レーザー誘起ブレークダウン分光法
LIBSシステムの概略図– 米陸軍研究所提供

レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS ）は、高エネルギーレーザーパルスを励起源として用いる原子発光分光法の一種である。 [ 1 ] [ 2 ]レーザーを集光してプラズマを形成し、試料を原子化・励起する。プラズマの形成は、集光されたレーザーが光ブレークダウンの閾値に達したときに開始される。閾値は一般的に環境と対象物質に依存する。[ 3 ]

2000年代の発展

2000年から2010年にかけて、米国陸軍研究所（ARL）は、危険物質の検出に重点を置いたLIBS技術の潜在的な拡張性に関する研究を行いました。[ 4 ] [ 5 ] ARLで研究された用途には、爆発性残留物やその他の危険物質のスタンドオフ検出、プラスチック地雷の識別、様々な金属合金およびポリマーの材料特性評価などが含まれます。ARLが発表した結果は、LIBSがエネルギー物質と非エネルギー物質を識別できる可能性を示唆しています。[ 6 ]

研究

広帯域高解像度分光計は2000年に開発され、2003年に商品化されました。材料分析用に設計されたこの分光計により、LIBSシステムは低濃度の化学元素に対しても感度を持つようになりました。[ 7 ]

2000年から2010年にかけて研究されたARL LIBSの応用には以下が含まれる: [ 5 ]

  • ハロン代替物質の検出試験済み
  • 土壌や塗料中の鉛の検出に現場ポータブルLIBSシステムをテストしました
  • 異なる浴ガス中のバルクアルミニウムからのアルミニウムおよび酸化アルミニウムのスペクトル発光を研究した。
  • LIBSプルームの運動モデル化を実施
  • 地質学的物質、プラスチック地雷、爆発物、化学兵器および生物兵器代替物質の検出と識別を実証しました。

この期間に研究されたARL LIBSプロトタイプには以下のものがあった。[ 5 ]

  • 実験室のLIBSセットアップ
  • 商用LIBSシステム
  • 携帯型LIBS装置
  • 100 メートル以上の距離での爆発性残留物の検出と識別用に開発されたスタンドオフ LIBS システム。

2010年代の展開

LIBSは、スパークOESなどの純粋な実験室技術とは対照的に、現場で使用できるいくつかの分析技術の1つです。2015年現在、LIBSに関する最近の研究は、小型で（人力で）持ち運び可能なシステムに焦点を当てています。LIBSの産業用途としては、材料の取り違えの検出、[ 8 ]、鋼中の介在物の分析、二次冶金におけるスラグの分析、[ 9 ] 、燃焼プロセスの分析、[ 10 ]、材料固有のリサイクル作業のためのスクラップ片の高速識別などがあります。データ分析技術を活用することで、この技術は医薬品サンプルにも拡張されつつあります。[ 11 ] [ 12 ]

短いレーザーパルスを用いたLIBS

多光子イオン化またはトンネルイオン化に続いて、電子は逆制動放射線によって加速され、近くの分子と衝突して新たな電子を生成する可能性があります。パルス幅が長い場合、新たにイオン化された電子は加速され、最終的には雪崩イオン化またはカスケードイオン化が起こります。電子密度が臨界値に達すると、ブレークダウンが発生し、レーザーパルスの記憶を持たない高密度プラズマが生成されます。したがって、高密度媒体におけるパルスの短さの基準は次のとおりです。高密度物質と相互作用するパルスは、相互作用中に雪崩イオン化の閾値に達しない場合、短いとみなされます。一見すると、この定義は制限が厳しすぎるように見えるかもしれません。幸いなことに、高密度媒体におけるパルスの挙動は繊細にバランスが取れているため、閾値に容易に到達することはありません。このバランスの原因となる現象は、高密度媒体中を強いレーザーパルスが伝播する際のフィラメント化プロセスの開始による強度クランプ[ 13 ]です。

LIBSの潜在的に重要な発展は、分光光源として短レーザーパルスを用いることである。[ 14 ]この方法では、超高速レーザーパルスをガス中に集束させることでプラズマ柱が生成される。この自発光プラズマは、連続波レベルが低く、線幅も小さいという点ではるかに優れている。これは、短レーザーパルスの場合、相互作用領域におけるパルスの強度を制限し、ガスのさらなる多光子／トンネル電離を防ぐデフォーカス効果によってプラズマ密度が低くなるためである。[ 15 ] [ 16 ]

線の強度

局所熱平衡（LTE）にある単一の中性原子種からなる光学的に薄いプラズマの場合、レベルiからレベルjへの遷移によって放出される光子の密度は[ 17 ]

私私j（λ）＝14πn0あ私jグラム私経験−E私/けBTあなた（T）私（λ）{\displaystyle I_{ij}(\lambda )={\frac {1}{4\pi }}n_{0}A_{ij}{\frac {g_{i}\exp ^{-E_{i}/k_{B}T}}{U(T)}}I(\lambda )}

