激光诱导离解光谱技术定量分析宝石材料探讨

秦宏宇

摘 要：激光诱导离解光谱技术是一种分析物质元素的手段，利用此技术能够做高精度的定量分析。在使用激光诱导离解光谱技术定量分析宝石材料时我们选取成分较为均匀的样品选用激光诱导离解光谱技术定量分析中适用于宝石材料分析的三种方法，分别是外标法、自由定标法和归一化的外标法，对这些宝石材料进行定量分析计算。通过实际的定量分析结果表明，在对宝石材料采用激光诱导离解光谱技术定量分析的三种方法中外标法容易会受到宝石成分变化和结构差异的影响而导致定量分析的准确度不高，自由定标法对于那些复杂的样品，受到的影响因素很复杂，在分析时容易产生较大的误差，归一化的外标法能够有效校正基体效应的影响，相比之下比前两种定量分析方法优越，因此在对采用激光诱导离解光谱技术定量分析宝石材料时应优先选择归一化的外标法。

关键词：激光诱导离解光谱技术；宝石材料；分析方法

随着光谱探测技术的不断发展，在分析物质元素成分时利用光谱分析成为了重要的发展方向。激光诱导离解光谱技术（LIBS）是利用激光与物质之间的相互作用，产生光谱辐射，然后通过对这些光谱特征的定量分析来实现对物质分析的一种技术。目前， 激光诱导离解光谱技术由于其无需对样品处理、设备简单、便于携带等优势而受到人们的认可，但是此技术还存在有稳定性和准确性方面的缺陷。目前在对宝石材料进行分析时可行的分析方法主要是外标法、自由定标法和归一化的外标法，但是这些方法也各有优劣，下面将通过试验来探讨激光诱导离解光谱技术定量分析宝石材料的最佳方法。

1.实验设备和样品测量方法

激光诱导离解光谱技术在进行定量分析时使用的激光诱导离解光谱系统主要包含激光器、光譜仪、样品台及计算机。本实验将使用YAG脉冲激光器和4CCD光纤光谱仪。材料选用成分比较均匀的陨石玻璃、紫色翡翠、绿辉石三块天然矿物质作为实验样品，标样和分析样品我们选用烧制的硅酸盐玻璃，然后在每个样品上取三个点，并将他们的平均值作为标准值，在进行激光诱导离解光谱技术定量分析时，考虑到此技术激光能量的稳定性、分析速度以及将样品损耗降到最低等方面问题，对样品中取得的三个点分别测量五次，在进行分析计算是取谱线的平均值。

2.宝石材料的激光诱导离解光谱的定量分析

根据宝石材料的特性，我们在对其进行激光诱导离解光谱定量分析时采用外标法、自由定标法和归一化的外标法。

2.1 外标定量分析法

因为原子发射光谱的谱线强度I与样品中被测组分的浓度C 成正比关系，所以我们在进行外标法光谱定量分析时，采用赛伯-罗马金经验公式：

I=ACb （1） （A：实验参数；b：光谱谱线的自吸系数）

在测试条件相同的情况下A和b的值可以取常数。对式（1）的等式两边取对数，得出下式

lgI=blgC+lgA （2）

运用此方法进行分析时先选择一系列的含有待测元素和元素的质量分数具有一定的梯度的标样，之后根据（2）式将待分析元素的定标曲线拟合出来，再将待分析元素的强度带入定标曲线式中求得待测元素的浓度。外标法在使用时比较简单，但是此中定量分析法具有较大的机体效应，因此在进行激光诱导离解光谱分析时为了保证测定分析结果的准确度对测定分析条件和样品机体的一致性提出了较高的要求。

2.2 自由定标分析法

自由定标分析法在进行定量分析时充分运用了激光诱导离解光谱仪器能够进行现场测量的优势。假设等离子体满足局部热平衡且为光学薄等离子体，在此种条件下将等离子体理论模型公式进行变换，因此即使没有标样的情况下也能够计算出样品中所含元素的质量分数。

