矿产样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)快速分析

撰稿人: 日期:2014-12-30 点击次数:1745

前言

矿产业对世界经济的增长提供了稳定的贡献。大多数矿产活动都包含了矿石原料采集及材料的浓缩提纯等过程。为了评估这些过程对最终获得的矿产产品的功效,很多分析方法被用于量化或监测这些过程中的重要元素。传统的方法包括XRF(X射线荧光)、GFAA(石墨炉原子吸收)、ICP-AES(电感耦合等离子体发射光谱)、ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)、SEM(扫描电镜)、及SIMS(二次离子质谱)等。


    激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdown spectroscopy 简称LIBS)是一种快速兴起的分析技术。LIBS技术在过去的几年里得到了多种工业行业的越来越多的关注。在矿产业,相较与上文提到的传统分析方法,LIBS具有很多有吸引力的分析优势。LIBS可以检测从H到Pu的多种元素,包括如H、N、F和O等其它分析方法很难或不可能检测的非金属元素。此外,与XRF相比,LIBS对于轻元素(如B、Li、C、K、Ca、Mg、Al、Si等)有更高的灵敏度,而这些轻元素的检测对于许多矿产应用都很关键。


本案例中,非洲矿产标准(AMIS)标准参考物质(CRMs)被用于分析,以证明LIBS技术对于矿产业是一种有效的分析方法。试验采用美国应用光谱公司的LIBS设备——J200激光光谱元素分析仪(美国应用光谱公司即ASI公司,由美国劳伦斯伯克利国家实验室首席科学家 Rick Russo建立)。J200配备266nm Nd:YAG纳秒激光器以及宽频检测器。(右图为)美国ASI公司的J200激光光谱元素分析仪。


样品分析
采用J200在最优化条件下分析了8个矿石标准样品。与XRF样品前处理一样,将8个矿石样品进行压片,这意味着LIBS虽然是一个新的分析方法,但现有的样品前处理手段
 
就能满足分析需要。采用200μm光斑大小的激光,在压片后的样品上剥蚀9个位置,得到的光谱数据采用ASI数据分析软件包进行分析。图1为AMIS 171样品的典型光谱图(190-1000nm)。
                                 
采用ASI数据分析软件包,可对数据进行主成分分析(PCA),以判定样品成分的变异性(图2)。
在不同样品中,如果大量元素和微量元素存在差异,PCA分析功能就能作图显示数据点清晰的分组。通过PCA分析,用户可以快速有效的掌握样品的成分变异,并及时监控开采样品的一致性。
    尽管在同一组中不同样品存在基体差异,但通过ASI分析软件强大的多变量校准算法,可精确得到兴趣元素的浓度。本试验中,采用矿石标准样品被建立ASI分析软件的多变量标准曲线。7个标准样品用于建立曲线,1个(AMIS 193,作为待测样品)用于检测建立的标准曲线的准确度和精度。Al和Co元素的多变量标准曲线见图3。Al的浓度范围为2.09%~12.4%,Co为49ppm~820ppm。
                

表1为通过AMIS矿石标准样品建立的标准曲线检测待测样品(AMIS 193)结果的准确度和精度。其中除了Ni的偏差为-14.9%,其余的样品偏差均<10%。然而测量结果的Ni元素的含量为的11175ppm,在参考范围(11152-15112ppm)之内;且待测样品的其它元素测量值与参考值相比,RSD均小于7.0%。
 
结论
    LIBS技术提供了一种同时检测矿石样品多种元素的快速分析方法,检测范围从ppm~wt%。在此案例中,通过压片进行前处理的样品(样品的基体效应与常规的XRF分析方法相同),通过LIBS分析得到较好的准确度和精度。因为LIBS具有能检测重要的轻元素,如Li、B、C、H、O、N、Al、Ca、Mg、Si等,同XRF相比,LIBS技术更为高效。LIBS技术将成为矿产业有力的技术手段。采用矿产业已经建立的样品前处理方法(如前文提到的压片),ASI的J200就能得到H、Li、Be、B、C、N、O、F等其它分析方法很难或不可能得到的元素信息。
 
  


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