WD-J200 激光光谱元素分析仪

技术背景

       激光作用于样品在极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，通过检测这些发射光谱，得到样品元素含量信息。这种技术被称为激光诱导击穿光谱技术（LIBS,Laser Induced Breakdown Spectroscopy ），俗称激光光谱元素分析技术。该技术由于无需或极少需要样品前处理，针对固体样品也可数秒钟得到测量结果，几乎可检测元素周期表上全部元素，并且可多元素同时检测，而在陆地生态、地球化学、环境科学、钢铁冶金、材料科学、生命科学、海洋地质、宝石鉴定、重金属污染检测等领域都有广泛应用。

系统介绍

       WD-J200激光光谱元素分析仪是在我司引进的基于劳伦斯伯克利国家实验室30多年激光基础理论研究成果推出的quan球ding级LIBS元素分析仪产品基础上，配备专用样品室、压片制样单元、专用操作系统和显示单元等进行集成的一套更符合我国用户操作使用习惯的专业产品。可应用于定性和定量分析土壤、植物、岩石矿物、合金、煤粉等多种物质中组分元素含量。

系统功能

快速检测土壤、植物、中草药、刑侦材料（玻璃、油墨等）、矿石、合金等样品中的：

常量元素N, P, K, Ca, Mg, S

微量元素Fe, Cu, Mn, Zn, B., Mo, Ni, Cl

痕量元素：可检测化学周期表上几乎所有元素

其他：有机元素C、H、O和轻元素

Li、Be、Na等（其他技术很难分析）检出限达ppm级

工作原理

       WD-J200激光光谱元素分析仪的固体激光器产生激光通过光路系统作用于样品表面。当激光能量大于样品击穿门槛能量时，在样品表面形成等离子体。这些等离子体中受激光能量激发到达高能态的样品物质在迅速回迁至低能态的过程中，发射出带有样品元素种类、含量信息的发射光谱，这些发射光谱信号被智能信号收集系统收集并传输至光谱仪中进行分光，再由CCD检测器进行检测，得到元素信息。

硬件特点

       WD-J200激光光谱元素分析仪的激光器能量输出连续可调，可做到分层剥蚀，从而得到叶片、根茎、岩层、矿石等样品同一点不同深度的元素含量和元素分布图（elements mapping)，而且对于不同的样品可选择合适的能量范围，避免了过高的能量将植物等样品烧穿。同时，还可以确保每个采样点的激光脉冲能量稳定一致，得到高精度定量结果。

      WD-J200测量结果可重复，数据可靠。WD-J200激光光谱元素分析仪采用高度自动调整、激光能量稳定阀、3D全自动操作台，具备shi无前例的自动化水平。剥蚀导航激光和样品高度自动调整传感器相结合解决了若样品表面凹凸不平而剥蚀不均、导致元素含量值误差大的问题，确保了到达样品表面的激光能量均匀，使所有采样点的激光烧蚀均匀一致，而不用考虑样品凹凸不平带来的影响。

       激光光斑大小（到达样品表面的烧蚀光斑直径）可调，可进行多种分析：全分析、夹杂物和微光斑分析、深度分析和元素分布制图等。在做夹杂物和块体的化学分析时，如检测含包裹体的地质样品中包裹层和周围块体的化学元素时，此功能的作用表现更为明显。

       采用缓冲气和低压室增强分析信号，样品室提供两种测量环境：大气压或低压条件下的氩气和氦气环境。我们公司不但可提供固体样品室，同时还可根据用户需求配置气体样品室、液体样品室，并通过设置可自动切换的光路系统，实现气、液样品室及固体样品室在同一LIBS系统中的自由切换，测量过程中无需人为拆卸，实现了样品室切换的自动化。

       采用全自动高精度XYZ三维样品台，提高分析精度。在进行元素分布（elemental mapping)时，更高的行程分辨率能得到更为精确的元素分布图。

       自动样品高度调整功能，解决样品表面凹凸不平，保持相同的激光焦点，提供相同的激光能量，确保所有采样点的激光剥蚀均匀一致。

       系统可配置ICCD和CCD双检测器，单次测量谱宽达190-1040 nm。双检测器可专门、顺序、快速用于检测气液样品及固体样品检测，无需手动更换样品室，实现了样品室快速转化的自动性。同时，可快速检测未知样品的全部元素组成并对其中有研究意义的某个或某部分元素进行深度定量分析，开创了LIBS测量更多的可能性，使检测范围更广、分析更精确。

