Главная
Статьи
Лазерные спектрометры (LIBS)

Лазерные спектрометры (LIBS)

26 июля 2025

Лазерный спектрометр (LIBS)— то прибор, который определяет химический состав материала с помощью лазера. Он может работать с металлами, пластиками, горными породами и другими веществами.

Подходит для быстрого анализа без контакта, но менее точен по легким элементам (C, S, P), чем ОЭС.

Принцип работы:

Как он работает?

Лазер направляет («выстреливает») мощный узкий луч на образец.
Создается микроплазма (~10,000°C). (От места удара откалывается крошечная частичка материала, эта частичка превращается в горячее облако пара и ионов — плазму)
Атомы/ионы в плазме возбуждаются, и плазма начинает светиться и этот свет улавливается прибором.
Прибор анализирует излучаемый свет и разделяет его на отдельные длины волн (спектр).
По полученному спектру (цвету свечения) определяют, какие элементы входят в состав образца и в каком количестве.

Преимущества:

Не требует сложной подготовки образца
Быстрый результат (секунды)
Может работать с твердыми, жидкими и газообразными пробами
Портативные модели подходят для работы на выезде

Недостатки:

Меньшая точность по сравнению с ОЭС или РФА
Ограниченная глубина анализа
Чувствителен к загрязнениям поверхности

Для чего используется?

Контроль качества металлов и сплавов
Анализ руд и минералов
Диагностика материалов в труднодоступных условиях
Экспресс-анализ в полевых условиях (например, на производстве или стройплощадке)

Примеры задач:

Идентификация марок стали перед сваркой
Анализ состава чугуна или алюминиевых сплавов
Поиск легирующих элементов в изделиях без повреждения материала

Физическая основа:

Элементный состав определяется по длинам волн эмиссии
Концентрация - по интенсивности линий
Типичная глубина анализа: 0.1-100 мкм

Ключевые компоненты LIBS-систем

Компонент	Характеристики	Современные решения
Лазер	Nd:YAG (1064 нм), 1-100 мДж, 1-10 нс	Фемтосекундные лазеры для уменьшения термического воздействия
Оптика	Линзы/зеркала для фокусировки	Автофокусные системы с камерами
Спектрометр	Дифракционная решетка + детектор	Компактные эшелле-спектрометры
Детектор	ICCD, CMOS, CCD	Быстрые CMOS-матрицы (до 25 спектр/сек)
Программное обеспечение	Хемометрический анализ	AI-алгоритмы для идентификации материалов

Виды LIBS-спектрометров

3.1. По конструкции

Тип	Характеристики	Примеры	Применение
Лабораторные	Высокая точность, охлаждаемые детекторы	Applied Spectra J200	Научные исследования
Промышленные	Роботизированные системы	SciAps Z-903	Конвейерный контроль
Портативные	Аккумуляторные, <2 кг	TSI ChemLite	Полевые измерения
Ручные	Пистолетная форма	B&W Tek NanoLIBS	Сортировка металлов

По спектральному диапазону

UV-VIS (200-850 нм): Основные металлы (Fe, Al, Cu)
NIR (900-1700 нм): Легкие элементы (Li, Be, B)
Широкодиапазонные: Полный элементный анализ

По типу лазера

Наносекундные: стандартные системы (5-10 нс)
Пикосекундные: меньше термического воздействия
Фемтосекундные: минимальный кратер (<1 мкм)

Анализируемые материалы

Материал	Особенности анализа	Типичные элементы
Металлы/сплавы	Лучше проводящие образцы	Fe, Al, Cu, Mg, Zn
Порошки/почвы	Прессование в таблетки	Si, Ca, K, Na
Полимеры	Анализ наполнителей	Cl, Br, Sb
Биологические	Заморозка для однородности	Ca, P, Mg
Жидкости	Специальные кюветы	Na, K, Li

Ограничения:

Плохая точность для H, He, O
Матричные эффекты требуют калибровок

Преимущества лазерных спектрометров

Плюс	Объяснение
Без пробирной подготовки	Не нужно резать, шлифовать или плавить материал перед анализом
Быстро	Результат за секунды или минуты
Мобильность	Есть переносные и даже ручные модели
Не разрушает образец полностью	Анализ проводится локально, повреждение минимально
Подходит для полевых условий	Используется в геологии, строительстве, на производстве
Работает с любыми материалами	Металлы, камни, стекло, пластик и др.

❌ Недостатки

Минус	Объяснение
Меньшая точность	По сравнению с ОЭС или РФА — не такая высокая чувствительность к малым концентрациям
Зависит от поверхности	Если поверхность загрязнена — результат может быть неточным
Ограниченный диапазон некоторых элементов	Например, углерод, фосфор и сера могут определяться хуже, чем в других методах
Высокая стоимость	Особенно у профессиональных моделей

Для чего используются?

1. В промышленности

Контроль марок сталей и сплавов
Сортировка металлов на складах и производствах
Входной контроль сырья

2. На производственных объектах

Проверка сварных швов
Анализ трубопроводов
Обнаружение легированных сталей

3. Геология и минералогия

Идентификация руд на месте
Полевой анализ почв и горных пород

4. Наука и исследования

Анализ артефактов без повреждений
Исследование материалов в лаборатории

5. Образование и диагностика

Учебные лаборатории
Диагностика оборудования в учебных целях

Примеры популярных моделей:

Модель	Производитель	Особенность
SciAps Z-500 / Z-901	SciAps (США)	Портативные, работают с металлами и рудами
Rigaku KT-100S / KT-100SX	Rigaku (Япония)	Компактные, удобны в полевых условиях
Applied Spectra ChemCam	Applied Spectra (США)	Использовались на марсоходе Curiosity!
Tandem-LIBS	Европейские и российские разработки	Экспериментальные модели, часто для научных исследований

Чем отличается от других анализаторов?

Метод	Требуется подготовка образца?	Можно использовать на месте?	Точность	Где применяется
Лазерный спектрометр (LIBS)	Минимальная	Да, на месте	Средняя	Полевые работы, экспресс-анализ
Оптико-эмиссионный спектрометр (ОЭС)	Да (шлифовка, искра/дуга)	Только в лаборатории	Высокая	Контроль качества на заводах
Рентгенофлуоресцентный анализатор (РФА)	Минимальная	Да, на месте	Хорошая, но не все элементы	Анализ руд, грунтов, масел
ИК-Фурье спектрометр	Значительная	В лаборатории	Очень высокая	Органика, химические соединения

Какие элементы можно определить?

Лазерный спектрометр может определить большинство элементов таблицы Менделеева :

Элементы	Возможность определения
Железо (Fe), медь (Cu), алюминий (Al)	✅ Отлично
Хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo)	✅ Хорошо
Углерод (C), фосфор (P), сера (S)	⚠️ Ограниченно (зависит от модели и оптики)
Следовые элементы (ванадий, титан и др.)	✅ В зависимости от калибровки
Неметаллы (кремний, бор и др.)	✅ В большинстве случаев