CN107525785A - 降低光谱自吸收效应的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种降低光谱自吸收效应的方法和装置，应用于LIBS系统，该方法包括基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历，根据所述参数获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线；根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存；选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。本发明通过调节离焦量实现参数遍历，并根据遍历结果计算、选取光谱自吸收效应最优时对应的参数，以得到薄而均匀的低温低电子密度的等离子体。

Description

降低光谱自吸收效应的方法和装置

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，具体而言，涉及一种降低光谱自吸收效应的方法和装置。

背景技术

目前，国内外对如何减少激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdownspectroscopy，LIBS)的自吸收效应的方法通常分为两种，一种是建立自吸收数学物理算法模型来校正被自吸收影响的光谱，但由于该方法从实验后期数据处理的角度对谱线的自吸收进行分析及处理，因此，只能在一定程度上校正自吸收的影响，具有很大的局限性。另一种是通过特殊实验环境或装置来减弱等离子体的自吸收效应，例如，改变环境气体种类、气压、反射镜空间约束等，但该方法只适用于特殊条件下的元素检测，且构造的特殊环境牺牲了LIBS技术在大气环境下的快速检测优势。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种降低光谱自吸收效应的方法和装置，通过调节离焦量实现参数遍历，进而选取最优的参数以降低光谱自吸收效应，提高等离子体的稳定性和定量分析的精度和准确度。

本发明较佳实施例提供一种降低光谱自吸收效应的方法，应用于LIBS系统，所述方法包括：

基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历；

根据所述参数获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线；

根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存；

选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。

在本发明较佳实施例的选择中，所述待测元素的参数包括目标谱线强度，在该参数满足预设规则时停止参数遍历的步骤，包括：

获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度，并判断所述目标谱线强度是否低于第二预设值，若是，则停止参数遍历。

在本发明较佳实施例的选择中，所述第二预设值为200counts。

在本发明较佳实施例的选择中，所述待测元素的参数包括目标谱线强度的信噪比，在该参数满足预设规则时停止参数遍历的步骤，包括：

获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度以计算该目标谱线强度的信噪比，判断所述信噪比是否低于第三预设值，若是，则停止参数遍历。

在本发明较佳实施例的选择中，所述第一预设值为0.5mm或1mm。

在本发明较佳实施例的选择中，获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线的步骤，包括：

获取定标样品集中的待测元素的浓度；

将所述待测元素的浓度和目标谱线强度进行指数拟合，作为定标曲线。

本发明较佳实施例提供一种降低光谱自吸收效应的装置，应用于LIBS系统，所述装置包括：

参数遍历模块，用于基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中的待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历；

定标曲线获取模块，用于获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线；

计算模块，用于根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存；

选取模块，用于选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。

在本发明较佳实施例的选择中，所述参数遍历模块还用于获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度，并判断所述目标谱线强度是否低于第二预设值，若是，则停止参数遍历。

在本发明较佳实施例的选择中，所述第一预设值为0.5mm或1mm。

在本发明较佳实施例的选择中，所述定标曲线获取模块包括：

获取单元，用于获取定标样品集中的待测元素的浓度；

曲线拟合单元，用于将所述待测元素的浓度和目标谱线强度进行指数拟合，作为定标曲线。

与现有技术相比，本实施例提供一种基于LIBS仪的降低光谱自吸收效应的方法和装置，通过调节离焦量实现参数遍历，进而选取最优的参数以降低光谱自吸收效应，得到薄而均匀的低温低电子密度的等离子体，同时提高等离子体的稳定性和定量分析的精度及准确度。除此之外，该方法实现简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为激光诱导的非均匀等离子体的自吸收效应原理图。

