玻璃中多元素检测方案(激光诱导击穿)

利用应用光谱的J200 LIBS建立司法鉴定玻璃的信心 玻璃碎片是一种重要的法医痕迹证据，有助于将个人或车辆与犯罪现场联系起来。法医分析师需要一种可靠的方法，将有可疑的玻璃碎片与已知来源进行匹配。 作为痕量证据的玻璃碎片有多种分析方法。玻璃的物理特性，如颜色、厚度、形状或纹理，可以作为第一次筛选进行直观研究。折射率(RI)也被用作将玻璃碎片与已知来源相匹配的技术。然而，单独RI不能区分某些玻璃类型。例如，浮法玻璃和容器玻璃的折射率值非常相似，尽管这两种玻璃具有非常不同的化学成分。此外，平板玻璃制造工艺的巨大改进，使得使用物理性质和RI的检测来区分非常相似的玻璃碎片的有效性降低。 在法医学调查工具箱中加入元素分析可以显著提高玻璃鉴定结果的可信度。在玻璃制造过程中会添加不同的微量元素，如改性剂、着色剂、脱色剂或精制剂。因此，以高灵敏度分析玻璃碎片中诸如Li、B、Al、Ca、Mg、K、Sr、Ti、Fe和Zr等元素的能力，是充分利用元素分析进行玻璃鉴别的关键。 激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新兴的基于等离子体光发射光谱的快速元素分析技术。与XRF和SEM-EDS相比，LIBS可以提供更高的检测灵敏度和测量更轻的元素。LIBS是一种保持样品完整性的微采样技术。LIBS的检测速度也非常快，单个样品的测量持续时间不超过几秒，这使分析人员能够收集大量的比较数据，以减少类型I(假阳性)和类型II(假阴性)的错误。本应用简报将重点介绍如何利用J200 LIBS有效地分析玻璃样品。 操作参数 J200 LIBS 266nm 激光器 宽带频谱覆盖 样品：NIST SRM 621, 1411, and 1831,见表1 表1 NIST SRM信息 样品分析 用具有宽带光谱覆盖范围的Applied Spectra的J200 LIBS仪器分析来自NIST（国家标准与技术研究院）的三个玻璃标准。使用266nm波长的激光对玻璃样品进行有效的能量耦合，并提供温和的剥蚀以保持样品的完整性。三个玻璃样品被放置在抽屉式样品室。使用Applied Spectra的Axiom软件对样品进行可视化，选择特定区域进行分析，快速采集LIBS光谱进行元素鉴定和成分比对。 使用J200 Axiom仪器操作软件对激光器和光谱仪的分析参数进行优化。凭借其从紫外到近红外的宽带光谱覆盖特性，Applied Spectra J200 LIBS允许同时检测多个关键元素，从而在一次剥蚀识别玻璃样品。图2显示了NIST 1411的宽带LIBS光谱，该光谱基于ASI专利的TruLIBS发射光谱数据库，进行精确的发射峰识别。 图1 Axiom软件截图：右下角窗口中较小的图像显示了加载的样本的放大视图，较大的图像是分析区域的放大图像 图2 NIST 1411的宽带LIBS光谱 对Si、Al、Ca、K、Mg、Ba和Sr的元素分析，是由于这些元素是法医比较使用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法测定钠钙玻璃样品中微量元素在法医学比较中的现行标准测试方法感兴趣的元素(ASTM E2927-13)。 可疑玻璃碎片和已知来源玻璃的元素组成的差异将导致不同的LIBS发射线特征。同样，关键元素的光谱强度值也会随着不同玻璃中这些元素的含量而变化。图3突出显示了被测玻璃标准之间的元素差异。它还显示了几个关键元素的光谱强度差异，即Ca、Mg、Ba和Si。 图3 NIST 1411、1831和621的叠加LIBS谱 另一种鉴别玻璃的方法是利用基于玻璃样品宽带LIBS光谱的主成分分析(PCA)。在主成分分析中，复杂的LIBS光谱是基于几个称为“主成分”的维度重新绘制的，这些维度强调了光谱的差异。J200数据分析软件提供了一个集成的主成分分析算法来使LIBS数据可视化，以图形化分类玻璃样品。内置的PCA算法允许分析人员建立一个玻璃碎片样本的数据库，然后将一个未知样本与该库进行比较，利用样本中的所有光谱信息对未知进行分类。结果以图形化方式显示，具有相似的样本聚类，如图4。 图4 NIST SRM样本集的主成分分析结果图 总结 分析三种NIST玻璃标准参考材料，检测Si、Al、Ca、K、Mg、Ba和Sr，并突出与这些元素相关的LIBS信号差异。对数据集进行主成分分析，以证明基于宽带LIBS光谱的玻璃鉴别和分类。 Applied Spectra J200 LIBS仪器可以快速有效地检测和识别玻璃样品中已知的感兴趣元素，同时保持样品的完整性。此外，该数据分析软件还可以通过主成分分析对玻璃样品进行有效分类。在分析玻璃证据时，J200已被证明是法医鉴定的有利工具。 可疑玻璃碎片和已知来源玻璃的元素组成的差异将导致不同的LIBS发射线特征。同样，关键元素的光谱强度值也会随着不同玻璃中这些元素的含量而变化。图3突出显示了被测玻璃标准之间的元素差异。它还显示了几个关键元素的光谱强度差异，即Ca、Mg、Ba和Si。                                               图3 NIST 1411、1831和621的叠加LIBS谱另一种鉴别玻璃的方法是利用基于玻璃样品宽带LIBS光谱的主成分分析(PCA)。在主成分分析中，复杂的LIBS光谱是基于几个称为“主成分”的维度重新绘制的，这些维度强调了光谱的差异。J200数据分析软件提供了一个集成的主成分分析算法来使LIBS数据可视化，以图形化分类玻璃样品。内置的PCA算法允许分析人员建立一个玻璃碎片样本的数据库，然后将一个未知样本与该库进行比较，利用样本中的所有光谱信息对未知进行分类。结果以图形化方式显示，具有相似的样本聚类，如图4。图4 NIST SRM样本集的主成分分析结果图