矿产样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)快速分析-J200

矿产样品的激光诱导击穿光谱（LIBS）快速分析

前言

过去十年中，因为在许多新兴经济体，如中国、俄

罗斯、印度和巴西，得到了快速发展，矿产业对世界经

济的增长提供了稳定的贡献。包括石油、煤炭、铁、金

银、镍、铜等多种矿产被持续开采。大多数矿产活动都

包含了矿石原料采集及材料的浓缩提纯等过程。

为了评估这些过程对最终获得的矿产产品的功效，

很多分析方法被用于量化或监测这些过程中的重要元

素。传统的方法包括XRF（X射线荧光）、GFAA（石墨

炉原子吸收）、ICP-AES（电感耦合等离子体发射光谱）、

ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）、SEM（扫描电镜）、

及SIMS（二次离子质谱）等。

激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy 简称LIBS）是一种快速兴起的分析技术。LIBS技术在过去的几年里得到了多种工业行业的越来越多的关注。在矿产业，相较与上文提到的传统分析方法，LIBS具有很多有吸引力的分析优势。

LIBS可以检测从H到Pu的多种元素，包括如H、N、F和O等其它分析方法很难或不可能检测的非金属元素。此外，与XRF相比，LIBS对于轻元素（如B、Li、C、K、Ca、Mg、Al、Si等）有更高的灵敏度，而这些轻元素的检测对于许多矿产应用都很关键

本案例中，非洲矿产标准（AMIS）标准参考物质

（CRMs）被用于分析，以证明LIBS技术对于矿产业是

一种有效的分析方法。试验采用美国应用光谱公司的

LIBS设备——J200激光光谱元素分析仪（美国应用光

谱公司即ASI公司，由美国劳伦斯伯克利国家实验室首

席科学家 Rick Russo建立）。J200配备266nm Nd：YAG

纳秒激光器以及宽频检测器。

美国ASI公司的J200激光光谱元素分析仪

样品分析

采用J200在最优化条件下分析了8个矿石标准样品。与XRF样品前

处理一样，将8个矿石样品进行压片，这意味着LIBS虽然是一个新的分

析方法，但现有的样品前处理手段就能满足分析需要。采用200μm光斑

大小的激光，在压片后的样品上剥蚀9个位置，得到的光谱数据采用ASI

数据分析软件包进行分析。图1为AMIS 171样品的典型光谱图

（190-1000nm）。

采用ASI数据分析软件包，可对数据进行主

成分分析（PCA），以判定样品成分的变异

性（图2）。在不同样品中，如果大量元素和

微量元素存在差异，PCA分析功能就能作图

显示数据点清晰的分组。通过PCA分析，

用户可以快速有效的掌握样品的成分变异，

并及时监控开采样品的一致性。

尽管在同一组中不同样品存在基体差

异，但通过ASI分析软件强大的多变量校准

算法，可精确得到兴趣元素的浓度。本试验

压片样品激光采样后：激光

采样网格：9x3 和 3x3

图1. J200得到的AMIS 171样品的典型光谱图（190-1000nm）

图2. 样品LIBS数据的主成分分析（PCA）图

中，采用矿石标准样品被建立ASI分析软件的多变量标准曲线。7个标准样品用于建立曲线，1个（AMIS 193，作为待测样品）用于检测建立的标准曲线的准确度和精度。Al和Co元素的多变量标准曲线见图3。Al的浓度范围为2.09%~12.4%，Co为49ppm~820ppm。

表1为通过AMIS矿石标准样品建立的标准曲线检测待测样品（AMIS 193）结果的准确度和精度。其中除了Ni的偏差为-14.9%，其余的样品偏差均＜10%。然而测量结果的Ni元素的含量为的11175ppm，在参考范围（11152-15112ppm）之内；且待测样品的其它元素测量值与参考值相比，RSD均小于7.0%。

表1. AMIS 193测量结果的准确度和精度

结论

LIBS技术提供了一种同时检测矿石样品多种元素的快速分析方法，检测范围从ppm~wt%。在此案例中，通过压片进行前处理的样品（样品的基体效应与常规的XRF分析方法相同），通过LIBS分析得到较好的准确度和精度。因为LIBS具有能检测重要的轻元素，如Li、B、C、H、O、N、Al、Ca、Mg、Si等，同XRF相比，LIBS技术更为高效。LIBS技术将成为矿产业有力的技术手段。采用矿产业已经建立的样品前处理方法（如前文提到的压片），ASI的J200就能得到H、Li、Be、B、C、N、O、F等其它分析方法很难或不可能得到的元素信息。

图3. 多变量标准曲线，Al (2.09 – 12.4 wt. %) and Co (49 – 820 ppm).