图2为本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的方法的应用场景示意图。

图3为本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的装置的应用场景示意图。

图4为本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的方法的流程示意图。

图5为本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的方法的另一流程示意图。

图6为本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的方框连接示意图。

图7为图6所示的定标曲线获取模块的方框连接示意图。

图标：10-计算设备；100-降低光谱自吸收效应的装置；110-参数遍历模块；120-定标曲线获取模块；122-获取单元；124-曲线拟合单元；130-计算模块；140-选取模块；200-存储器；300-存储控制器；400-处理器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，光谱的自吸收效应是由于等离子体分布不均匀造成，其中，请参阅图1，图1(a)为激光诱导的非均匀等离子体，图1(b)为等离子体自吸收效应原理图，从中可看出，等离子体的中心区域温度较高，粒子密度较大，等离子体中心激发态粒子的辐射能被外围同类基态冷粒子吸收而使谱线中心强度减弱和变形的现象。当等离子体满足局部热平衡和光学薄(optically thin)的理想条件时，在相同基体中的原子/离子发光强度应与含量成线性函数关系，此时没有自吸收或自吸收程度很轻微。但是实际上激光等离子体并不满足光学薄条件，而处于波动性很大的非均匀状态。自吸收效应严重干扰了激光等离子体的发射光谱，同时，也是造成LIBS定量分析精度差的重要原因。

有研究表明，自吸收效应与等离子体的电子密度和光学厚度呈正相关，低电子密度和薄的等离子体有利于降低自吸收效应，所以，通过该方法获得的薄而均匀的较低温度和较低电子密度的等离子体能够有效降低光谱的自吸收效应。同时，较低的电子密度也有利于压缩谱线展宽，减少谱线重叠造成的干扰。其中，本实施例通过调节离焦量的方式获取相对较低的光谱自吸收效应，提高等离子体的稳定性和定量分析的精度、准确度。例如，当增大离焦量时，激光的光斑增大，能量密度降低，对样品靶材的烧蚀面积增大，由于和靶材的作用面积增大，提高了等离子体的稳定性，烧蚀产生得到的等离子体薄、弱，且等离子体的温度和电子数密度相对较低。

进一步地，请参阅图2，是本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的方法的应用场景示意图。该场景中采用便携式LIBS系统获取样品的光谱，并将光谱输出至计算机进行后续光谱分析，例如，本实施例公开涉及的降低光谱自吸收效应的方法。

请参阅图3，是本发明实施例提供的一种执行降低光谱自吸收效应的方法的计算设备10的方框示意图。所述计算设备10可以是图3中所示的计算机，但不限于此。该计算设备10包括降低光谱自吸收效应的装置100、存储器200、存储控制器300以及处理器400。

其中，所述存储器200、存储控制器300、处理器400各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述降低光谱自吸收效应的装置100包括至少一个可以软件或固件的形式存储于所述存储器200中或固化在所述计算设备10的操作系统中的软件功能模块。所述处理器400在所述存储控制器300的控制下访问所述存储器200，以用于执行所述存储器200中存储的可执行模块，例如所述降低光谱自吸收效应的装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。

基于上述描述，请参阅图4，是本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的方法的流程图。本实施例中的方法适用于计算设备10，以对样品中的待测元素进行参数遍历和分析。所应说明的是，本方法不以图4及下述的具体顺序为限制。下面将对图4所示的各步骤进行详细阐述。

步骤S110，基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历。

本实施例中，所述定标样品集中的样品的数量为多个。作为一种实施方式，可以采用图2中所示的LIBS系统获取各样品的光谱，并针对获取到的光谱选择待测元素的目标谱线。可选地，所述初始离焦量可根据实际需求进行设计，例如，所述初始离焦量可以是任意预设值，也可是按照从大到小或从小到大的对应顺序依次对待测元素的参数进行遍历。实际实施时，所述第一预设值为可以是，但不限于为0.5mm或1mm。应注意，在所述离焦量的调节过程中，会得到不同温度、不同电子密度、不同厚度、不同稳定性的等离子体。

作为一种实施方式，所述待测元素的参数包括目标谱线强度，在对待测元素的参数进行遍历时，所述预设规则可以是根据目标谱线强度判断是否停止参数遍历。例如，实际实施时，获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度，并判断所述目标谱线强度是否低于第二预设值，若是，则停止参数遍历。其中，所述第二预设值可以是，但不限于200counts。