       WD-J200光谱仪检测器不受外界环境温度影响，无需进行特殊的环境控制，使用寿命长。新型集光镜提高检测灵敏度。在UV~NIR的全光谱段均匀、恒定、zui大限度地收集等离子体发射谱线，并zui大限度减少色差。

       双CMOS彩色相机，广角用于定位采样区域，高倍成像用于观察某一特定区域，自动聚焦。用户可先捕捉宽视野样品表面图像，然后使用保存的图像浏览不同样品区域，再高倍放大某一区域进行研究。

       WD-J200激光光谱元素分析仪采用模块化设计，易于更新。激光器和光谱仪（检测器）可根据样品的种类及用户的研究目的进行升级，甚至配置双检测器；WD-J200 激光光谱元素分析仪可升级至WDJ200激光质谱联用元素分析仪，实现一机两用：除了直接元素分析外，还可作为进样系统与ICP-MS联用，避免了ICP-MS分析中繁杂的样品前处理过程，这是我们WD-J200 激光光谱元素分析系统的独有优势。

软件特点

       Axiom LIBS软件实现对所有硬件组件的控制。提供多种采样模式，包括直线、曲线、随机点、网格任意大小和自定义采样等。通过设置参数，实现无人值守的条件下自动采样。单脉冲采用数秒可完成。多次采样时，软件自动统计监测LIBS的强度，监控信号质量，获得精确的定量分析结果。

       真正意义的TruLIBS™数据库。该数据库是经过激光烧蚀得到的元素特征谱线数据库，是真正意义的LIBS等离子体光谱数据库。与NIST光谱数据库相比，TruLIBS™数据库能快速、准确地识别LIBS发射谱线。各种搜索功能，如波长范围、元素种类和等离子体激发态，将搜索时间缩短至几秒。TruLIBS™允许用户直接上传LIBS光谱曲线，进行谱峰的识别和标记。

       采用NIST光谱数据库对同一激光光谱进行判别，不能有效判别元素特征谱线

      采用TruLIBS™数据库可有效辨别元素特征谱线

       系统数据分析软件功能强大。能任意选取谱线及背景，自动计算谱线的净强度；计算两个波峰之比；自动计算所有波峰的标准偏差；同步分析所有文件夹及目录下的测量数据。

       制定标定曲线，完成高精度定量分析。软件通过标准参考物质做出标准曲线，再选择被测样品的一种或多种元素发射光谱进行标定，得到这些元素的浓度及其检测限，方法准确简单而快速。软件可建立单变量和多变量两种标准曲线。单变量标准曲线对于基质较为简单的样品分析效果较好，但对于基质较为复杂的样品，例如土壤、植物样品则效果不好，这是因为基质中其它元素对目标元素的影响。采用多变量标准曲线能更好降低其它元素的影响，使分析结果更为精确。

       WD-J200软件系统具有先进的数据分析工具，实现化学统计功能。如：PCA、PLS、多参数线性回归、化学统计分析等。并可通过样品某一特定元素的二维或三维分布制图，形象展示样品元素的分布。

       WD-J200能跟踪信号统计。软件可比较多个谱线；实时监控每个谱线的峰值强度，帮助优化采样模式；还可检测激光的一致性和每个光闪的变化。具有谱线自动识别功能：方便实现样品元素含量的定量分析，方便实现样品表面元素分布制图功能。

