Hvordan Laser Analyse Virker

{h1}

Laser analyse fremmer alt fra retsmedicin og arkæologi til sundhedspleje og kunsthistorie. Lær hvordan laseranalyse teknologi virker.

- Da Theodore Maiman fyrede den første laserpuls i 1960, beskriver nogle den nye teknologi som en løsning, der har brug for et problem. Men forskere opdagede hurtigt, at lasere ikke var nyheder og begyndte at udvikle praktiske applikationer til dem. I dag bruger læger lasere til at reparere beskadigede retinaer, blegemiddelfødselsmærker, fjerne beklagelige tatoveringer og lave delikate kirurgiske nedskæringer. T-han elektronikindustrien inkorporerer lasere i en række forskellige komponenter, herunder stregkodescannere, optiske lagringssystemer og computerprintere. Og producenterne anvender laserenes energi til at bore huller i diamanter og skære materialer, der spænder fra titanium til plast.

Lasere er særlig vigtige for området analytisk kemi. Eksperter i analytisk kemi udvikler teknikker til bestemmelse af stoffers kemiske sammensætning. Nogle af disse teknikker måler fysiske egenskaber, såsom masse, brydningsindeks eller termisk ledningsevne. Andre teknikker er afhængige af elektriske ladninger eller strøm for at hjælpe med at identificere bestanddele af et stof. Og endnu andre metoder måler absorption, emission eller spredning af elektromagnetisk stråling. Sidstnævnte kategori er kendt som spektroskopi.

Laserbaseret spektroskopi bliver et stadig vigtigere analytisk værktøj. Forestil dig et lasersystem monteret på en Mars-baserede rover. Når det brænder en laserpuls ved Martians snavs, registrerer instrumentet på rover det reflekterede lys og bestemmer jordens kemiske sminke. Forestil dig nu en soldat med et lasersystem monteret på ryggen. Ved hjælp af en håndholdt probe, som indeholder både laser og optik, analyserer soldaten en mistænkelig vejkompleks og bestemmer, at den indeholder eksplosivt materiale.

Denne slags laseranalyse virker som science fiction, men det er det ikke. Forskere har i dag mange forskellige typer af laserbaserede analytiske teknikker til rådighed. Vi vil udforske nogle af disse teknikker i denne artikel og undersøge en - laserinduceret nedbrydningspektroskopi, eller LIBS - i detaljer for at illustrere de grundlæggende elementer i teknologien. Som vi gør, lærer du, hvordan laseranalyse hjælper med at fremme alt fra hjemlandssikkerhed, retsmedicin og medicinsk diagnostik til sundhedspleje, arkæologi og kunsthistorie.

-Først, lad os dykke dybere ind i det grundlæggende inden for analytisk kemi for at forstå, hvordan laserteknologien passer ind i et arsenal o-f værktøjer og teknikker, som kan bruges til at bestemme de elementære eller molekylære byggesten af ​​stoffer.

Laser som analytisk værktøj

En forsker udarbejder prøver til massespektrometriforskning.

En forsker udarbejder prøver til massespektrometriforskning.

Tag en pause fra at læse et øjeblik for at undersøge dine nærmeste omgivelser. Du kan tydeligt se solide objekter, f.eks. Din computer, skrivebord og printer. Væsker - sodavand i dit glas og vandet i dit akvarium - er lige så tydelige. Selv materialer, der virker usynlige, såsom lugt og luftstrømme, kan detekteres af andre sanser. Alt dette "ting" - hvad forskere kalder stof - består af molekyler eller kombinationer af atomer. Analytiske kemikere kan lide at opdele molekyler i deres bestanddele eller bare vide, hvilke molekyler eller atomer der udgør et bestemt stof.