或者，所述待测元素的参数包括目标谱线强度的信噪比，在对待测元素的参数进行遍历时，所述预设规则可以是根据目标谱线强度的信噪比判断是否停止参数遍历。例如，实际实施时，获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度以计算该目标谱线强度的信噪比，判断所述信噪比是否低于第三预设值，若是，则停止参数遍历。其中，所述第三预设值可以是，但不限于3。

应理解，所述预设规则也可根据待测元素的其他参数进行灵活设计，本实施例对此不做限制。

步骤S120，根据所述参数获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线。其中，如图5所示，所述定标曲线可通过以下子步骤获得。

子步骤S122，获取定标样品集中的待测元素的浓度。

子步骤S124，将所述待测元素的浓度和目标谱线强度进行指数拟合，作为定标曲线。

实际实施时，首先获取定标样品集中的待测元素的浓度、所述待测元素的目标谱线的强度以及目标谱线对应的内标谱线的强度，将目标谱线的强度除以其对应的内标谱线的强度，其结果值作为该目标谱线的相对谱线强度，根据获取到的所述待测元素的浓度和计算得到的所述待测元素的相对谱线强度进行指数拟合，确定用于对该待测元素进行定量分析的定标曲线。应注意，所述定标样品集中待测元素的浓度是可以获知的。此外，本实施也可直接对获取到的待测元素谱线强度和元素浓度进行指数拟合，具体地在此不再赘述。

步骤S130，根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存。

本实施例中，在对离焦量的调节过程中，每调节一次均会获得对应的定标曲线，并根据该定标曲线计算在当前离焦量下的光谱自吸收系数。其中，下面对自吸收系数的计算过程进行简要介绍，假设定标样品集中有n个样品，且该n个样品中的元素X的浓度为C＝[C₁,C₂,…C_n]，n个样品中X元素的某一条待测谱线的强度为y＝[y₁,y₂,…y_n]，那么，待测元素谱线的强度可以表示为：

式(1)中，A为与待测谱线的原子能级跃迁有关的常量，可由谱线信息中求得，k(λ₀)代表吸收系数，l代表吸收路径长度，k(λ₀)l代表着光学厚度。

对定标样品集中的X元素浓度C和待测谱线的相对谱线强度(或谱线强度)y构成的数据点进行曲线拟合，即定标曲线。可选地，所述定标曲线可以采用类似于式(1)中所示的指数函数进行拟合，具体如下：

y＝A₁(1-e^-C/t)+y₀ (2)

式(2)中，A₁表示常量，与选择的谱线和实验条件有关，t是谱线的自吸收参数，y₀是与谱线背景有关的参数，参数A₁、t、y₀可以根据数据点[C,y]在matlab或orgin软件里进行指数拟合之后直接得出。

进一步地，如下式所示，光谱自吸收系数SA可以表示为:

其中，由于k(λ₀)l与待测元素的浓度成一定的比例关系，假设k(λ₀)l＝C/t，可有：

应注意，自吸收系数SA的计算方法可以是，但不限于上述方式，具体地，本实施例不再赘述。

步骤S140，选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。

本实施例中，由于自吸收系数越大，自吸收效应越小，因此，在以第一预设值为步进单位调节离焦量时，每调节一次，均需要采集待测元素的各参数，并根据该参数计算在当前离焦量下的光谱自吸收系数，最后从得到的多个光谱自吸收系数中选取最大值，即自吸收效应最小，并将该最大自吸收系数对应的待测元素的实验参数和离焦量等进行保存，以便作为后续实验的参考。

进一步地，请参阅图6，是本发明实施例提供的一种降低光谱自吸收效应的装置100的方框连接示意图。该降低光谱自吸收效应的装置100包括参数遍历模块110、定标曲线获取模块120、计算模块130和选取模块140。

所述参数遍历模块110，用于基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中的待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历。

