[논문 리뷰] Laser-induced breakdown spectroscopy: A versatile technique of elemental analysis and its applications

V. N.|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 01.

Laser-induced spectroscopy and plasma참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS)을 다각도로 활용할 수 있는 실시간 현장 원소 분석 기술로 평가한다. 자기장 봉쇄와 더블 펄스 자극을 통해 감도를 향상시킨 기술 발전을 강조하며, 환경 모니터링, 산업 분석, 폭발물 및 생물학적 병원체와 같은 유해 물질 탐지에의 적용 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

This paper reviews the state of art technology of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Research on LIBS is gaining momentum in the field of instrumentation and data analysis technique due to its wide application in various field particularly in environmental monitoring and in industry. The main focus is on its miniaturization for field application and on increasing its sensitivity. The sensitivity of LIBS has been increased by confining the laser produced plasma using external magnetic field as well as using two successive laser pulse excitation of plasma. LIBS has capability for simultaneous multi element determination, localized microanalysis, surface analysis and has been used successfully for determination and identification of hazardous explosive and biological samples. Experimental findings of LIBS study in different applications have been discussed.

연구 동기 및 목표

• 레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS)을 통한 원소 분석 분야에서 최신 기술 동향을 검토하는 것.
• 현장 및 미량 분석 응용 분야에서 기존 LIBS의 낮은 감도 문제를 해결하는 것.
• 이동용 현장 분석을 위한 목적으로 LIBS 시스템의 소형화를 탐색하는 것.
• 자기장 봉쇄 및 이중 펄스 자극을 포함한 감도 향상 방법을 조사하는 것.
• 폭발물 및 생물학적 병원체와 같은 유해 물질 탐지에 있어서 LIBS의 적용 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS)은 집속 레이저 펄스를 사용해 시료 표면에 마이크로플라즈마를 생성한다.
• 플라즈마에서 발생하는 복사 스펙트럼을 측정하고 분석하여 특징적인 원자 발광선을 기반으로 원소 조성을 규명한다.
• 외부 자기장을 적용해 플라즈마를 봉쇄하고 수명을 연장함으로써 감도를 향상시킨다.
• 이중 펄스 레이저 자극을 통해 플라즈마 온도와 발광 강도를 증가시켜 검출 한계를 향상시킨다.
• 동시 다성분 검출, 국소적 마이크로분석 및 표면 특성 분석이 가능하다.
• 이동성과 실시간 분석을 고려한 소형화된 LIBS 시스템을 통해 현장 응용을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 트레이스 및 현장 기반 원소 분석을 위한 LIBS의 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장에 의한 플라즈마 봉쇄가 LIBS 신호 강도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 단일 펄스 LIBS에 비해 이중 펄스 레이저 자극이 플라즈마 발광 및 검출 한계에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 폭발물 및 생물학적 병원체와 같은 유해 물질 식별에 있어서 LIBS는 얼마나 효과적인가?
• RQ5 현장 적용 가능한 소형화 LIBS 시스템을 개발하는 데 있어 핵심 과제와 기회는 무엇인가?

주요 결과

• 자기장 봉쇄를 통해 향상된 LIBS는 ppm에서 ppb 범위의 검출 한계를 갖는 동시 다성분 분석이 가능하다.
• 레이저로 생성된 플라즈마에 외부 자기장을 적용하면 발광 강도가 증가하고 플라즈마 수명이 연장되어 감도가 향상된다.
• 이중 펄스 레이저 자극은 플라즈마 형성과 발광 강도를 크게 향상시켜 검출 한계를 개선한다.
• 복합 기질 내에서 폭발성 물질과 생물학적 병원체를 성공적으로 식별하고 정량화하는 데 LIBS가 응용된 바 있다.
• 소형화된 LIBS 시스템이 개발되어 환경 및 산업 현장에서 실시간 현장 원소 분석이 가능하게 되었다.
• 이 기술은 탄성 기반 표면 샘플링 메커니즘 덕분에 표면 마이크로분석 및 국소 원소 맵핑에 강력한 잠재력을 보인다.