どこ ：

  • 私私j{\displaystyle I_{ij}}光子の放出率密度（m −3 sr −1 s −1）
  • n0{\displaystyle n_{0}}プラズマ中の中性原子の数（m −3）
  • あ私j{\displaystyle A_{ij}}はレベルiとレベルjの間の遷移確率（s −1）である。
  • グラム私{\displaystyle g_{i}}は上位レベルi（2 J +1）の退化である。
  • あなた（T）{\displaystyle U(T)}は分割関数（単位なし）
  • E私{\displaystyle E_{i}}上位レベルiのエネルギーレベル（eV）
  • けB{\displaystyle k_{B}}ボルツマン定数（eV/K）
  • T{\displaystyle T}温度（K）
  • 私（λ）{\displaystyle I(\lambda )}線プロファイルは次のようになる。∫−∞∞私（λ）dλ＝1{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }I(\lambda )d\lambda =1}
  • λ{\displaystyle \lambda}波長（nm）

分配関数は、原子種の 各レベルの統計的占有率です。あなた（T）{\displaystyle U(T)}け{\displaystyle k}

あなた（T）＝∑jグラムj経験−Ej/けBT{\displaystyle U(T)=\sum _{j}g_{j}\exp ^{-E_{j}/k_{B}T}}

食品分析のためのLIBS

最近、LIBSは高速かつ微小破壊的な食品分析ツールとして研究されています。定性・定量化学分析のための潜在的な分析ツールと考えられており、PAT（プロセス分析技術）や携帯型ツールとして適しています。牛乳、パン製品、お茶、植物油、水、穀物、小麦粉、ジャガイモ、ナツメヤシ、そして様々な種類の肉類がLIBSを用いて分析されています。[ 18 ]特定の食品の不純物検出ツールとしての可能性を示した研究はほとんどありません。[ 19 ] [ 20 ] LIBSは、肉類における有望な元素イメージング技術としても評価されています。[ 21 ]

2019年、ヨーク大学とリバプール・ジョン・ムーア大学の研究者らは、アイルランド共和国コナーズ島にある後期中石器時代の貝塚から出土した ヨーロッパカキ（Ostrea edulis、Linnaeus 、1758年）12個をLIBSを用いて調査しました。その結果、先史時代の季節性、生物学的年齢、成長を、従来よりも高い速度と低いコストで判定できるLIBSの適用可能性が明らかになりました。[ 22 ] [ 23 ]