本实施例中，图4中的步骤S110由所述参数遍历模块110执行，具体过程请参考步骤S110，在此不再赘述。

所述定标曲线获取模块120，用于获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线。

本实施例中，图4中的步骤S120由所述定标曲线获取模块120执行，具体过程请参考步骤S120，在此不再赘述。可选地，如图7所示，所述定标曲线获取模块120模块包括获取单元122和曲线拟合单元124。

所述获取单元122，用于获取定标样品集中的待测元素的浓度。

本实施例中，图5中的步骤S122由所述获取单元122执行，具体过程请参考步骤S122，在此不再赘述。

所述曲线拟合单元124，用于将所述待测元素的浓度和目标谱线强度进行指数拟合，作为定标曲线。

本实施例中，图5中的步骤S124由所述曲线拟合单元124执行，具体过程请参考步骤S124，在此不再赘述。

所述计算模块130，用于根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存。

本实施例中，图4中的步骤S130由所述计算模块130执行，具体过程请参考步骤S130，在此不再赘述。

所述选取模块140，用于选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。

本实施例中，图4中的步骤S140由所述选取模块140执行，具体过程请参考步骤S140，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供的降低光谱自吸收效应的方法和装置，通过调节离焦量实现参数遍历，进而选取最优的参数以降低光谱自吸收效应，提高等离子体的稳定性。同时，该方法实现简单，操作方便。

除此之外，基于LIBS仪的降低光谱自吸收效应的方法和装置，在快速有效的降低自吸收效应的同时，能够提高LIBS定量分析的精度和准确度。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低光谱自吸收效应的方法，应用于LIBS系统，其特征在于，所述方法包括：

基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历；

根据所述参数获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线；

根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存；

选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。

2.根据权利要求1所述的降低光谱自吸收效应的方法，其特征在于，所述待测元素的参数包括目标谱线强度，在该参数满足预设规则时停止参数遍历的步骤，包括：

获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度，并判断所述目标谱线强度是否低于第二预设值，若是，则停止参数遍历。

3.根据权利要求2所述的降低光谱自吸收效应的方法，其特征在于，所述第二预设值为200counts。

4.根据权利要求1所述的降低光谱自吸收效应的方法，其特征在于，所述待测元素的参数包括目标谱线强度的信噪比，在该参数满足预设规则时停止参数遍历的步骤，包括：

获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度以计算该目标谱线强度的信噪比，判断所述信噪比是否低于第三预设值，若是，则停止参数遍历。

5.根据权利要求1所述的降低光谱自吸收效应的方法，其特征在于，所述第一预设值为0.5mm或1mm。

6.根据权利要求2所述的降低光谱自吸收效应的方法，其特征在于，获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线的步骤，包括：

获取定标样品集中的待测元素的浓度；

将所述待测元素的浓度和目标谱线强度进行指数拟合，作为定标曲线。

7.一种降低光谱自吸收效应的装置，其特征在于，所述装置包括：

参数遍历模块，用于基于初始离焦量以第一预设值为步进单位调节离焦量以实现对定标样品集中的待测元素的参数遍历，并在该参数满足预设规则时停止参数遍历；

定标曲线获取模块，用于获取在不同离焦量时对定标样品集中的待测元素进行定量分析的定标曲线；

计算模块，用于根据所述定标曲线计算所述待测元素在不同离焦量时对应的自吸收系数并保存；

选取模块，用于选取所述自吸收系数中的最大值，并将该最大值对应的离焦量作为降低所述自吸收效应的最优参数。

8.根据权利要求7所述的降低光谱自吸收效应的装置，其特征在于，所述参数遍历模块还用于获取定标样品集中的待测元素的目标谱线强度，并判断所述目标谱线强度是否低于第二预设值，若是，则停止参数遍历。

9.根据权利要求7所述的降低光谱自吸收效应的装置，其特征在于，所述第一预设值为0.5mm或1mm。

10.根据权利要求8所述的降低光谱自吸收效应的装置，其特征在于，所述定标曲线获取模块包括：

获取单元，用于获取定标样品集中的待测元素的浓度；

曲线拟合单元，用于将所述待测元素的浓度和目标谱线强度进行指数拟合，作为定标曲线。