|
|
Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for Material Analysis
Pořízka, Pavel ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pína,, Ladislav (referee) ; Kaiser, Jozef (advisor)
Tato doktorská práce je zaměřena na vývoj algoritmu ke zpracování dat naměřených zařízením pro spektrometrii laserem indukovaného plazmatu (angl. LIBS). Zařízení LIBS s tímto algoritmem by mělo být následně schopno provést třídění vzorků a kvantitativní analýzu analytu in-situ a v reálném čase. Celá experimentální část této práce byla provedena ve Spolkovém institutu pro materiálový výzku a testování (něm. BAM) v Berlíně, SRN, kde byl sestaven elementární LIBS systém. Souběžně s experimentílní prací byl vytvořen přehled literárních zdrojů s cílem podat ucelený pohled na problematiku chemometrických metod používaných k analýze LIBS měření. Použití chemometrických metod pro analýzu dat získaných pomocí LIBS měření je obecně doporučováno především tehdy, jsou-li analyzovány vzorky s komplexní matricí. Vývoj algoritmu byl zaměřen na kvantitativní analýzu a třídění vyvřelých hornin na základě měření pomocí LIBS aparatury. Sada vzorků naměřených použitím metody LIBS sestávala z certifikovaných referenčních materiálů a vzorků hornin shromážděných přímo na nalezištích mědi v Íránu. Vzorky z Íránu byly následně na místě roztříděny zkušeným geologem a množství mědi v daných vzorcích bylo změřeno na Univerzitě v Clausthalu, SRN. Výsledné kalibrační křivky byly silně nelineární, přestože byly sestaveny i z měření referenčních vzorků. Kalibrační křivku bylo možné rozložit na několik dílčích tak, že závislost intenzity měděné čáry na množství mědi se nacházela v jiném trendu pro jednotlivé druhy hornin. Rozdělení kalibrační křivky je zpravidla přisuzováno tzv. matričnímu jevu, který silně ovlivňuje měření metodou LIBS. Jinými slovy, pokud určujeme množství analytu ve vzorcích s různou matricí, je výsledná kalibrační křivka sestavená pouze z jedné proměnné (intenzity zvolené spektrální čáry analytu) nepřesná. Navíc, normalizace takto vytvořených kalibračních křivek k intenzitě spektrální čáry matrčního prvku nevedla k výraznému zlepšení linearity. Je obecně nemožné vybrat spektrální čáru jednoho matričního prvku pokud jsou analyzovány prvky s komplexním složením matric. Chemometrické metody, jmenovitě regrese hlavních komponent (angl. PCR) a regrese metodou nejmenších čtverců (angl. PLSR), byly použity v multivariační kvantitatvní analýze, tj. za použití více proměnných/spektrálních čar analytu a matričních prvků. Je potřeba brát v potaz, že PCR a PLSR mohou vyvážit matriční jev pouze do určité míry. Dále byly vzorky úspěšně roztříděny pomocí analýzy hlavních komponent (angl. PCA) a Kohonenových map na základě složení matričních prvků (v anglické literatuře se objevuje termín ‚spectral fingerprint‘) Na základě teorie a experimentálních měření byl navržen algoritmus pro spolehlivé třídění a kvantifikaci neznámých vzorků. Tato studie by měla přispět ke zpracování dat naměřených in-situ přístrojem pro dálkovou LIBS analýzu. Tento přístroj je v současnosti vyvíjen v Brně na Vysokém učení technickém. Toto zařízení bude nenahraditelné při kvantifikaci a klasifikaci vzorků pouze tehdy, pokud bude použito zároveň s chemometrickými metodami a knihovnami dat. Pro tyto účely byla již naměřena a testována část knihoven dat v zaměření na aplikaci metody LIBS do těžebního průmyslu.