-Over årene har analytisk kemi givet flere værktøjer og teknikker. Nogle af disse værktøjer og teknikker er kvalitative: De identificerer de elementer eller forbindelser der er til stede i et stof, hvilke kemikere kalder analytter. Andre teknikker er kvantitative: De måler faktisk mængderne af nogle eller alle analyserne. I begge tilfælde indebærer den kemiske analyse at stimulere en prøve med lys, elektricitet eller en stærk magnet for at forårsage en ændring i prøven, der vil afsløre dens kemiske makeup.

Tage massespektrometri, en prøvet og sandt analytisk teknik. Antag en biolog ønsker at vide, hvilke toksiner der er til stede i forurenet fisk. Hun kunne tage et meget lille stykke muskelvæv fra fisken og opløse det i et flydende opløsningsmiddel. Derefter kunne hun placere væsken i massespektrometerets reservoir eller indløb. Derefter lækker væsken ind i et ionkammer, hvor det bombarderes med en stråle af elektroner. Dette bombardement omdanner atomer og molekyler i prøven til elektrisk ladede partikler kendt som ioner. Biologen anvender derefter elektriske eller magnetiske felter til at adskille de forskellige ioner i henhold til deres masse eller elektriske ladning, hvorved de specifikke toksiner, såsom DDT, er til stede i fisken.

I de senere år er laser, der anvendes som det stimulerende middel, blevet et værdifuldt værktøj i kemisk analyse. De forskellige laserbaserede teknikker til analyse af stoffer falder groft i to kategorier: optiske og ikke-optiske detektionsmetoder.

For eksempel lader en ikke-optisk laseranalyse teknik faktisk forskere "høre" forskellige elementer. Det er kendt som pulserende laser fotoakustik, og det indebærer at styre en laser på en prøve. Da prøven absorberer energi fra laseren, opvarmes den og udvider, hvilket skaber en akustisk trykbølge. En piezoelektrisk transducer, som omdanner mekaniske vibrationer til elektriske impulser, lytter til bølgerne og hjælper kemikere med at identificere molekyler i prøven.

Ion-mobilitetsspektrometri, eller IMS, er en anden ikke-optisk metode. I IMS, en laser først ablaterer, eller nedskæringer, minutpartikler fra prøveoverfladen før ionisering af materialet. Ioner skabt ved laserblæsning prøven indføres i en hurtig bevægende gasstrøm.Forskere måler, hvor hurtigt ionerne bevæger sig gennem gasstrømmen, hvilket påvirkes af ionernes størrelse og form.

-Laseranalyse baseret på optiske detektionsmetoder kaldes laserspektroskopi. Spektroskopi indebærer at stimulere en prøve og derefter analysere den resulterende spektrum - omfanget af elektromagnetisk stråling udsendt eller absorberet Spektroskopi er så afgørende som et analytisk værktøj, som det garanterer et nærmere kig. På næste side kommer vi ind i spektroskopiens basis for at forstå, hvordan den elektromagnetiske signatur af hvert element kan virke som et fingeraftryk.

Spektroskopi Basics

I dette simple billede af et atom kan du se de elektroner, der findes i separate baner, som Bohr forestiller.

I dette simple billede af et atom kan du se de elektroner, der findes i separate baner, som Bohr forestiller.

Spektroskopi udnytter det faktum, at alle atomer og molekyler absorberer og udsender lys ved bestemte bølgelængder. For at forstå hvorfor skal du forstå, hvordan atomer er struktureret. Du kan læse om atomstruktur i How Atoms Work, men en hurtig omgang her vil være nyttig. I 1913 tog en dansk forsker ved navn Niels Bohr Ernest Rutherfords atommodel - en tæt kerne omgivet af en sky af elektroner - og lavede nogle små forbedringer, som bedre passer til eksperimentelle data. I Bohrs model eksisterede de elektroner, der omgiver kernen, i diskrete baner, ligesom planeter, der kredser om solen. Faktisk er det klassiske visuelle billede, vi alle har af atomer, som den til højre, modelleret efter Bohrs koncept. (Forskere har siden flyttet væk fra nogle af Bohrs konklusioner, herunder ideen om elektroner, der bevæger sig rundt om kernen i faste stier, i stedet for at opfatte elektroner, der samler omkring kernen i en sky.)