技术参数

一、工作条件：

1、适于在气温20℃±5℃，相对湿度0-65％的环境条件下长期连续稳定运行,正常实验室环境，无需超净或特殊实验环境；

2、适于功率在110VAC-240VAC(5-10AMP),50/60 Hz的供电条件下长期正常工作；

3、系统工作台需≥37〃(长度)X27〃(宽度)X25〃（高度）,承重≥300磅；

二、技术规格与要求

1、激光源：Nd:YAG纳秒级固体激光器，激光波长266nm，平顶光束剖面，自动激光光闸，连续可变光学衰减器。另有1064nm光源可选，其他规格可定制。

1.1激光最大脉冲能量：25mJ/Pulse@266nm，能量输出0-100%可调；

1.2激光最大重复频率：20Hz，连续可调；

1.3脉冲宽度：＜6ns；

1.4光斑大小：光斑尺寸20 -200μm连续可选，配有精确光斑控制单元

2、CCD增强型光谱仪：谱宽：190－1040nm，6通道，CCD线性阵列检测器，门延迟控制时间0.5ns-1ms，高灵敏度，分辨率0.5ns。

2.1光谱精度：优于±0.05nm

2.2光谱分辨率：0.08nm@500nm

2.3带双检测器接口，可升级。

3、样品室：密闭式设计，内部空间100mm×100mm，带可互换的装载垫，样品仓可充入氩气或氦气等惰性气体。

4、主机自带DI水冷系统，为单独外循环过滤器，具有过载安全保护功能。

5、气路控制系统：软件自动控制载气流量及方向，多种气流模式。

5.1气体控制器：控制载气进出样品仓，电磁气控阀样品仓的气路，集气管可防止颗粒物堆积而产生记忆效应，易拆卸，便于定期清洗；

5.2数字流量控制器：控制泵入样品仓的气体流量，可通过软件对载气或补充气进行自动排序和控制，防止等离子体熄火；

6、全自动样品操作台：步进马达、X-Y-Z三维控制,超级稳固Z轴台，速度0-10mm/s。

6.1X-Y轴行程100mmx100mm,步进分辨率0.2μm，Z轴：行程35mm,步进分辨率1μm；

6.2样品高度自动调整系统：自动调整样品高度，保证打在样品表面各剥蚀点的激光能量均匀稳定。由@670nm红色导航定位激光及三角高度自动调节传感器组成，高度自动调节传感器用于控制样品表面凹凸不平对剥蚀效果的影响，红色导航定位激光用于指示剥蚀点，并提供Z轴位置反馈信息给三角高度传感器。

7、显微观察及成像系统：具有主辅两套观察系统，分别显示显微放大图像和广角导航图像，全部兼容。

7.1高分辨率双CMOS相机，可光学变焦；di一个大视野相机广角镜头用于样品的区域定位导航，全范围观察样品；第二个相机高倍放大镜头用于显微、聚焦烧蚀点，便于观察样品烧蚀区域及过程；

7.2内置1280x1024CMOS彩色成像系统，与定位系统配套使用。

8、照明系统：高强度LED泛光，照明亮度可选并由软件控制；

9、操作软件：软件可控制所有的机械和电子功能，包括采样模式、激光脉冲能量、光斑大小、重复率、采样点定位、自动聚焦、样品室三维移动、样品仓气流（开／关，流速）、门延迟时间等参数；

9.1采样模式：能够设定和在一系列剥蚀模式中选择，具有单点分析、深度分析、多点矩阵分析、栅格扫描、mapping扫描、单线扫描、多线扫描、自定义图形等剥蚀扫描功能；

9.2可在无人值守模式下，自动按照预先选定的设置进行分析；

9.3软件可与Windows™7系统或更高系统兼容；

9.4软件能保存不同的硬件命令，并按时间排序以自动完成测量，同时可在今后调用。

10、LIBS数据分析软件包：不仅内置NIST元素谱线数据库，更自带TruLIBS元素特征光谱数据库，涵盖元素周期表上几乎所有元素，允许上传测量谱线并储存，用于下次同类样品的标记和比较。

10.1可进行定性、定量（单变量和多变量）、元素分布mapping制图、样品分类鉴别、样品指纹数据库建立等多种分析功能，对于土壤类样品可以通过建立样品数据库对待测样品进行数据比对，判别是否同源及产地分类，无需第三方软件。

11、操作平台

11.1专用i7台式电脑及24”显示器

11.2操作系统：Window7正版或更高版本。

12、激光产品安全等级：Class I（安全机箱并带有互锁装置）。

13、专业工程师现场安装、调试、培训，提供终身仪器维修维护服务。

14、压片机：最大压力：10-35吨；压板面积：直径8cm；内部调节范围：可调整5-15cm；上部镙栓可调范围9cm；尺寸：约58cm×28cm×82cm，重量：约55kg。

