[論文レビュー] Laser-induced breakdown spectroscopy: A versatile technique of elemental analysis and its applications

V. N.|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2014

Laser-induced spectroscopy and plasma参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、リアルタイムで現地での元素分析が可能な多元素分析技術としてのレーザー誘発破壊分光法（LIBS）をレビューしている。磁場によるプラズマ閉じ込めとデュアルパルス励起による感度向上の進展を強調し、環境モニタリング、産業分析、爆発物や生物兵器など危険物の検出への応用を示している。

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.

研究の動機と目的

• レーザー誘発破壊分光法（LIBS）を用いた元素分析分野における最新技術のレビューを目的とする。
• 現場および微量分析応用において、従来のLIBSの低感度という課題に対処することを目的とする。
• ポータブルで現地での分析が可能な用途に適したLIBSシステムの小型化を検討することを目的とする。
• 磁場によるプラズマ閉じこめと二重パルス励起を含む、LIBS感度向上手法を調査することを目的とする。
• 爆発物や生物的物質などの危険物の検出におけるLIBSの適用可能性を示すこと

提案手法

• レーザー誘発破壊分光法（LIBS）は、集光されたレーザーパルスを用いて試料表面にマイクロプラズマを生成する。
• 生成されたプラズマからの発光スペクトルを収集・分析し、特徴的な原子発光線に基づいて元素組成を同定する。
• 外部磁場を適用してプラズマを閉じ込め、その寿命を延長することで感度を向上させる。
• 二重パルスレーザー励起を用いることで、プラズマの温度と発光強度を上昇させ、検出限界を改善する。
• 同時に多元素検出が可能であり、局所的マイクロ分析および表面評価が可能である。
• 現場応用を支援するため、携帯性とリアルタイム分析を考慮した小型化されたLIBSシステムが開発されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてLIBSの感度を微量分析および現場応用のための元素分析に向上させられるか？
• RQ2 外部磁場によるプラズマ閉じこめが、LIBS信号強度に果たす役割は何か？
• RQ3 単一パルスLIBSと比較して、二重パルスレーザー励起はプラズマ発光および検出限界にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 爆発物や生物的物質などの危険物の同定に、LIBSはどの程度有効であるか？
• RQ5 現場に設置可能なLIBSの小型化における主な課題と機会は何か？

主な発見

• 磁場閉じこめによって向上されたLIBSでは、ppmからppbの範囲で同時に多元素分析が可能である。
• レーザー誘発プラズマに外部磁場を適用することで、発光強度が上昇し、プラズマの寿命が延長され、感度が向上する。
• 二重パルスレーザー励起は、プラズマの形成と発光強度を顕著に向上させ、検出限界の改善に寄与する。
• LIBSは、複雑なマトリックス中における爆発物や生物的物質の同定および定量に成功している。
• 現場への展開に適した小型化されたLIBSシステムが開発され、環境および産業現場におけるリアルタイムで現地での元素分析が可能となった。
• アブレーションを基盤とするサンプリングメカニズムのおかげで、表面マイクロ分析および局所的元素マッピングへの応用の可能性が顕著に示されている。