I Bohr-atomet er en elektron i en bestemt kredsløb forbundet med en bestemt mængde energi. I modsætning til planeter, som forbliver faste i deres baner, kan elektroner hoppe fra en kredsløb til en anden. En elektron i sin standard bane er i sin grundtilstanden. At flytte fra jorden til en bane længere væk fra kernen, en elektron skal absorbere energi. Når dette sker, siger kemikere, at elektronen er i en ophidset tilstand. Elektroner kan generelt ikke forblive i en ophidset tilstand på ubestemt tid. I stedet hopper de tilbage til jorden, et træk, der kræver frigivelse af den samme energi, som gjorde det muligt for dem at blive spændte i første omgang. Denne energi har form af a foton - Den mindste partikel af lys - ved en bestemt bølgelængde, og fordi bølgelængden og farven er relateret i en bestemt farve.

Hvordan laser analyse virker: hvordan

Et atom absorberer energi i form af varme, lys eller elektricitet. Elektroner kan bevæge sig fra en lavere energi kredsløb til en højere energi kredsløb.

-El element på det periodiske bord har et unikt sæt Bohr baner, der ikke deler noget andet element. Med andre ord eksisterer elektronerne af et element i lidt forskellige baner end elektronerne i et andet element. Fordi elementernes indre strukturer er unikke, udsender de forskellige bølgelængder af lys, når deres elektroner bliver spændte. I det væsentlige har hvert element et unikt atomfingerprint, som har form af et sæt bølgelængder eller en spektrum.

William Wollaston og Joseph von Fraunhofer udviklede den første spektrometer at se elementernes spektrale fingeraftryk. Et spektrometer er et instrument, som både udbreder lys og viser det til undersøgelse. Lyset går ind i en smal spalte og passerer gennem en linse, der skaber en stråle med parallelle stråler. Disse stråler rejser gennem et prisme, som bøjer lyset. Hver bølgelængde er bøjet en lidt anderledes mængde, så der produceres en række farvede bånd. Et andet objektiv fokuserer lyset på en udgangsslids, som tillader en lysfarve at passere ad ad gangen. Forskere bruger ofte et lille teleskop, monteret på en drejeskive, for at observere den farve, der springer gennem spalten lettere. Derefter roterer forskeren enten teleskopet eller prismaet for at bringe en anden farve til syne. Ved at notere prismens eller teleskopets vinkel kan bølgelængden af ​​det udragende lys bestemmes. Brug af et spektroskop til at analysere en prøve kan tage flere minutter, men det kan afsløre meget om lyskilden. Nogle spektrometre, kendt som spektrografer, er oprettet for at fotografere spektret.

- Som du ville forvente, er th-e spektrometer et vigtigt værktøj for kemikere, der udfører laser spektroskopi. Dernæst vil vi kort se på nogle af de vigtigste typer af laserspektroskopi.

Oversigt over laserspektroskopi

Et ultraviolet billedspektrograph tog dette billede af Saturns C-ringe (til venstre) og B-ringe (til højre). De røde bånd indikerer

Et ultraviolet billedspektrograph tog dette billede af Saturns C-ringe (til venstre) og B-ringe (til højre). De røde bånd indikerer "snavsede" partikler, mens renere ispartikler vises som turkis i ringens yderste dele.

I laserspektroskopi træner kemikere en laserstråle på en prøve, hvilket giver en karakteristisk lyskilde, der kan analyseres af et spektrometer. Men laser spektroskopi falder ind i flere forskellige skoler, afhængigt af hvilken slags laser kemikere favoriserer og hvilket aspekt af et atoms ophidsede svar de studerer. Lad os se nærmere på nogle af disse.