15、整套系统总重量≥120Kg。

应用案例

1、土壤常量元素和微量元素的LIBS分析

将不同来源的9个土壤标准样品进行压片前处理，使用WD-J200的LIBS设备进行检测分析。采用专业的分析软件包对光谱图中的峰值进行了识别和标注。本案例关注的zhong点是土壤中的常量元素（P、Ca、Mg、K）和微量元素（C、B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn）。

       每个土壤标准样品上的激光烧蚀采样点均为5×5的网格（即25个采样点）。采用分析软件包中自带的主成分分析功能（PCA）进行分析，并对分析结果的精确度和样品类型判别能力进行了评价。图1为9个土壤标准样品的PCA三维分析结果图。9个被分析的标准样品中，25、27、28号样品各自的25个采样点的分析结果在PCA三维图中的位置相对于其它样品显示更为紧凑，这表示这三个样品的分析结果更为精确（即25个采样点的分析结果差异性更小）。9个标准样品的分析结果在PCA三维图上显示出良好的分离状态，这表示分析结果能良好的判断出这9个样品为不同类型（来源）土壤样品。

       采用的数据分析软件包建立了C元素的多变量标准曲线。图2为采用土壤标准样品建立的C元素的多变量标准曲线。

       采用建立的标准曲线检测另一个土壤标准物样品（被检测标准样品没有用于建立标准曲线），以此来评价分析的准确度和精度。表1为被检测的21号标准土壤样品的准确度和精度。

2、植物样品的激光诱导击穿光谱（LIBS）分析

       将不同来源的17个植物标准样品进行压片前处理。使用WD-J200的LIBS设备进行检测分析。测量植物样品元素组成，并进行样品类型判别，建立该组样品的分类图谱。采用专业的分析软件包对光谱图中的峰值进行了识别和标注。本案例关注的zhong点是植物样品中的常量元素（N、P、S、Ca、Mg、K）和微量元素（C、B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn）。

每个植物标准样品上的激光烧蚀采样点均为5×5的网格（即25个采样点）。采用分析软件包中自带的主成分分析功能（PCA）进行分析，以评价WD-J200用于判定不同植物样品类别的能力。图1为基于17个标准样品主成分分析结果的三维图。通过主成分1、2和4，17个样品的分析结果在三维图上有着良好的分离状况，这表明分析结果能良好的判断出17个样品为不同类型（来源）植物样品。

       由于植物样品基体的异质性，标准曲线的建立需要细致而周密的方法。分析软件包能提供多变量标准曲线建立的功能。图2为采用分析软件包，通过植物标准样品建立的Mg、Mn、P的多变量标准曲线。

       大蒜植物标准样品用于检测多变量标准曲线的准确度和精度（被检测标准样品没有用于建立标准曲线）。表1为大蒜标准样品Mg、Mn、P结果的准确度和精度。

3、植物组织中Pb、Mg、Cu元素分布分析

       通过WD-J200激光光谱元素分析仪检测向日葵叶片上铅、镁和铜元素的分布，以研究其植物体容纳、转运重金属的生理机制，从而为是否选取向日葵作为植物修复品种提供科学依据。图. 基于激光剥蚀技术的元素分布图。a)左图和a)右图为空白处理叶片上J200Tandem LA-LIBS两种激光剥蚀方式（LIBS和LA-ICP-MS）；b)为LIBS得到的元素分布；c)为LA-ICP-MS得到的元素分布；A)左图和A)右图为为500μM处理3天后叶片上LIBS和LA-ICP-MS的激光剥蚀方式；B)为500μM处理3天后叶片LIBS得到的元素分布；C)为500μM处理3天后叶片LA-ICP-MS得到的元素分布；D)和E)分别为LIBS与LA-ICP-MS得到的Pb元素分布

4、WD-J200 激光光谱元素分析仪在制药工程中的应用

通过WD-J200激光光谱元素分析仪检测药片A、药片B及混合后某元素成分的变化，以确定制药工艺。

5、WD-J200 激光光谱元素分析仪在能源环保行业的应用

       锂电池粘合剂聚偏氟乙烯膜中氟元素的含量及其分布是否均匀是决定其质量的重要因素，通过WDJ200 激光光谱元素分析仪可对聚偏氟乙烯膜不同层的氟元素分布进行快速制图。

       由上可见，WD-J200 激光光谱元素分析仪能够非常快速地得到样品的元素三维空间分布图，为进一步的科学研究提供其他传统手段所无法做到的检测手段。