|
|
|
Possibilities of using laser spectroscopy for the analyses of inorganic binders and concrete
Kratochvilová, Lucie ; Hrdlička,, Aleš (referee) ; Opravil, Tomáš (advisor)
This master’s thesis is dealing with the possibility of using laser-induced breakdown spectroscopy for the detection of non-metallic elements (e. g. chlorine) in concrete. These elements cause degradation of concrete which leads to a shortening lifetime of reinforced concrete buildings. In the experimental part of thesis, a methodology for the determination of chlorides in concrete will be created and verified. A comparison of the single pulse and the double pulse configuration of the LIBS will be done on the samples containing only pure chemical substances with known concentrations of chlorine.
|
|
|
Approaches to signal correction and standardization in laser spectroscopy
Schiffer, Štěpán ; Hrdlička, Aleš (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
The subject of this diploma thesis is the study of a sample position influence on results of an experiment in laser spectroscopy. The aim is to design an appropriate way for standardization of signal obtained at different conditions with the respect to its applicability for stand-off analysis. In the theoretical part of the diploma thesis there are the basics of LIBS method described together with the issues of stand-off experiment and both, basic and advanced approches for the processing and correction of obtained spectra. Also the experiment is designed here, which is used for the analysis of the sample inclination and distance influence on the detected signal. The choice of appropriate ways for the signal correction follows and their applicability and efficiency is then experimentally tested.
|
|
|
Depth profiling using laser-induced breakdown spectroscopy method
Průcha, Lukáš ; Novotný,, Karel (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
The diploma thesis deals with the use of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for depth profiling and 3D mapping of the zinc-coated steel used in the automotive industry. Before creating depth maps and depth profiles, optimization of the experiment was performed. It was shown that the LIBS technique is suited for making depth profiles and depth maps. The theoretical part deals with the description of the LIBS instrumentation, characteristics of plasma, and assembling of scientific papers which reflect the up to date knowledge about depth profiling and mapping with the use of the LIBS technique. The experimental part describes the optimization of the experiment. Gate delay, the depth and the diameter of craters using the profilometer, the position of the focal plane relative to the sample surface, and selection of spectral lines with the smallest residual signal and small scattering of data were optimized. Depth profiles of zinc, iron, chromium and manganese with the depth map of zinc and iron were made, and also the depth resolution for both elements was calculated.
|
|
|
Korelace charakteristických signálů laserem buzeného plazmatu
Terschová, Vanda ; Novotný, Karel (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a fast analytical method, but can also be complicated. This spectroscopic method is used to provide a qualitative and quantitative analysis of a sample. The analysis is carried out by capturing the emission radiation of the generated plasma. The accuracy and stability of the measurement is affected by several parameters, such as stability of the laser, physical and chemical properties of the sample, its homogeneity and others, that can not always be eliminated. For this reason other methods are being added to the LIBS experiment that could improve the quality of this analysis. This diploma thesis is focused on a research of the literature on the standardization of laser-induced plasma signal and the possibility of using an acoustic signal for this purpose. For this reason , it is necessary to perform basic experiments and to verify if the acoustic signal correlates with the emission signal. If these signals correlate together, it would be possible to use the acoustic signal for standardization og the LIBS data, which would improve the accuracy of the analysis. In the theoretical part at the beginning other spectroscopic methods are summarised. Then the work is focused on the description of the LIBS method, possible ways of the analysis, standardization of emission signals and its review in the literature. The experimental part is aimed at the study of the acoustic signal that was performed in the framework of this study. At the beginning, there are introduced results of the basic measurements on steel and brass samples. These results were important for an optimization of the experiment. The following section shows the results obtained from the measurements of the acoustic signal on the samples with the same chemical composition but different hardness. At the end the correlation between the acoustic and emission signals is discussed.