Navn-d efter den indiske videnskabsmand, der opdagede det, C.V. raman, Raman spektroskopi måler spredningen af ​​monokromatisk lys forårsaget af en prøve. Strålen fra en argonionlaser styres af et system af spejle til en linse, som fokuserer monokromatisk lys på prøven. Det meste af lyset, der hopper ud af prøven, spredes i samme bølgelængde som det indkommende lys, men noget af lyset spredes ved forskellige bølgelængder. Dette sker fordi laserlyset interagerer med fononer, eller naturligt forekommende vibrationer, som findes i molekylerne af de fleste faste og flydende prøver. Disse vibrationer forårsager laserstrålingens fotoner at få eller tabe energi.Energiforskiftet giver information om phonon-tilstande i systemet og i sidste ende om molekylerne til stede i prøven.

Fluorescens henviser til den synlige stråling udgivet af visse stoffer på grund af indfaldende stråling med en kortere bølgelængde. I laserinduceret fluorescens (LIF), aktiverer en kemiker en prøve normalt med en nitrogenlaser alene eller en nitrogenlaser i kombination med en farvestråler. Prøveens elektroner bliver spændte og hopper op til højere energiniveauer. Denne excitation varer et par nanosekunder, før elektronerne vender tilbage til deres jordtilstand. Når de mister energi, udsender elektronerne lys eller fluorescerer ved en bølgelængde længere end laserbølgelængden. Fordi energistaterne er unikke for hvert atom og molekyle, er fluorescensemissionerne diskrete og kan bruges til identifikation. -

-LIF er et udbredt analytisk værktøj med mange applikationer. For eksempel har nogle lande vedtaget LIF for at beskytte forbrugerne mod pesticidbeskyttede grøntsager. Værktøjet i sig selv består af en kvælstoflaser, et sensorhoved og et spektrometer, alt pakket i et lille, bærbart system. En landbrugsinspektør leder laser- på et grøntsagssalatblade, lad os sige - og analyserer derefter den resulterende fluorescens. I nogle tilfælde kan pesticiderne identificeres direkte. I andre tilfælde skal de identificeres ud fra, hvordan de virker sammen med chlorophyll, det grønne pigment, som findes i alle blade. -

Laserablation induktivt koblet plasma optisk emissionsspektroskopi (LA-ICP-OES) har et latterligt kompliceret navn, så lad os starte med ICP, som er hjertet i den analytiske teknik. "P" i ICP står for plasma, en ioniseret gas bestående af positive ioner og frie elektroner. I naturen dannes plasmaer kun i stjerner, hvor temperaturerne er høje nok til at ionisere gassen. Men forskere kan skabe plasmaer i laboratoriet ved hjælp af noget kendt som en plasmafakkel. Brænderen består af tre koncentriske rør af silica omgivet af en metalspole. Når en elektrisk strøm passerer gennem spolen, skabes der et magnetfelt, hvilket igen inducerer elektriske strømme i en gas, sædvanligvis argon, lov til at passere gennem siliciumrørene. Dette spænder argongasen og skaber plasmaet. En dyse i enden af ​​faklen virker som en udgang til plasmaet.

Nu er instrumentet klar til at analysere en prøve. I den laserbaserede version af ICP-OES anvendes en neodymdoteret yttriumaluminiumgarnet (Nd: YAG) -laser til at skære eller ablate nogle få mikroskopiske partikler fra prøveens overflade. Det betyder, at analysen ikke er begrænset til væsker - faste stoffer er også retfærdige spil. De ablaterede partikler bæres derefter til pl-asma-fakklen, hvor de bliver spændte og udsender lys.

-Laser-induceret nedbrydningspektroskopi (LIBS) ligner LA-ICP-OES, bortset fra at laseren både ablater prøven og skaber plasmaet. Fordi LIBS er blevet mere og mere populært i de senere år, vil vi give det mere opmærksomhed næste.

