藏香、 檀香、 沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析, 得到了样品中元素的成分; 并且对四种香样品中的Cu, Mn, Ca和Fe四种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析和元素含量的对比。 基于等离子体的局域热动力学的平衡模型, 计算了Ca元素的等离子体温度。 实验结果为采用激光诱导击穿光谱对香品成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。
激光诱导击穿光谱 快速检测 元素分析 等离子体 Laser-induced breakdown spectroscopy Rapid determination Elemental analysis Plasma 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2957
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 中国科学院近代物理研究所, 甘肃 兰州 730000
4 河南师范大学物理与材料科学学院, 河南 新乡 453007
采用密度泛函理论的BPV86方法, 在6-311G++(d, p)基组水平上优化了不同外电场(0～0080 au)下氧化锌分子的基态稳定构型, 在此基础上利用同样的方法计算了氧化锌分子的分子结构、 偶极矩、 总能量、 能隙以及红外光谱和紫外-可见吸收光谱强度。 结果表明, 在外电场的作用下, 分子结构变化明显, 与电场呈现强烈的依赖关系。 随着正向外加电场的增加, ZnO分子键长一直在增大, 电偶极距也是一直增大, 分子总能量不断减小, 分子能隙不断减小, 红外光谱吸收峰出现红移现象。 随着外电场的加强, 分子紫外可见吸收光谱振子强度先增大后减小再增大再减小反复变化, 其波峰则出现蓝移现象。
辐射场 光谱 激发特性 Zinc oxide ZnO Radiation field Spectrum Excited character 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1348
1 南京信息工程大学物理与光电工程学院, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 中国科学院近代物理研究所, 甘肃 兰州 730000
4 河南师范大学物理系, 河南 新乡 453007
采用密度泛函理论的B3LYP方法, 在6-311G++(d,p)基组水平上优化了不同外电场(0～0.025 a.u.)下氮化镓分子的基态稳定构型, 在此基础上利用同样的方法计算了氮化镓分子的分子结构、 偶极矩、 总能量、 能隙以及红外光谱, 拉曼光谱, 紫外-可见吸收光谱强度。 结果表明, 分子的结构的变化与电场大小呈现强烈的依赖关系。 随着正向外加电场的增加, GaN分子键长不断减小, 电偶极距不断减小, 分子总能量不断增大, 分子能隙不断减小, 红外光谱吸收峰出现蓝移现象, 拉曼光谱出现蓝移现象。 随着外电场的加强, 分子紫外-可见吸收光谱振子强度出现先减小后增大再减小的反复变化, 其波峰则出现红移现象。
辐射场 光谱 密度泛函理论 Gallium nitride GaN Radiation field Spectrum Density function theory