|
|
|
Statistical analysis of laser spectroscopy measurements
Slávik, Ľuboš ; Bednář, Josef (referee) ; Hübnerová, Zuzana (advisor)
Cieľom tejto bakalárskej práce je stručne vysvetliť metódu spektroskopie laserom indukovaného mikroplazmatu (LIBS) ako nástroj analýzy prvkového zloženia študovaných vzorkov. Výstupy z prvkovej analýzy (emisné spektrá) sú ďalej spracované pomocou matematických metód regresnej analýzy za účelom nájdenia vzťahov medzi nameranými chemickými prvkami. Tieto dve metódy sú použité na analýzu problému založeného na reálnych dátach, a to nájdenie špecifického vzťahu medzi prítomnosťou uránu a hydrozirkónu v študovanom vzorku uranonosného pieskovca.
|
|
|
Analysis of teeth and bones by laser-induced breakdown spectroscopy
Šindelářová, Anna ; Pořízka,, Pavel (referee) ; Modlitbová, Pavlína (advisor)
The presented diploma thesis deals with the elemental composition of hard tissues – human and murine jaws studied by laser-induced plasma spectroscopy (LIBS). Samples of human teeth contained a disease called ankylosis and the difference in elemental composition of healthy and diseased tissue was observed to localize ankylosis in the tooth. When evaluating the map of the spatial distribution of phosphorus and calcium, a decrease in the concentration of these elements in the ankylosis infected area was observed. Furthermore, murine jaws containing lead were analyzed. When assessing the spatial distribution of lead in tissue, it was found that lead was incorporated in murine teeth in the enamel at the tip of the incisor and molars. In conclusion, LIBS method achieved good results considering the detection of the elemental distribution of hard tissues. It enables to differentiate parts of the tooth in terms of elemental composition and tissue hardness and also to detect changes in the matrix caused by a disease or bioaccumulation of heavy metals.
|
|
|
Collection system design for multichannel spectrometer
Sovadina, Petr ; Buday, Jakub (referee) ; Novotný, Jan (advisor)
In laser-induced breakdown spectroscopy, the intensity of radiation that enters the spectrometer is crucial. Ideally, the collection of radiation is from a single point of plasma. The greater the intensity of radiation is, the more perspicuous the graph of wavelengths is. Therefore, it is necessary to have the best optimized optical collection system. The existing collection system was not designed for connection to a multichannel spectrometer. The use of the optical multifibre resulted in a collection of radiation from different spots in plasma. Therefore, there was a request for a new optical system designed to collect radiation from a single point of plasma and would be suited for the best collection of radiation. The designed and manufactured collection system was tested. During the test was discovered that the collection system can be calibrated well and allows collection from one point of plasma. The test is considered successful.
|
|
|
Possibilities of using laser spectroscopy for the analyses of inorganic binders and concrete
Kratochvilová, Lucie ; Hrdlička,, Aleš (referee) ; Opravil, Tomáš (advisor)
This master’s thesis is dealing with the possibility of using laser-induced breakdown spectroscopy for the detection of non-metallic elements (e. g. chlorine) in concrete. These elements cause degradation of concrete which leads to a shortening lifetime of reinforced concrete buildings. In the experimental part of thesis, a methodology for the determination of chlorides in concrete will be created and verified. A comparison of the single pulse and the double pulse configuration of the LIBS will be done on the samples containing only pure chemical substances with known concentrations of chlorine.
|
|
|
Detection of heavy metals in hard tissues by laser-induced breakdown spectroscopy
Konečná, Anna ; Novotný, Karel (referee) ; Pořízka, Pavel (advisor)
This master thesis deals with the detection of heavy metals bioaccumulated in hard tissues by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). As model samples, murine mandibles and femurs of animals exposed to lead oxide or cadmium oxide nanoparticles were used. The exposure of animals lasted for 6 or 7 weeks. Control group of animals was exposed only to air for a reference. The distribution of biogenic elements and contaminants was determined by mapping the samples' surface using LIBS with a spatial resolution of 30 and 100 µm. The second part of the work focused on the possibility of using the method LIBS for quantitative analysis. Samples of hydroxyapatite standards were prepared as reference material. By their analysis a calibration curve was constructed, and the limits of detection and quantification were determined. Furthermore, a model for prediction of heavy metal concentration by calculation from the calibration curve was presented.
|
guest ::