En nærmere kig på laser-induceret breakdown spektroskopi

Opsætningen til laserinduceret nedbrydningspektroskopi

Opsætningen til laserinduceret nedbrydningspektroskopi

-Laser-induceret nedbrydningspektroskopi, eller LIBS, har udviklet sig betydeligt i løbet af det sidste årti. Det kan analysere faste stoffer, væsker og gasser og kan returnere resultater hurtigt, med meget lidt skade på prøven. Ikke kun det, det kan gøre sit arbejde fra en afstand, i modsætning til nogle analytiske værktøjer, der kræver, at prøver bringes til et laboratorium. For eksempel bruges LIBS til at detektere overfladeforureninger i nogle få atomreaktorer verden over. Laseren i disse systemer er placeret adskillige meter fra reaktoroverfladen og kan stadig fungere effektivt. Disse systemer holder det meste af instrumenteringen bag afskærmningsmateriale, med kun et spejl og en linse (som bruges til at styre og fokusere laserstrålen henholdsvis) udsat for nuklear stråling.

Vi overvejer andre praktiske anvendelser af LIBS i et øjeblik, men hvordan virker det præcist? Ligesom LA-ICP-OES bruger LIBS en laser til at skære små partikler fra overfladen af ​​en prøve. Men i LIBS skaber laseren selv plasmaet i stedet for en plasmafakkel. Lad os se på de fire store dele af et typisk LIBS-system, og hvordan de virker. Diagrammet ovenfor viser et skematisk billede af opsætningen.

Hvordan laser analyse virker: virker

  1. Laseren er selvfølgelig instrumentets ende af enden. Generelt bruger LIBS-systemer en neodym-doteret yttrium aluminium granat (Nd: YAG) laser ved sin grundlæggende bølgelængde på 1.064 nanometer, men mange forskellige lasere er blevet anvendt. Laseren sprænger ikke prøven med en nonstop beam. I stedet skyder det pulser, hvor hver puls varer omkring 5 til 20 nanosekunder.
  2. Laserlyset passerer gennem en linse, som fokuserer energien på prøven. Nogle systemer arbejder på laboratoriebænken og rummer små prøver, måske et par centimeter tykt, placeret i et kammer. Andre systemer kan transporteres til et fjerntliggende sted og bruges til at analysere større objekter. I begge tilfælde har jo mere fokuseret laseren, desto mindre energi er nødvendigt for at nedbryde prøven. Faktisk bærer laserimpulserne i LIBS typisk energi på kun 10 til 100 millijoules. For at sætte det i kontekst skal du tænke på den energi, der kræves for at løfte et æble en meter lige op. Det svarer til en joule. En millijoule er 0,001 joules - betydeligt mindre energi. Og alligevel er det stadig nok til at ablate noget af prøveemnet. Når partiklerne fjernes fra prøveoverfladen, ioniseres de for at danne en lille plume af plasma, hvilke kemikere kalder en "laser gnist".
  3. Efterhånden som plasmapluden udvider, bliver bestandige atomer i den ioniserede gas ophidset. Over blot et par mikrosekunder begyndte de ophidsede atomer at slappe af, hvilket resulterede i karakteristiske spektrale emissioner.Det udsendte lys bevæger sig gennem en serie samleobjektiver, som fokuserer lyset og leverer det til et fiberoptisk system. Det fiberoptiske system bærer lyset til et spektrometer.

-LIBS har flere fordele. Fordi prøven ikke kræver nogen særlig forberedelse, er processen relativt enkel og billig. Ikke kun det, LIBS kan bruges til at bestemme elementets sammensætning af enhver prøve, i modsætning til visse teknikker, der er gode til at analysere faste stoffer, men ikke væsker og gasser. Selv meget hårde materialer er fair spil, fordi laserne bærer så meget energi. Men en af ​​de største fordele ved LIBS er dens evne til at give information uden at ødelægge prøven. Laseren fjerner mindre end et milligram materiale, hvilket praktisk talt er usynligt. Som vi ser på næste side, gør LIBS til en ideel løsning til analyse af værdifulde genstande, som malerier eller arkæologiske artefakter.

