J200 LIBS光谱技术在碳氮磷元素测量中的应用

碳氮磷元素是自然界丰富的主量元素。对它们的研究，在土壤和植物领域具有重要的意义。我们利用LIBS激光光谱技术测量C,N,P元素，具有无需样品前处理，测量速度快等优势，已广泛应用于各个领域。

LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），激光诱导击穿光谱技术，俗称激光光谱元素分析技术，检出限可达ppm级。当激光作用于样品表面时，在短时间内诱导产生含有样品物质的等离子体，等离子体产生的过程中，发射出带有样品元素信息的发射光谱，通过分析这些发射光谱，得到样品的元素信息。随着等离子的冷却，凝结的样品颗粒可输送到ICP-MS，可测量样品中的微量、痕量元素或同位素，检出限可达ppb级。 测量的元素可覆盖元素周期表中的大部分元素，高达100多种。

美国洛斯阿拉莫斯实验室地球与环境分部，针对土壤进行了C，N,P元素的测量。采用土壤取样器，取剖面的土壤样品，均匀混合后压片。采用LIBS系统进行实验及测量。实验采用1064nm激光，频率10Hz，能量100mJ。根据不同的测量元素和实验区域，进行100-200个激光脉冲剥蚀。

1）下图为碳元素的特征强峰位置以及C/(Al+Si)的标准曲线

2）下图为C/Si的比值结果，实验在1mm2区域内进行，200个激光脉冲。

3）下图是N元素特征强峰的位置以及沙土粘土混合物的校正曲线，氮元素含量在0.3-6%之间。氮元素的特征峰出现在746.83nm。实验时在样品上采样5次，每次100个激光脉冲。检出限可达0.3-0.8%。如果通入适当的氩气，可以将检出限降到0.1-0.3%。

4）下图是是P元素的特征强峰位置以及其校正曲线，样品中磷元素的含量大约在300-4300ppm。实验时在样品上采样5次，每次200个激光脉冲。磷元素的特征峰出现在255.32nm。通过实验磷元素的检出限大约在300-1000ppm。

5）下图为氦气和氩气对实验的辅助作用

实验结论：

通过如上的实验建立了非金属元素的测量方法，且快速有效。非金属元素的检出限略高于金属元素，但在实验中依然可以很好的测量。碳元素的特征峰出现在247.856nm，也可以使用193.091nm，这里无其他元素的干扰。氮元素的特征峰出现在746.83nm。磷元素的特征峰出现在255.32nm。另外，通入一些气体对实验有更好的帮助，例如通入氩气有增敏的作用，可以将氮元素的检出限降到0.1-0.3%。在测量碳元素和磷元素时可以通入氦气起到降噪的作用。为了更好的测量到这些非金属元素，可以适当增加采样量，例如采用慢速线性扫描的实验方式，通常在这种情况下平台移动速度设置为0.2-0.5mm/s，这样实验方法有两种好处，一是可以在样品表面获得更多的脉冲点数，数据累加后增加了强度值，另外也避免了只在某一个实验点一直作用下可能导致的一些负面影响。