Лазерные спектрометры (LIBS): принцип работы и области применения
Лазерный спектрометр (LIBS) — это прибор для определения химического состава материалов с помощью направленного лазерного импульса. Он применяется для анализа металлов, сплавов, пластмасс, горных пород и других веществ без сложной подготовки образца.
Такие устройства обеспечивают быстрый бесконтактный анализ и широко используются в промышленности, геологии и научных исследованиях. Метод LIBS менее точен по лёгким элементам (C, S, P), чем оптико-эмиссионная спектроскопия, но отличается мобильностью и скоростью.
Принцип работы лазерного спектрометра
- Лазерный импульс направляется на поверхность образца.
- В точке воздействия формируется микроплазма с температурой до 10 000 °C.
- Атомы и ионы в плазме излучают свет в характерных длинах волн.
- Спектрометр регистрирует излучение и формирует спектр.
- По спектру определяется состав и концентрация элементов.
Преимущества метода LIBS
- Не требует сложной подготовки образца
- Результат анализа за несколько секунд
- Работа с твёрдыми, жидкими и газообразными пробами
- Подходят для выездных и полевых измерений
- Минимальное повреждение поверхности
Недостатки технологии
- Меньшая точность по сравнению с ОЭС и РФА
- Ограниченная глубина анализа (0,1–100 мкм)
- Чувствительность к загрязнениям поверхности
Ключевые компоненты LIBS-систем
| Компонент | Характеристики | Современные решения |
| Лазер | Nd:YAG (1064 нм), 1–100 мДж | Фемтосекундные источники для снижения термического воздействия |
| Оптика | Линзы и зеркала фокусировки | Автофокус с видеокамерой |
| Спектрометр | Дифракционная решётка + детектор | Компактные эшелле-системы |
| Детектор | ICCD / CMOS / CCD | CMOS-матрицы до 25 спектров/с |
| ПО | Хемометрический анализ | AI-алгоритмы идентификации материалов |
Типы лазерных спектрометров LIBS
По конструкции
| Тип | Характеристики | Пример | Применение |
| Лабораторные | Высокая точность, охлаждаемые детекторы | Applied Spectra J200 | Научные исследования |
| Промышленные | Роботизированные системы | SciAps Z-903 | Контроль на конвейере |
| Портативные | Аккумуляторные, < 2 кг | TSI ChemLite | Полевые работы |
| 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) — лёгкие 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 и сплавы | Лучше проводят излучение | Fe, Al, Cu, Mg, Zn |
| Порошки и почвы | Прессуются в таблетки | Si, Ca, K, Na |
| Полимеры | Анализ наполнителей | Cl, Br, Sb |
| Биоматериалы | Замораживание для однородности | Ca, P, Mg |
| Жидкости | Используются специальные кюветы | Na, K, Li |
Ограничения: LIBS хуже определяет H, He и O и требует калибровок при выраженных матричных эффектах.
Преимущества лазерных спектрометров
| Плюс | Описание |
| Без пробоподготовки | Не требуется резка или плавление материала |
| Быстродействие | Результат за секунды |
| Мобильность | Переносные и ручные модели |
| Минимальные повреждения | Локальный анализ |
| Полевое применение | Геология, строительство, производство |
| Универсальность | Работает с металлами, камнем, пластиком, стеклом |
Недостатки
| Минус | Описание |
| Ниже точность | По сравнению с ОЭС или РФА |
| Зависимость от поверхности | Загрязнения влияют на результат |
| Ограниченный диапазон | Трудности с определением C, P, S |
| Высокая стоимость | У профессиональных моделей |
Основные области применения
- Промышленность: контроль марок сталей и сплавов, сортировка металлов, входной контроль сырья.
- Производство: анализ сварных швов, контроль трубопроводов, выявление легированных сталей.
- Геология: полевое определение руд и минералов.
- Наука и исследования: изучение материалов без повреждения образцов.
- Образование: учебные и диагностические лаборатории.
Популярные модели лазерных спектрометров
| Модель | Производитель | Особенности |
| SciAps Z-500 / Z-901 | SciAps (США) | Портативные для металлов и руд |
| Rigaku KT-100S / KT-100SX | Rigaku (Япония) | Компактные для полевых условий |
| Applied Spectra ChemCam | Applied Spectra (США) | Использовались на марсоходе Curiosity |
| Tandem-LIBS | Европа / Россия | Научные и экспериментальные разработки |
Сравнение с другими методами анализа
| Метод | Подготовка образца | Измерение на месте | Точность | Область применения |
| Лазерный спектрометр (LIBS) | Минимальная | Да | Средняя | Экспресс-анализ в полевых условиях |
| Оптико-эмиссионный (OЭС) | Требуется | Нет | Высокая | Контроль на заводах |
| Рентгенофлуоресцентный (РФА) | Минимальная | Да | Хорошая | Руды, грунты, масла |
| ИК-Фурье спектрометр | Значительная | Нет | Очень высокая | Органические соединения |
Элементы, определяемые LIBS-спектрометром
| Элемент | Возможность определения |
| Fe, Cu, Al | ✅ Отлично |
| Cr, Ni, Mo | ✅ Хорошо |
| C, P, S | ⚠️ Ограниченно |
| V, Ti и другие следовые | ✅ При наличии калибровки |
| Si, B и неметаллы | ✅ В большинстве моделей |
Примеры практических задач
- Определение марки стали перед сваркой
- Сортировка металлолома
- Поиск следовых элементов в рудах
- Контроль грунта и минералов на месторождениях
- Контроль качества в производственных циклах
- Анализ артефактов в музейных и археологических исследованиях
Заключение
Лазерные спектрометры (LIBS) — эффективные инструменты для быстрого определения элементного состава без разрушения образца. Они применяются в производстве, науке и геологии, обеспечивая надёжный экспресс-анализ в любых условиях.
Компания ВЕЛМАС поставляет современные LIBS-спектрометры, оптические и рентгеновские анализаторы, а также оборудование для неразрушающего контроля по всей России. Вы можете получить консультацию, демонстрацию и подобрать прибор под задачи вашего предприятия на официальном сайте velmas.ru.
.png){kind=icon}
)).png){kind=icon}