En casestudie: Brug af laseranalyse til at studere en maleri

Kunstværker er ikke nødvendigvis alderen yndefuldt, så konservatorer kan blive tilskyndet til omhyggeligt at genoprette malerier, såsom

Kunstværker er ikke nødvendigvis alderen gracefulde, så konservatorer kan blive tilskyndet til omhyggeligt at genoprette malerier, såsom "Pieto" af Jose Ribera. Laser analyse, kan eliminere nogle af gættet i kunst restaurering.

For at forstå, hvordan laseranalyse kan bruges på en meget praktisk måde, overveje et museum, der ejer et værdifuldt, 18. århundredes, olie-på-lærred maleri. Gennem årene har flere velbevidste konservatorer og lånere gjort restaureringsforsøg og tilføjer nye lag maling til kunstnerens originale arbejde. Derudover har snavs og røg klæbet til malingsoverfladen, som har en samlet mørkningsvirkning. Nu er mesterværket kedeligt og livløst. Museet beslutter at foretage en analyse af maleriet for både at forstå sin restaurationshistorie og at returnere den til sin tidligere herlighed.

-I en normal rengøringsproces anvendes forskellige rengøringsmidler og lakfjernere på et maleri for at fjerne alt over det originale kunstværk. Konservatorer bruger bomuldspindler til at anvende disse opløsningsmidler, arbejder langsomt og med stor omhu for at sikre, at de ikke fjerner for meget materiale. Men fordi det er svært at fortælle et lag fra det næste, er noget af det oprindelige pigment uundgåeligt tabt. Vores museumsejere vil gerne undgå dette problem, hvis de kan. De har hørt om en revolutionerende ny teknik - laserinduceret nedbrydningspektroskopi - og beslutter at prøve det.

Maleriet er taget til en lokal bevaringsanlæg, der omfatter LIBS hardware og instrumentering. Tomme efter tomme bliver maleriet analyseret. Da laseren ablater noget af overfladematerialet og spektrometerstudierne emissionerne produceret af plasmaplume, kan de kemikere, der arbejder i laboratoriet, bestemme præcis, hvilke molekyler der er til stede. For eksempel når de analyserer en sektion med hvid maling, lærer de at to forskellige pigmenter er til stede. Den ene indeholder bly, mens den anden indeholder titanium. Titanium hvid var ikke kommercielt tilgængelig før efter 1920, så de ved, at titanium ansøgningen kom senere som en del af en restaurering. Det er ikke kun det, labarbejderne kan fortælle præcist, hvor et lag slutter, og det næste begynder simpelthen ved at notere forandringen i spektralemissionerne.

I virkeligheden er museer lige begyndt at eksperimentere med LIBS og normalt på små skjulte sektioner af et lærred. Men i den nærmeste fremtid vil de kunne bruge teknologien til både at analysere maleriet og genoprette det helt. I en sådan situation fjerner en konservator maling og snavslag for lag, indtil han eller hun når kunstnerens originale kunstværk.

-Dentister begynder også at eksperimentere med LIBS ved hjælp af laseranalyse for at bestemme præcis, hvor a-hulrummet slutter og sund tandemalje begynder. Og kvalitetsstyrende ingeniører i aluminiumsfabrikanter anvender laseranalyse teknikker for at sikre legeringer har netop den rigtige andel af bestanddele. Arkæologer og retsmedicinske forskere finder også teknologien uvurderlig. Faktisk viser laseranalyse, at laseren, næsten 50 år gammel, ikke er en løsning på jagt efter et problem, men et kraftfuldt værktøj, der kan hjælpe med at svare på en række spørgsmål.

-

-

Hvordan Laser Analyse Virker


Video Supplement: Steve Ramirez and Xu Liu: A mouse. A laser beam. A manipulated memory..




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2024 DA.WordsSideKick.com