参照

参考文献

  1. ^ Radziemski, Leon J.; Cremers, David A. (2006).レーザー誘起ブレークダウン分光法ハンドブック. ニューヨーク: John Wiley. ISBN 0-470-09299-8。
  2. ^ Schechter, Israel; Miziolek, Andrzej W.; Vincenzo Palleschi (2006).レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）：基礎と応用ケンブリッジ大学出版局, イギリス. ISBN 0-521-85274-9。
  3. ^ JP Singh および SN Thakur、「レーザー誘起ブレークダウン分光法」、第 1 版 (Elsevier、2007 年)。
  4. ^ Munson, Jennifer L. Gottfried Frank C. De Lucia Jr. Andrzej W. Miziolek Chase A. (2009年6月). 「米国陸軍研究所におけるスタンドオフLIBSセキュリティアプリケーションの現状」 . Spectroscopy . Spectroscopy-06-01-2009. 24 (6) . 2018年8月27日閲覧。
  5. ^ a b c Gottfried, Jennifer L.; De Lucia, Frank C. Jr. (2010). 「レーザー誘起ブレークダウン分光法：機能と応用」. doi : 10.21236/ada528756 .{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  6. ^ 「レーザー誘起ブレークダウン分光法による高エネルギー物質および爆発性残留物の検出：I. 実験室測定」（PDF）。2020年5月10日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。
  7. ^ 「米陸軍研究者がレーザー検出技術を研究 | Quality Digest」 www.qualitydigest.com . 2018年8月27日閲覧。
  8. ^ Noll, Reinhard; Bette, Holger; Brysch, Adriane; Kraushaar, Marc; Mönch, Ingo; Peter, Laszlo; Sturm, Volker (2001). 「レーザー誘起ブレークダウン分光法 ― 鉄鋼業界における生産管理と品質保証への応用」. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 56 (6): 637– 649. Bibcode : 2001AcSpe..56..637N . doi : 10.1016/s0584-8547(01)00214-2 .
  9. ^サンガピ、エルヴェ K.;アイヤラソーマヤジュラ、クリシュナ K.。ユエ、ファン Y.シン、ジャグディッシュ P.マッキンタイア、ダスティン L.ジャイナ教、ジネーシュ C.中野仁一郎（2016）「レーザー誘起破壊分光法を用いたスラグの分析」。スペクトロキミカ アクタ パート B: 原子分光法。115 : 40– 45。Bibcode : 2016AcSpe.115...40S。土井：10.1016/j.sab.2015.10.009。
  10. ^ Hsu, Paul S.; Gragston, Mark; Wu, Yue; Zhang, Zhili; Patnaik, Anil K.; Kiefer, Johannes; Roy, ​​Sukesh; Gord, James R. (2016). 「1～11 barにおけるメタン-空気炎における定量的Ns-LIBSベース燃空比測定の感度、安定性、および精度」 . Applied Optics . 55 (28): 8042– 8048. Bibcode : 2016ApOpt..55.8042H . doi : 10.1364/ao.55.008042 . PMID 27828047 . 
  11. ^ St-Onge, L.; Kwong, E.; Sabsabi, M.; Vadas, EB (2002). 「レーザー誘起ブレークダウン分光法による医薬品の定量分析」. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 57 (7): 1131– 1140. Bibcode : 2002AcSpe..57.1​​131S . doi : 10.1016/s0584-8547(02)00062-9 .
  12. ^ミャカルワール、アシュウィン・クマール;スレダー、Ｓ．バーテンダー、イシャン。ディンガリ、ナラハラチャリ。ヴェヌゴパル・ラオ、S.プレム・キラン、P.テワリ、スーリヤ P.マノージ・クマール、G. (2011)。「多変量化学分析を使用した、レーザー誘起破壊分光法に基づく医薬品錠剤の調査と分類」。タランタ。87 : 53–59。土井: 10.1016/j.talanta.2011.09.040。PMC 3418677。PMID 22099648。  
  13. ^徐、盛斉;サン、シャオドン。ゼン、ビン。チュー、ウェイ。趙、嘉宇。リュー、ウェイウェイ。チェン、ヤ。シュウ・ジザン。チン、シー・リーン (2012)。「空気中のフェムト秒レーザーフィラメント内のレーザーピーク強度を測定する簡単な方法」。オプティクスエクスプレス。20 (1): 299–307。ビブコード: 2012OExpr..20..299X。土井: 10.1364/oe.20.000299。PMID 22274353。 
  14. ^ A. Talebpour他「強力フェムト秒レーザーパルスと相互作用するガスの分光法」、2001年、 Laser Physics、 11: 68–76
  15. ^ Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, SL (2000). 「高圧ガス中における高強度超高速レーザーパルスの集束限界：新たな分光光源への道」Optics Communications . 183 ( 5– 6): 479– 484. Bibcode : 2000OptCo.183..479T . doi : 10.1016/s0030-4018(00)00903-2 .
  16. ^ Geints, Yu. E.; Zemlyanov, AA (2009). 「空気中における高出力フェムト秒レーザーパルス伝搬の集束限界について」. The European Physical Journal D . 55 (3): 745– 754. Bibcode : 2009EPJD...55..745G . doi : 10.1140/epjd/e2009-00260-0 . S2CID 121616255 . 
  17. ^ Reinhard, Noll (2012).レーザー誘起ブレークダウン分光法：基礎と応用. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-20667-2. OCLC  773812336 .
  18. ^ Markiewicz-Keszycka, Maria; et al. (2017). 「食品分析におけるレーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）：レビュー」 . Trends in Food Science & Technology . 65 : 80–93 . doi : 10.1016/j.tifs.2017.05.005 .
  19. ^ Sezer, Banu; et al. (2018). 「レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）を用いた牛乳偽装の特定」. International Dairy Journal . 81 : 1– 7. doi : 10.1016/j.idairyj.2017.12.005 .
  20. ^ Dixit, Yash; et al. (2017). 「牛ひき肉中のナトリウムとカリウムの定量のためのレーザー誘起ブレークダウン分光法：牛腎臓の偽和検出のための潜在的技術」 .分析法. 9 (22): 3314– 3322. doi : 10.1039/C7AY00757D .
  21. ^ Dixit, Yash; et al. (2018). 「食品におけるレーザー誘起ブレークダウン分光イメージング入門：肉中の塩分拡散」 . Journal of Food Engineering . 216 : 120–124 . doi : 10.1016/j.jfoodeng.2017.08.010 .
  22. ^ Hausmann, N.; Prendergast, AL; Lemonis, A.; Zech, J.; Roberts, P.; Siozos, P.; Anglos, D. (2019-03-06). 「広範囲の元素マッピングにより、地中海産カサガイの季節記録における気候プロキシとしてのMg/Ca比が解明」 . Scientific Reports . 9 (1): 3698. Bibcode : 2019NatSR...9.3698H . doi : 10.1038/ s41598-019-39959-9 . ISSN 2045-2322 . PMC 6403426. PMID 30842602 .   
  23. ^ハウスマン, ニクラス; ロブソン, ハリー K.; ハント, クリス (2019-09-30). 「コナーズ島後期中石器時代遺跡出土の考古学的ヨーロッパガキ（Ostrea edulis）の年次成長パターンとMg/Ca記録における個体間変動」 . Open Quaternary . 5 (1): 9. doi : 10.5334/oq.59 . ISSN 2055-298X . 

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