（3）

此中方法不需要制备标样，能够实现快捷方便的进行定量分析，但是此方法在定量分析中受到的影响因素十分复杂，对其定量分析测量结果的准确度造成很大的影响。因此使用此方法测量一些成分简单的样品材料。而对于化学成分复杂的宝石材料选用此定量分析方式就很难得出较准确的分析结果。

2.3 归一化的外标定量分析法

在以上两种激光诱导离解光谱技术定量分析法的基础上，相关研究人士提出了归一化的外标法改进方法，此方法中认为影响基体效应的因素并非等离子的温度，而是离子的密度。将上式中（3）进行变换便可以找出集体效应的矫正因子，通过归一化的外标法在实现了采用一种标样来定量分析未知矿物质的成分。归一化的外标法在对宝石材料进行定量分析时是在标样而后待分析样品的光谱中为材料的每个元素选取分析谱线，之后带入式中进行变换计算，特定元素在同一谱线下的、、是相同的，运用此定量分析方法得出待分析样品与标样之间的基体效应因子，因此在很大程度上减弱了基体效应因子对激光诱导离解光谱定量分析的影响，并且此定量分析方法的过程相对简便。

3.实验结果

3.1 激光诱导离解光谱定量分析外标法

在制备宝石材料时要想不破坏样品是无法实现的。在本实验中，选用的样品的质量分数和成分种类都很相近的几种硅酸盐（，，，）做了定标曲线的拟合。从实验结果中我们可以看出在这几种硅酸盐中和自由的定标曲线效果相对好些，其他几种的硅酸盐的定标曲线都表现出明显的偏离。在选择样品时尽可能保持其相似性，但是定量分析出的结果却存在很大的差异，产生这种现象的原因是因为宝石材料在结构以及其内部元素的质量分数存在一定的差异，在进行定量分析时便产生了基体效应。

3.2 激光诱导离解光谱定量分析的自由定标分析法

通过此中定量分析法的分析结果存在较大的误差。从实验中测得。绿辉石样品中的的质量分数与使用电子探针测得的记过是吻合的，但是此宝石中的元素的质量分数区存在很大的偏差，此误差产生的原因主要是因为自由定标分析法本身就是一种理想化的模型；宝石材料中一些质量分数较低的元素在进行定量分析时刻选用的光谱较少，导致定量分析时不能够完成波尔兹曼平面曲线的拟合；还有宝石材料中的元素的激发效果十分微弱，分析谱线也很少，这些因素都使激光诱导离解光谱定量分析的正确度降低。因此，在对宝石材料进行定量分析是采用此方法不能够保证定量分析的准确度。

3.3 激光诱导离解光谱定量分析的归一化外标法

此定量分析方式采用一块标样来进行分析。此方法首先可以通过计算基体效应因子来得出待测样品中化学成分的质量分数。此定量分析方法相对来说较简单，同时此方法还能够实现自动分析。运用此方法在进行定量分析的结果虽然也有一定的误差但是，此误差相比以上两种定量分析方法的误差范围较小。并在在样品制备以及定量分析过程上，归一化外标法都明显优于以上两种方法，并且满足常量元素定量分析的需求

综上述所得，在使用激光诱导离解光谱技术定量粉底宝石材料时，从定量分析的准确度和定量分析的简易程度上来说使用归一化外标法进行定量分析是最优的选择。

参考文献

[1]涂彩.激光诱导离解光谱技术及其宝石学应用[D]. 中国地质大学 2009.

[2]涂彩，袁心强.定量分析宝石材料化学成分的激光诱导离解光谱方法研究[J].宝石和宝石学杂志.2012（02）.

[3]朱存光，亓洪兴，张 骏，舒嵘.用于激光诱导离解光谱技术定量化分析的基体校正方法[J]. 红外与毫米波学报，2010（04）.