[发明专利]执行激光诱导击穿光谱的系统和方法

说明书

激光诱导击穿光谱(LIBS)系统(2)，用于分析保留在管状容器(20)中的固结颗粒材料的样品团粒(12)，该系统(2)包括配置为朝向样品团粒(12)的暴露表面发射脉冲激光束(6)的激光源(4)；以及样品台(18)，其构造成保持管状容器(20)，样品团粒(12)定向成朝向脉冲激光束呈现暴露表面并且包括致动器，该致动器构造成使样品团粒(12)沿着运动轴线滑动从管状容器(20)中滑出，从而呈现样品团粒(12)的外表面(10)的预先由管状容器(20)的内表面约束作为暴露表面的部分。

技术领域

本发明涉及用于执行激光诱导击穿光谱(LIBS)的系统和方法，尤其涉及用于执行颗粒样品的LIBS分析的系统和方法。

背景技术

LIBS是已知的分析技术，其用于测量样品的元素组分的浓度。高能量密度激光脉冲用于在样品表面产生等离子体。等离子体含有代表样品元素组成的受激原子的混合物。当等离子体冷却时，激发的原子发射光辐射，光辐射是发射它的原子的特征。由于特征辐射的强度与等离子体中的原子数量有关，并且最终与样品中的原子数量有关，因此可以采用如此发射的辐射的分光光度分析来提供关于样品中存在的元素浓度的信息。

当分析颗粒样品时，例如从US2007/0218556中已知，将用于分析的样品呈现为压制团粒形式的单个固结块。团粒是通过如下过程制成的：将颗粒材料，即由单个或部分附聚的细粒、碎片或颗粒组成的材料，例如磨碎的，切碎的或粉碎的植物或土壤材料；食品或其中间产品；或药品放置到圆柱形管状容器并且压制颗粒材料以将其固结成团粒。然后将圆柱形管状容器中的团粒移动到激光束的路径中，用于随后对暴露的上表面进行LIBS分析。

因此，例如在US 5,583,634，US 2007/0218556或US2013/0271761中公开的LIBS分析仪通常包括：能够以高达几十赫兹的重复率在1-10纳秒(ns)的量级内产生通常在10-500毫焦(mJ)之间的激光束脉冲的激光源；聚焦光学器件，用于将激光束聚焦在样品的暴露表面上约10微米(μm)直径的点上；用于收集由等离子体发射的光辐射的收集光学器件；以及配置成保持样品定向以使暴露表面与聚焦光学器件相距一定距离的样品台。然后可以将通过收集光学器件收集的光辐射提供给光谱仪，该光谱仪从如此提供的光辐射产生波长相关的强度数据，并提供数据用于分析以确定样品的元素浓度。

由这种激光源产生的能量的量也可以通过样品的一般加热产生相对大量的黑体(或“连续”)辐射。该辐射用作背景，由等离子体发射的光辐射必须与该背景中区分开。可以采用较低能量的激光源来克服该问题。然而，使用较低能量的激光源将增加聚焦光学器件必须将激光束聚焦在样品上以确保在其表面处产生足够的能量密度以产生等离子体的必要的精度。这在研究颗粒样品时尤其成问题，因为呈现用于与激光束相互作用的样品表面倾向于呈现沿着聚焦光学器件的光轴测量的高度变化。即使是成团粒的样品也可能存在这个问题，因为已经发现这样的样品会“松弛”而导致任何无侧限的，即暴露的表面的不均匀膨胀。例如在US2013/0271761中已经提出了相对复杂的可自动调节的聚焦光学器件，用于将激光束保持聚焦在表面，作为针对表面不均匀问题的解决方案。

另外，在每次等离子体形成的情况下，激光束移除表面的一小部分，这产生额外的高度变化。最终形成一个陨石坑，导致激光束在陨石坑中失焦。为了减轻这种影响，样品容器通常安装在可移动的X-Y样品台上，并且样品容器在一个或多个激光脉冲之后移动，以呈现暴露的上表面的新部分用于LIBS分析。还可以提供样品台在Z方向上的移动，以便将激光束保持聚焦在样品的表面上。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了激光诱导击穿光谱(LIBS)系统，用于分析保留在管状，优选圆柱形容器中的固结颗粒材料的样品团粒，该系统包括：激光器源，被配置为朝向样品团粒的暴露表面发射脉冲激光束；以及样品台，其构造成保持管状容器，样品团粒定向为使暴露的表面朝向脉冲激光束呈现；其中所述样品台包括致动器，所述致动器构造成使所述样品团粒沿着运动轴线从所述管状容器中滑出，从而呈现所述样品团粒的外表面的预先通过与所述管状容器的内表面接触而被约束作为暴露表面的部分。